Controlador de Carga conforme Portaria 396 do INMETRO

See discussions stats and author profiles for this publication at httpswwwresearchgatenetpublication280134322 Controlador de carga de acordo com a portaria 396 do INMETRO Conference Paper August 2014 DOI 1013140RG2138710882 CITATIONS 0 READS 3195 3 authors including Some of the authors of this publication are also working on these related projects A new family of ZVS PWM voltage source inverter with active voltage clamping View project A threephase flyback currentfed pushpull bidirectional dcdc converter for dc microgrid application View project Renan Diego de Oliveira Reiter 10 PUBLICATIONS 32 CITATIONS SEE PROFILE Adriano Péres Federal University of Santa Catarina Blumenau Brazil 66 PUBLICATIONS 218 CITATIONS SEE PROFILE All content following this page was uploaded by Adriano Péres on 19 July 2015 The user has requested enhancement of the downloaded file Controlador de carga de acordo com a portaria 396 do INMETRO Renê Alfonso Reiter Renan Diego de Oliveira Reiter Adriano Péres Departamento de Engenharia Elétrica e de Telecomunicações Universidade Regional de Blumenau FURB Blumenau SC Brasil reiterterracombr aperesfurbgmailcom ResumoNeste trabalho é desenvolvido um controlador de carga que atende aos requisitos da Portaria 396 do INMETRO É utilizado um conversor CCCC do tipo buck como controlador de carga com a função de carregar a bateria a partir de painéis solares fotovoltaicos Aplicamse os controles PWM e MPPT dependendo da necessidade do sistema e melhor condição de carga O processador responsável por gerenciar o controlador de carga a instrumentação utilizada e as fontes auxiliares são de fundamental importância para o desempenho satisfatório do equipamento a fim de atender aos requisitos da norma vigente no Brasil Além do baixo autoconsumo um dos pontos mais importantes é elevar a vida útil das baterias e prolongar o armazenamento da energia Resultados experimentais obtidos de um protótipo de 12V24V e 30A são apresentados para validar a metodologia empregada Palavras ChaveBaixo autoconsumo Controlador de carga Portaria 396 do Inmetro Sistema fotovoltaico I INTRODUÇÃO Até pouco tempo as preocupações da humanidade com relação à energia estavam concentradas no desenvolvimento de novas formas de consumo que lhe trouxessem mais conforto A disponibilidade de combustíveis de origem fóssil oriunda da conversão bioquímica da energia solar por milhões de anos parecia ser uma fonte inesgotável de energia 1 Contudo o grande crescimento populacional associado ao súbito aumento do consumo individual de energia mudou rapidamente este cenário As fontes de combustíveis fósseis mostraramse finitas e geradoras de grandes problemas ambientais Constatouse que o modelo empregado até então era insustentável e que havia a necessidade de uma mudança de paradigma A partir deste cenário concluiuse que era imperativo se adotar um novo modelo energético baseado no uso de fontes de energias renováveis E também se observou que o principal fornecedor de energia renovável ao planeta é o sol Brilhando há mais de cinco bilhões de anos estimase que o sol ainda disponibilizará energia por outros seis bilhões de anos com fornecimento de quatro mil vezes mais energia que aquela consumida pela humanidade por ano 2 Logo na dimensão humana de tempo esta se constitui em uma fonte infinita de energia A utilização da luz solar para conversão direta em energia elétrica com o uso de painéis fotovoltaicos começou a ser utilizada em viagens espaciais na década de 60 por ser uma alternativa ao uso de baterias cujo peso e volume para transportar nas viagens seria inviável Nessa época os módulos possuíam uma eficiência muito baixa em comparação com a eficiência alcançada atualmente Durante a década de 70 essa tecnologia evoluiu e seu uso passou a incorporar sistemas autônomos como em regiões rurais sistemas de bombeamento de água centrais de telecomunicações entre outros A década de 90 ficou marcada pelo crescimento das aplicações dos sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica para uso residencial e comercial nos países desenvolvidos Foram motivados principalmente pela busca em reduzir a dependência energética dos combustíveis fósseis e pela preocupação com as mudanças climáticas em especial com a intensificação do efeito estufa na atmosfera 3 Neste sentido grande parte dos sistemas fotovoltaicos instalados no mundo decorreu de programas governamentais específicos desenvolvidos por cada país para estimular o uso da energia solar fotovoltaica haja vista que ainda é uma energia cara quando comparada às tecnologias convencionais e às tarifas de eletricidade praticadas atualmente Tais programas vêm fomentando os sistemas fotovoltaicos através de incentivos fiscais eou financeiros para a população e auxiliando de certa forma as indústrias locais de equipamentos e serviços a se desenvolverem mais rapidamente O mercado de sistemas autônomos dificilmente pode ser comparado com os sistemas conectados à rede O rápido crescimento e popularização dos sistemas conectados à rede devido ao seu baixo custo e vida útil do sistema como um todo reduziu consideravelmente o crescimento desse mercado no mundo conforme mostrado na Figura 1 Entretanto sistemas autônomos obtiveram um incremento bastante representativo em muitos países Na Austrália foram instalados em 2012 16MW de sistemas fotovoltaicos autônomos Na China no mesmo ano foram instalados 40MW dos quais por volta de 30MW contempla sistemas híbridos e 10MW de sistemas autônomos 3 Figura 1 Instalações de sistemas autônomos