Desenvolvimento de emulador de arranjos fotovoltaicos de baixo custo utilizando conversor CC-CC

Abstract

RESUMO: Grande parte da energia produzida no Brasil é por hidroelétricas e termelétricas, entretanto, tais fontes de energia causam impacto ao meio ambiente, como a inundação de vegetação, liberação de gás carbônico, estresse hídrico, entre outros. Para frenar os problemas ambientais, é necessário suprir a demanda energética com outras fontes alternativas, se destacando a energia solar fotovoltaica. Por ser uma tecnologia recente em comparação às fontes energéticas citadas, é importante o desenvolvimento de pesquisas a fim de aumentar a eficiência na geração. Contudo, o desenvolvimento de pesquisas nessa área podem ser custosas, inviabilizando estudos em níveis de graduação. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de um emulador de arranjos fotovoltaicos (FV) de baixo custo. Em resumo, esse sistema reproduz o comportamento de arranjos FV, utilizando componentes eletrônicos para o desenvolvimento do emulador, o que diminui o investimento financeiro. O emulador é composto por um conversor CC-CC Buck controlado em corrente, em que a chave é acionada por meio de um microcontrolador. O sinal de referência do controle é viabilizado por um modelo matemático, cujo objetivo é reproduzir as características de um conjunto de módulos escolhido pelo usuário. A corrente calculada depende do ponto de operação do sistema, que é definido a partir da tensão de operação dos módulos emulados (tensão de saída do conversor) e dos valores de irradiância e temperatura do ambiente, fornecidos pelo usuário. Para facilitar a visualização e interação com o usuário foi desenvolvido uma interface no MATLAB®. O microcontrolador utilizado no projeto foi a ESP32. A partir de uma simulação inicial realizada no Simulink®, foi possível levantar a curva característica corrente por tensão do módulo FV escolhido, e comparar com a curva de referência. Neste experimento obteve-se valores de erro menor que 1,01%. O mesmo experimento foi realizado após a montagem física do sistema, tendo o emulador apresentado o maior erro percentual de 3,946% e o menor de 0,178%. Por fim, o emulador também foi submetido a diferentes valores de referência de corrente, apresentando boa resposta de controle, apesar de alguns ruídos. Dessa forma, o protótipo do primeiro emulador para o campus atendeu as expectativas.

ABSTRACT: A significant portion of energy production in Brazil comes from hydroelectric and thermal power plants; however, these energy sources have environmental impacts such as vegetation flooding, carbon dioxide emissions, water stress, among others. To mitigate these environmental issues, it is necessary to meet the energy demand with alternative sources, with solar photovoltaic energy standing out. Being a relatively recent technology compared to the mentioned energy sources, it is important to develop research to increase efficiency in generation. However, research development in this field can be costly, making it impractical for undergraduate studies. In this context, the objective of this work is the development of a low-cost emulator for photovoltaic (PV) arrays. In summary, this system replicates the behavior of PV arrays using electronic components for the emulator’s development, thus reducing financial investment. The emulator consists of a current-controlled DC-DC Buck converter, where the switch is driven by a microcontroller. The control reference signal is generated by a mathematical model, which aims to mimic the characteristics of a user-selected set of modules. The calculated current depends on the operating point of the system, which is defined by the operating voltage of the emulated modules (output voltage of the converter) and the values of irradiance and ambient temperature provided by the user. To facilitate visualization and interaction with the user, an interface was developed in Matlab®. The ESP32 microcontroller was used for control and switching of the DC-DC converter, as well as for voltage and current measurement. Based on an initial simulation performed in Simulink®, it was possible to obtain the I-V characteristic curve of the selected PV module and compare it with the reference curve. In this experiment, error values below 1.01% were obtained. The same experiment was conducted after the physical assembly of the system, with the emulator showing a maximum percentage error of 3.946% and a minimum of 0.178%. Finally, the emulator was also subjected to different current reference values, demonstrating good control response despite some instabilities. Thus, it was possible to obtain similar responses to the chosen real module, with percentage error values lower than the tolerance indicated by the manufacturer.