e conectados à rede 3 Os sistemas autônomos necessitam de baterias para fazer o armazenamento de energia a fim de viabilizar o uso de equipamentos elétricos durante períodos com pouca ou nenhuma luz solar Praticamente todas as baterias utilizadas em sistemas fotovoltaicos são do tipo ácidas permitindo descarga profunda Outros tipos de baterias ex NiCad NiMH LiO também são compatíveis e possuem a desvantagem de não serem adequadas para cargasdescargas acimaabaixo do limite além de serem mais caras A vida útil das baterias varia conforme o regime de operação e outras condições mas tipicamente se situa entre 5 e 10 anos 4 Os controladores são utilizados para manter a bateria no melhor estado de carga possível state of charge SOC e fornecer ao usuário a quantidade de energia requisitada protegendo a bateria de descargas profundas e sobrecarga Muitos controladores de carga possuem algoritmos de rastreamento de máxima potência MPPT para maximizar a energia gerada pelos painéis fotovoltaicos O Brasil até o final de 2012 possuía por volta de 45MW instalados de sistemas fotovoltaicos sendo a maioria sistemas autônomos Com a regulamentação da ANEEL autorizando a conexão de sistemas fotovoltaicos à rede elétrica a partir do final de 2012 5 6 esperase que o mercado brasileiro comece a crescer Mesmo com as reduções dos custos dos paineis RW ainda não é economicante viável para a geração distribuída se espalhar pelo país O mercado de sistemas fotovoltaicos conectados à rede está crescendo entretanto ainda existe um mercado em potencial para sistemas autônomos pois existem muitos locais isolados onde é inviável transportar energia elétrica de forma convencional Locais como ilhas e pontos de difícil acesso ocorrem grandes investimentos de pequenos sistemas autônomos residenciais II O CONTROLADOR DE CARGA Um controlador de carga é parte essencial de um sistema fotovoltaico autônomo Em sua forma mais simples a função de um controlador de carga é garantir que o painel fotovoltaico não danifique a bateria conectada ao mesmo A forma mais simples de se implementar é através de um diodo conectado entre a bateria e o painel Isso garante que a bateria não se descarregará no painel durante a noite Uma versão mais sofisticada permite que o controlador de carga desconecte o painel quando as baterias se encontram completamente carregadas para prevenir uma sobrecarga ou mesmo uma descarga profunda Modelos ainda mais completos incluem algoritmos MPPT Este trabalho apresenta a análise o projeto e a experimentação de um controlador de carga alimentado através de painéis fotovoltaicos Além disso é apresentada uma revisão do ensaio exigido dos controladores de carga normatizados pela Portaria 396 do INMETRO 7 A Sistemas Fotovoltaicos Isolados Os sistemas fotovoltaicos isolados podem ser classificados basicamente de duas formas sistemas em série ou sistemas em paralelo os quais se diferenciam pela forma com que o sistema de armazenamento de energia é empregado Em um sistema série o banco de baterias é colocado em série com o fluxo de energia conforme apresentado na Figura 2 O controlador tem a função de ajustar a tensão para carga das baterias além disso pode rastrear o ponto de máxima potência e gerenciar o consumo da carga para não danificar a bateria O inversor converte a tensão CC da bateria para uma tensão CA desejada na saída do sistema Figura 2 Diagrama de blocos de um sistema fotovoltaico isolado série A principal desvantagem de uma configuração série é o fato de que toda a energia utilizada pelo sistema circula pelo banco de baterias diminuindo a vida útil das mesmas o que aumenta os custos de manutenção do sistema Nos sistemas residenciais temse pelo menos três estágios de conversão devido às tensões do módulo fotovoltaico do banco de baterias e do barramento CC serem diferentes Isto afeta significativamente a eficiência do sistema pelo maior número de conversões necessárias A configuração em paralelo tem como característica principal o emprego do banco de baterias em paralelo com o fluxo de energia do sistema conforme apresentado na Figura 3 A diferença nesta configuração é que os conversores que realizam a carga do banco de baterias e a elevação de tensão não estão em série com os demais estágios de processamento de energia A redução no número de estágios em série resulta em um aumento na eficiência global do sistema As baterias na configuração em paralelo são acionadas apenas quando a energia gerada pelo módulo fotovoltaico é inferior à demanda exigida pela carga evitando cargas e descargas desnecessárias que comprometem a sua vida útil A potência processada pelo controlador durante a carga das baterias é diferente da processada pelo estágio de elevação de tensão A frequência de operação e os componentes utilizados em cada modo de operação são dimensionados de acordo com a potência processada e não de acordo com a potência nominal Esta é mais uma das vantagens de se utilizar a configuração em paralelo em relação à série Figura 3 Diagrama de blocos de um sistema fotovoltaico isolado paralelo B Controladores de Carga PWM e MPPT A Modulação por Largura de Pulso PWM é o meio mais eficaz para alcançar a tensão desejada da bateria através do chaveamento de interruptores Quando operando em modo PWM a corrente do painel solar diminui ou aumenta de acordo com a condição da bateria O carregamento de uma bateria com um sistema solar fotovoltaico é um desafio único e difícil Nos velhos tempos simples reguladores onoff foram usados para limitar o gargalo na bateria quando um painel solar produzia energia em excesso No entanto com os sistemas solares amadurecidos ficou claro que estes dispositivos de simples funcionamento interferiam com o processo de carga da bateria Os dados históricos afirmam que reguladores onoff foram a principal causa do envelhecimento precoce das baterias o aumento de quantidade de cargas paradas e a crescente insatisfação do usuário Os modelos com tecnologia PWM surgiram como o primeiro avanço significativo na carga de baterias para aplicações solares fotovoltaicas 8 Controladores de carga com tecnologia PWM são similares a outros modernos carregadores de bateria Quando a tensão da bateria atinge o ponto de regulação o controle por PWM reduz lentamente a corrente de carregamento para evitar o aquecimento e gaseificação da bateria no entanto o controlador continua a fornecer a quantidade máxima de energia para a bateria no menor tempo possível O resultado é uma maior eficiência de carga recarga rápida e uma bateria saudável em plena capacidade 8 Além disso este método de carregamento de bateria através de energia solar fotovoltaica promete alguns benefícios muito interessantes e originais do controle onoff que incluem possibilidade de recuperar a capacidade da bateria aumenta a aceitação de carga da bateria mantém a alta capacidade da bateria 90 a 95 em comparação com os níveis regulados onoff que normalmente são de 55 para 60 reduz o aquecimento da bateria e gaseificação ajusta automaticamente para o envelhecimento da bateria e autoregula para quedas de tensão e efeitos de temperatura em sistemas fotovoltaicos Os benefícios são de base tecnológica A questão mais importante é como a tecnologia PWM beneficiaria o usuário do sistema fotovoltaico Saltando de uma tecnologia de 1970 para as novas ofertas do milênio os principais aspectos a considerar em uma bateria são vida útil da bateria capacidade de armazenar mais energia nas baterias e maior uso da energia de painéis solares fotovoltaicos 8 De acordo com o Conselho Internacional de Bateria 84 de todas as falhas de baterias de chumboácido são devidas à sulfatação o qual é mais um problema em sistemas solares fotovoltaicos já que o carregamento oportunidade difere significativamente do carregamento tradicional de baterias Os longos períodos de undercharging comuns aos sistemas fotovoltaicos causam a corrosão da grade e as placas positivas da bateria tornamse revestidas com cristais de sulfato 8 O processo de carga através de modulação PWM pode deter a formação de depósitos de sulfato ajudar a ultrapassar a barreira resistente sobre a superfície das grades por meio de punção e a corrosão na interface 8 A carga de corrente pulsada possui a capacidade de recuperar as células da bateria 9 Controladores de carga com MPPT realizam o rastreamento do ponto de máxima potência de painéis fotovoltaicos Todos os painéis fotovoltaicos são classificados em Watts Isso identifica a quantidade de potência que o painel pode produzir a qual é a quantidade de trabalho que o painel pode produzir quando iluminado através de luz solar Multiplicandose a tensão no ponto de máxima potência Vmpp pela corrente de máxima potência Impp determinados no módulo é possível determinar a potência nominal do módulo Em operação sua tensão ideal é aquela na qual se obtém a potência máxima Isso também é chamado de ponto de máxima potência A tensão no ponto de máxima potência varia principalmente em função da temperatura do painel Em ordem para carregar uma bateria o painel fotovoltaico deve aplicar uma tensão maior que a tensão da bateria Se a tensão no ponto de máxima potência for um pouco menor que a tensão da bateria então a corrente cai próximo a zero Por isso para operar de forma segura tipicamente os painéis fotovoltaicos são feitos com um Vmpp próximo de 17V quando a temperatura do módulo se aproxima de 25C Isso é feito pois com o aumento da temperatura principalmente em dias de verão a tensão tende a cair podendo atingir valores próximos de 15V A vantagem de se utilizar controladores MPPT depende do arranjo clima e das condições de carga utilizadas Fornece um aumento na corrente efetiva apenas quando a Vmpp é mais que 1V acima da tensão da bateria Em períodos quentes isso pode não ser o caso a não ser que as baterias estejam descarregadas Em períodos frios no entanto o Vmpp pode atingir valores mais altos Se a energia utilizada no inverno for maior então pode haver consideráveis ganhos de energia Figura 4 Diferença entre controle PWM e MPPT C Norma Brasileira para Controladores de Carga O controlador de carga é considerado um dos dispositivos mais importantes em sistemas fotovoltaicos autônomos para evitar que a bateria sofra danos causados devido à sobrecarga e descarga profundas Além disso a tensão instável a partir de sistemas fotovoltaicos pode danificar a carga conectada ao sistema Estudos mostram que o tempo de vida da bateria é degradado sem o uso do controlador de carga 10 Sistemas fotovoltaicos offgrid como os encontrados em áreas remotas são tipicamente equipados com sistemas de armazenamento em bateria a fim de fornecer energia durante a noite e durante os dias nublados Tais sistemas devem usar controladores de carga para prevenir sobrecarga excessiva nas baterias em particular no período de término da carga onde as baterias do tipo chumboácido requerem baixa corrente porque a sua capacidade para aceitar a carga é limitada pelo ciclo de recombinação do oxigênio 11 Para serem comercializados os controladores de carga devem atender a algumas normas No Brasil devem atender aos requisitos da Portaria 396 do Inmetro 7 A portaria estabelece os critérios de avaliação da conformidade para sistemas e equipamentos para energia fotovoltaica através do mecanismo da etiquetagem Para utilização da Etiqueta Nacional de Conservação de Energia ENCE o equipamento deve atender aos requisitos do Programa Brasileiro de Etiquetagem PBE visando à eficiência energética e ao adequado nível de segurança Os procedimentos de ensaio de um controlador de carga de acordo com a Portaria 396 do Inmetro compreendem 7 a ensaios em condições nominais queda de tensão tensão de desconexão e reposição do painel fotovoltaico e compensação por temperatura tensão de desconexão e reposição das cargas e autoconsumo b ensaios em condições extremas proteção contra inversão de polaridade na conexão do painel fotovoltaico proteção contra inversão de polaridade na conexão do acumulador proteção contra inversão na sequência de conexão bateriamódulo e proteção contra curtocircuito na saída para carga D Requisitos de um controlador de carga Em relação ao sistema fotovoltaico completo o custo do controlador de carga tem um valor de cerca de 3 a 5 modelos mais simples mas devem controlar todo o fluxo de energia no sistema enquanto os painéis representam cerca de 50 as bateriras cerca de 30 etc Em termos de confiabilidade faz sentido usar um controlador de carga de alta qualidade e investir um pouco mais em eletrônica pois estes custos extras da eletrônica não farão quase nenhuma diferença para os custos globais do sistema Entretanto um bom controlador de carga pode aumentar o desempenho do sistema de forma significativa As funções importantes que todo controlador de carga deve possuir incluem o desligamento por baixa tensão LVD para proteger a bateria de descarga profunda e a desconexão de alta tensão HVD para proteger a bateria de sobrecarga Além disso um controlador de carga fotovoltaico deve ter um bom gerenciamento do estado de carga da bateria a fim de aumentar sua vida útil e a confiabilidade do sistema Bons controladores de carga tem um consumo muito baixo operando em standby 4mA e muitas vezes são desenvolvidos para funcionar dentro de caixas robustas Além disso bons controladores de carga possuem interface amigável indicando os principais dados do sistema E Topologias mais Empregadas 1 Controladores Shunt A topologia mais utilizada em controladores de carga é o controlador shunt Para regular o fluxo de energia um curto circuito PWM é aplicado ao módulo fotovoltaico Isso pode ser feito sem quaisquer efeitos negativos devido à elevada resistência interna dos módulos A Figura 5 apresenta o diagrama simplificado do controlador shunt No caso da chave S1 estar aberta a corrente flui através de S2 para a bateria Se a chave S1 estiver fechada realizando um curtocircuito no módulo fotovoltaico nenhuma corrente flui para a bateria Durante a noite a chave S2 é aberta e impede que ocorra um fluxo de corrente da bateria para o módulo A chave S3 realiza o controle do fluxo de energia para a carga 12 Figura 5 Diagrama esquemático do controlador shunt Os controladores de carga shunt tem uma boa compatibilidade eletromagnética com as mudanças de comutação entre o carregamento Impp e a corrente de curto circuito Isc Esses controladores têm uma boa eficiência na carga pois as perdas acontecem apenas através da chave S2 pois não há outros semicondutores ou elementos magnéticos para aumentar as perdas Essa topologia apresenta uma boa proteção contra inversão de polaridade na bateria e nos terminais da carga 2 Controladores Série Controladores série desconectam a bateria do painel fotovoltaico para regular o sistema Dois MOSFET antissérie S1S2 devem ser utilizados para evitar correntes em ambas as direções Se o circuito está aberto o módulo opera com tensão de circuito aberto e a corrente do módulo é zero A chave S3 realiza o controle do fluxo de energia para a carga A Figura 6 apresenta o diagrama esquemático simplificado do controlador série 12 Figura 6 Diagrama esquemático do controlador série O controlador série apresenta uma flexibilidade no que diz respeito à fonte de entrada Devido à desconexão tais controladores podem ser construídos de forma a aceitar a energia dos painéis fotovoltaicos e de outras fontes de tensão Como desvantagens possuem menor desempenho EMC com a flutuação da corrente entre zero e Impp Além disso a eficiência de carga é um pouco inferior já que o fluxo da corrente de carga tem sempre que fluir através de dois MOSFET Além disso proteger o controlador de carga contra inversão de polaridade não é algo simples para desenvolver 3 Controlador com Conversor CCCC Controladores com conversores CCCC integrados podem aplicar uma tensão diferente entre a entrada e a saída do controlador Isto pode ser usado para controlar a tensão do painel fotovoltaico independente da tensão da bateria e possibilitar uma maior flexibilidade da faixa de tensão de entrada Algoritmos MPPT podem ser aplicados a esses controladores para permitir a absorção da máxima potência dos módulos fotovoltaicos A Figura 7 apresenta o diagrama esquemático simplificado do controlador utilizando um conversor CCCC do tipo abaixador de tensão buck 12 Figura 7 Diagrama esquemático de um controlador buck Se a chave S1 é fechada a corrente flui através do indutor L1 até a bateria Quando S1 é aberta a corrente armazenada em L1 continua a fluir para a bateria através do diodo D1 Com a modulação PWM em S1 a tensão na bateria pode ser regulada assim como o rastreamento do ponto de máxima potência do painel fotovoltaico A chave S3 realiza o controle do fluxo de energia para a carga Estes controladores também carregam baterias com corrente constante caso estejam operando no modo de condução contínua e não com correntes pulsadas como nas topologias shunt e série Por outro lado conversores CCCC têm significativamente menor eficiência devido a uma maior quantidade de semicondutores e elementos capacitivos e magnéticos Isso faz com que tais controladores sejam mais caros que controladores shunt e série Frequências de comutação elevadas podem levar a um baixo desempenho EMC A vantagem do uso do MPPT compensa as perdas na eficiência do controlador além de possibilitar um aumento da vida útil da bateria pela melhor qualidade de energia entregue à mesma 4 Visão geral das topologias apresentadas Para todas as aplicações onde a eficiência é uma questão crucial em todos os sistemas fotovoltaicos controladores shunt apresentam a eficiência mais elevada Também em aplicações de telecomunicações controladores shunt devem ser utilizados devido ao bom desempenho EMC Se a bateria é também carregada a partir de uma fonte de tensão fixa um controlador série é uma boa escolha Em regiões com baixos níveis de irradiação e temperatura um controlador com MPPT pode entregar mais energia para a bateria do que outros controladores Se o número de células no interior do módulo não é compatível com a tensão da bateria ou mesmo módulos de filmes finos controladores de carga com MPPT devem ser utilizados Devido aos altos custos de sistemas fotovoltaicos autônomos principalmente pelo preço e vida útil do banco de baterias é importante selecionar um controlador adequado para cada aplicação Cada topologia possui vantagens e desvantagens controladores shunt dominam o mercado mundial e apresentam um bom desempenho a um preço reduzido Controladores série são bons e flexíveis Controladores com MPPT apresentam principalmente em um clima frio um bom rendimento energético Se os módulos com mais de 36 células ou módulos de filmes finos são utilizados é obrigatório o uso de controladores de carga com MPPT III O CONVERSOR UTILIZADO A topologia utilizada apresenta algumas características entre o controlador série e o controlador com conversor CC CC buck conforme apresentado na Figura 8 O controlador possui duas chaves em antissérie na entrada do conversor para evitar a circulação de corrente da bateria para os painéis fotovoltaicos durante a noite ou momentos de baixa irradiação solar e também da inversão de polaridade dos painéis A chave na saída tem a função de gerenciar o consumo da carga evitando a descarga profunda da bateria A colocação dos interruptores no lado negativo não interrompe o laço de aterramento do circuito 13 Para evitar a queima dos capacitores C1 C2 e C3 foram utilizados capacitores eletrolíticos conectados em antissérie garantindo assim o atendimento aos requisitos de inversão de polaridade Para reduzir o consumo do controlador de carga utilizouse o CI MC34063A 14 como fonte auxiliar um circuito de controle monolítico que contém funções primárias exigidas para um conversor CCCC O processador utilizado para gerenciar o controlador de carga é o MSP430F2274 entre suas principais características destacamse 32kB 256B de memória Flash 1kB de RAM tensão de alimentação de 18V a 36V AD de 10bits saída PWM e consumo de 270μA no modo ativo e 07μA em standby A escolha deste processador se deu principalmente pelo fator consumo primordial característica para um controlador de carga atender a Portaria 396 do Inmetro 7 A Figura 9 apresenta o diagrama esquemático completo da parte de potência do controlador de carga Figura 8 Diagrama do controlador de carga utilizado Figura 9 Diagrama esquemático da potência Na entrada do controlador de carga são utilizados dois MOSFET IRF2807 15 em antissérie para desconectar a bateria dos modulos fotovoltaicos por consequência essa configuração previne correntes em ambas as direções A carga é acionada pelo MOSFET IR3205 Para medir as correntes do painel e da carga foram utilizados resistores shunt R30 e R31 que são componentes de baixo custo Para o circuito de controle da corrente foi usado o circuito comparador INA201 16 Na Figura 10 é mostrado o circuito que detecta a presença do painel fotovoltaico cuja saída está conectada diretamente à CPU informando a condição do painel fotovoltaico Esse sinal impede por hardware que as chaves de entrada sejam acionadas no caso de ocorrer algum problema com a CPU Figura 10 Circuito detector de presença de painel IV ALGORITMO MPPT Os módulos fotovoltaicos são fontes geradoras de energia elétrica a partir do Sol que estão sujeitos a variação de níveis de potência dependendo da irradiância e temperatura A irradiância está diretamente atrelada à variação da corrente do módulo já a temperatura está diretamente vinculada à variação da tensão de operação do módulo A curva de potência tensão de um módulo fotovoltaico é apresentada na Figura 11 Podese notar que existe um único ponto de operação onde a potência entregue será máxima desde que não exista sombreamento parcial no sistema fotovoltaico caso contrário podem ocorrer múltiplos picos de máxima potência dificultando o processo para encontrar o máximo global Por ser uma tecnologia com um elevado custo existe a necessidade de se obter sempre que possível a máxima potência disponível por esses dispositivos Para isso existem algoritmos MPPT encarregados dessa função Existem diversos algoritmos conhecidos na literatura 17 Dentre os existentes foram experimentados neste trabalho o método Perturba e Observa PO Condutância Incremental e o método por temperatura Figura 11 Curva P V de um módulo fotovoltaico Por sua simplicidade o método PO é o mais utilizado na literatura 18 O método utiliza medições de tensão e corrente do arranjo fotovoltaico calculando assim a potência gerada O método da Condutância Incremental baseiase na condutância do painel ou seja no fato da derivada da potência de saída do painel em relação à tensão ser zero no ponto de máxima potência Será positiva a esquerda do ponto e negativa a direita do ponto ou seja é uma evolução do método PO 19 O método de Temperatura une a simplicidade do método da tensão constante com a velocidade de convergência e precisão da condutância incremental 20 A vantagem deste algoritmo é que ele rastreia a máxima potência real resultando em operação exata no MPP não se tratando de uma aproximação desde que os dados fornecidos pelo fabricante sejam precisos O controlador de carga proposto neste trabalho deve operar para qualquer tecnologia de módulo e com uma ampla faixa de tensão de entrada Seria complicado utilizar o método por temperatura já que depende de dados fornecidos pelo fabricante tornando cada instalação dependente de parâmetros iniciais que variam de painel para painel Assim foi utilizado o método da Condutância Incremental V PROJETO DO CONTROLADOR DE CARGA As especificações de projeto são apresentadas na Tabela I Como o controlador de carga é projetado para operar com baterias de 12V ou 24V sua tensão de entrada deve suportar tensões entre 15V e 48V para realizar o carregamento das baterias A corrente nominal do controlador de carga é de 30A sendo assim sua máxima potência ocorre quando estiver conectado a baterias de 24V Segundo 21 para calcular o valor do indutor L1 e do capacitor C2 podese utilizar as expressões 1 e 2 respectivamente aonde se chega a um valor aproximado de 10μH para o indutor L1 e de 64μF para o capacitor C2 de acordo com o esquema apresentado na Figura 8 TABELA I ESPECIFICAÇÕES DE PROJETO Potência Nominal da Entrada PIN 720W em 24V Tensão de Entrada VIN 15 a 48 V Tensão de Bateria VBAT 12 V 24V Ondulação do Barramento CC ΔVO 16V Corrente de entrada IIN 30 A Ondulação da Corrente no Indutor ΔIL 64A Frequência de Chaveamento fS 10 kHz Razão CíclicaD 0977 Para construir o indutor foi utilizado o toróide modelo T15734 da Micrometals Para calcular o número de espiras do toróide foi utilizada a expressão 3 fornecida pelo próprio fabricante O valor de AL é expresso em nano Henry por espira ao quadrado nHN2 Para este modelo de toróide T15734 o fabricante fornece o valor de ALnHN2 que é de 435nH O valor de L é obtido por 1 e convertido em nano Henry Pelo valor obtido pela expressão 3 se chega a um valor aproximado de 15 espiras 22 VI RESULTADOS EXPERIMENTAIS As principais formas de onda do controlador de carga operando com fonte de tensão constante na entrada são apresentadas nas figuras a seguir A Ensaio com Potência Nominal para 12V A Figura 12 apresenta a tensão e a corrente de entrada do controlador de carga e a Figura 13 apresenta a tensão e a corrente entregues à carga Ambas as figuras são para o controlador operando em condições nominais para tensão de 12V B Ensaio com Potência Nominal para 24V A Figura 14 apresenta a tensão e a corrente de entrada e a Figura 15 mostra tensão e corrente entregues à carga para o controlador operando em 24V C Sequência de Ensaios da Portaria 396 do Inmetro Para realizar os ensaios da portaria 396 do Inmetro existem alguns requisitos prédefinidos para os equipamentos utilizados 7 Utilizouse uma fonte ajustada em 30A e 138V capacidade nominal do controlador de carga para simular os painéis fotovoltaicos Na Figura 16 é apresentada a vista superior do protótipo do controlador de carga Foram enumeradas diversas partes do controlador de carga 1 conexão do painel fotovoltaico 2 conexão da bateria 3 conexão da carga 4 indutor do conversor Buck 5 resistores shunt para medição da corrente do painel e da carga 6 display para visualização de medidas e condições de operação 7 driver para acionamento dos interruptores e circuito para condicionamento de sinais do conversor AD 8 placa do microcontrolador MSP430 9 fonte auxiliar 10 fonte auxiliar para acionamento do interruptor da carga e 11 chaves para seleção do tipo de bateria e modo de operação PWM ou MPPT Figura 12 Tensão e corrente de entrada painéis com potência nominal Figura 13 Tensão e corrente da carga com potência nominal Figura 14 Tensão e corrente de entrada paineis com potência nominal Figura 15 Tensão e corrente da carga com potência nominal Figura 16 Protótipo Vista superior A Figura 17 apresenta uma vista superior da disposição dos MOSFETS e do diodo de roda livre no dissipador do protótipo Nesta figura a área 1 se refere aos três conjuntos antissérie de MOSFETS IRF3205 dispostos em paralelo para formarem o interruptor S1 conforme apresentado na Figura 16 e Figura 17 O diodo de roda livre STPS61170CW está situado na área 2 e os dois MOSFET IRF3205 em paralelo utilizados como interruptor para conexão da carga são delimitados pela área 3 A bateria utilizada no ensaio de 12V foi da Tudor com 60Ah e para 24V foram utilizadas duas baterias Moura Clean 60Ah Figura 17 Protótipo Vista superior dos interruptores e diodos A seguir são apresentados detalhes de alguns ensaios da portaria 396 do Inmetro 7 incluindo fotos dos procedimentos realizados para a tensão de 12V 1 Ensaio de Queda de Tensão O ensaio tem o objetivo de verificar a queda de tensão entre o terminal de conexão dos painéis e o da entrada do acumulador assim como entre os terminais de entrada do acumulador e os terminais da carga A queda de tensão não deve ser superior a 08V para ambos os ensaios Os resultados obtidos foram de 0356V entre os terminais de entrada e da bateria e de 0134V entre os terminais da bateria e da saída A Figura 18 mostra a foto do ensaio para a queda de tensão entre os terminais de entrada e da bateria 2 Tensão de Desconexão e Reposição do Painel Fotovoltaico e Compensação por Temperatura O controlador foi mantido ligado durante uma hora com temperatura ambiente de 28C posteriormente conectouse uma fonte regulável no lugar do acumulador e aumentouse a tensão até que o controlador realizasse a desconexão do painel mantendose o controlador sob corrente nominal O controle atuou com tensão igual a 148V desconectando o painel Por falta de recurso no laboratório não foi realizada a parte do ensaio onde se deve realizar o mesmo teste em um ambiente com uma diferença de temperatura de 20C Figura 18 Queda de tensão entre os terminais de entrada e da bateria 3 Tensão de desconexão e reposição das cargas Como a tensão nominal do ensaio é 12V conectouse uma fonte regulável com 126V 105 da nominal no terminal do acumulador A tensão da fonte foi reduzida em degraus de 025 até a ocorrência da desconexão das cargas Posteriormente a tensão da fonte foi aumentada em degraus de 025 até que a carga ligou novamente O desligamento da carga ocorreu em 112V e o religamento da carga ocorreu em 125V 4 Autoconsumo Neste teste conectouse a fonte de tensão com a tensão nominal do controlador na entrada do acumulador e mediuse a corrente consumida Os testes apresentaram os seguintes resultados autoconsumo de 1133mA sem display e 1543mA com display para a tensão nominal de 12V e autoconsumo de 951mA sem display e 1149mA com display para a tensão nominal de 24V Para as quatro situações analisadas o controlador de carga se comportou de acordo com o esperado respeitando o limite máximo imposto pela Portaria 396 do Inmetro 7 a qual limita o autocosumo de controladores de carga em 30mA Os testes efetuados confirmam que o MSP430F2274 é um dispositivo de baixo consumo Os resultados satisfatórios são obtidos através da desconexão de periféricos desnecessários quando o controlador de carga está em modo de espera stand by O modo de espera pode se dar em várias situações tais como ausência de luz solar ausência de carga bateria descarregada e sobrecarga 5 Proteção contra sobretensões na entrada do painel fotovoltaico Conectouse uma fonte variável no terminal de entrada do controlador de carga com 125 da tensão nominal durante 15 minutos A escolha de 55V ocorreu pois como o controlador de carga pode operar em 1224V considerouse a situação menos favorável operação em 24V Utilizando dois paineis fotovoltaicos com 22V de tensão de circuito aberto em série alcançariase 44V mais 25 encontrase o valor de 55V O teste foi realizado e religandose o controlador após 15 minutos nessa condição ele voltou a operar normalmente Este ensaio verifica a integridade da entrada para uma condição extrema ou seja a tensão máxima de entrada 6 Proteção contra inversão de polaridade na conexão do painel fotovoltaico Utilizando uma fonte de tensão variável com 32V simulando os paineis operando no ponto de máxima potência com controlador de carga configurado para operar em 24V trocouse a posição dos fios na entrada do controlador de carga durante 5 minutos A conexão correta foi refeita e verificouse o funcionamento normal do controlador de carga 7 Proteção contra inversão de polaridade na conexão do acumulador Como existe caminho para a corrente com a inversão de polaridade da conexão da bateria no terminal do acumulador através do diodo de roda livre utilizouse um fusível de 40A fast blow para proteção contra sobrecorrente Conectouse a bateria com a posição dos fios trocada durante 5 minutos O fusível queimou Efetuouse a troca do fusível após o ensaio e religouse o equipamento verificando seu funcionamento correto 8 Proteção contra inversão na sequência de conexão bateriapainel Conectouse uma fonte na entrada do painel fotovoltaico durante 5 minutos sem a conexão da bateria e de qualquer carga Após o ensaio conectouse a bateria e as cargas na saída e o controlador de carga operou de forma correta 9 Proteção contra curtocircuito na saída para carga Neste ensaio conectouse a bateria ao controlador A saída da carga é curto circuitada durante 5 minutos Verificouse que o controlador desligou as chaves da carga instantaneamente sem ocorrer a queima do fusível Posteriormente o controlador de carga é religado sem a presença do curtocircuito e notouse o seu funcionamento correto A Figura 19 apresenta quatro medidas Em cor ocre canal 3 encontrase a corrente da carga em cor de rosa canal 2 a tensão da bateria em cor azul canal 1 o sinal do CI INA201 e em cor verde canal 4 o sinal do comando para desligamento do interruptor da carga Figura 19 Ensaio 25 Proteção contra curtocircuito na saída para a carga Na Figura 19 o setpoint definido pelo controlador de carga para detectar um curtocircuito foi ajustado em 40A Ao atingir o valor de 40A onde se encontra a primeira linha do cursor o CI INA201 demorou aproximadamente 2μs para enviar um sinal ao MSP430 indicando que houve um curtocircuito Até a interrupção ser detectada enviar o sinal de desligamento do interruptor para o pino de saída do microcontrolador passar pelo circuito de driver e efetivamente ocorrer o desligamento do interruptor demorou aproximadamente 68μs VII CONCLUSÕES Neste trabalho foi desenvolvido um controlador de carga para baterias através da geração de energia solar fotovoltaica atendendo aos requisitos da Portaria 396 do Inmetro 7 As características nominais do controlador são 12V24V e 30A Fezse uma descrição da Portaria 396 do Inmetro norma brasileira aplicada aos controladores de carga 7 Para o controle de potência optouse pela utilização de um conversor buck por ser uma topologia bastante explorada e relativamente simples para efetuar o projeto o controle a implementação e a manutenção além de se adequar aos parâmetros do painel fotovoltaico e das características das baterias utilizadas O processador utilizado é bastante confiável e se mostrou muito eficiente para as funções que se desejava implementar A instrumentação utilizada e a escolha das fontes auxiliares foram de fundamental importância para o desempenho satisfatório do equipamento para atender todos os requisitos da norma vigente no Brasil incluindo o baixo consumo um dos pontos mais importantes para elevar a vida útil das baterias e prolongar o armazenamento de energia O autoconsumo do controlador de carga situouse entre 951mA e 1543mA dependendo da tensão da bateria e da programação para que o display ficasse ligado ou desligado Menores valores de corrente podem ser obtidos para o autoconsumo se for necessário para tal basta programar o desligamento de alguns periféricos não necessários quando o controlador de carga estiver em situações de ausência de sol ou em processo de descarga da bateria O controlador de carga pode operar no modo PWM ou MPPT dependendo das condições de carga da bateria ou de seleção prévia através de uma dipswitch Foram testadas três técnicas de algoritmo MPPT perturbação e observação condutância incremental e temperatura Para esta aplicação a mais apropriada é a técnica da condutância incremental pois seu funcionamento não depende das características do painel suplantando assim o método de temperatura além de poder ser implementado com incrementos variáveis e ser mais preciso do que o método de perturbação e observação para variações bruscas de radiação solar O controlador de carga foi avaliado experimentalmente apresentando resultados bastante satisfatórios Foi feita a sequência de testes em conformidade com a Portaria 396 do Inmetro 7 tendo sido cumpridos todos os requisitos exigidos Apenas dois ensaios não foram executados os que necessitavam climatização para o teste de desconexão e reposição do painel fotovoltaico para monitorar a compensação por temperatura AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o suporte financeiro da FURB e da CAPES REFERENCIAS 1 INTERNATIONAL ENERGY AGENCY World Energy Outlook em World Energy Outlook 2011 2011 2 A F Lobo Simulação de sistemas de aquecimento solar com materiais em mudança de fase MMF adaptados de resíduos pesados do refino do petróleo sob condições transitórias de insolação e demanda UFPR Curitiba 2004 3 INTERNATIONAL ENERGY AGENCY Trends in Photovoltaic Applications 2013 Survey Report of Selected IEA Countries between 19922012 IEA 2013 4 R Zilles W N Macêdo M A B Galhardo e S H F d Oliveira Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede São Paulo Oficina de Textos 2012 5 AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA Resolução Normativa 481 ANEEL Brasília 2012 6 AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA Resolução Normativa 482 ANEEL Brasília 2012 7 INMETRO Portaria 396 INMETRO Brasília 2008 8 MORNINGSTAR Traditional PWM vs Morningstars TrakStar MPPT technology Morningstar Corporation 2012 9 L T LAM H OZGUN O V LIN J A HAMILTON L H VU D G VELLA e D A J RAND Pulsedcurrent charging of leadacid batteries a possible means for overcoming premature capacity loss Journal of Power Sources vol 53 p 215228 1994 10 US DEPARTMENT OF ENERGY Charge Controllers for Stand Alone Systems part A A Consumers Guide to Energy Efficiency and Renewable Energy US DEPARTMENT OF ENERGY 2007 11 L SANIDAD R PARSONS Y BAGHZOUZ e R BOEHM Effect of onoff charge controller on standalone PV system performance 35th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit IECEC p 14971501 2000 12 M Müller Topologies for Solar Charge Controllers State of Art Overview and Application Advises em The 2nd International Conference on the Developments in Renewable Energy Technology ICDRET 2012 13 A V SCHLICKMANN Aplicação de carga eficiente em baterias chumbo ácida Blumenau Trabalho de conclusão de curso Centro de Ciencias Tecnológicas Curso de Engenharia Elétrica Universidade Regional de Blumenau 2013 14 ON SEMICONDUCTOR Catálogo MC34063 15A Step UpDownInverting Switching regulators ON SEMICONDUCTOR 2010 15 INTERNATIONAL RECTIFIER Catálogo IRF2807 INTERNATIONAL RECTIFIER 2001 16 TEXAS INSTRUMENTS Catálogo INA201 Highside measurement currentshunt monitor with opendrain comparator and reference TEXAS INSTRUMENTS 2010 17 D C Martins R F COELHO e W M SANTOS Minicurso Técnicas de rastreamento de máxima potência para sistemas fotovoltaicos Revisão e novas propostas INEPUFSC Florianópolis 2011 18 A L Stankiewicz Estudo comparativo de técnicas de rastreamento de máxima potência para geração de energia solar fotovoltaica Blumenau FURB Universidade Regional de Blumenau 2013 p 192 19 D S Morales Maximum Power Point Tracking Algorithms for Photovoltaic Applications Master Thesis Helsinki Finland Aalto University 2010 20 R F COELHO F M Concer e D C Martins A MPPT approach based on a temperature measurements applied in PV systems 9th IEEEIAS International Conference on Industry Applications INDUSCON p 16 2010 21 I Barbi Eletronica de Potência Projeto de Fontes chaveadas Florianópolis Edição do Autor 2004 22 MICROMETALS Power Conversion and Line Filter Applications Micrometals 2007 View publication stats View publication stats