A energia solar, sendo tanto uma fonte direta quanto indireta da maior parte da energia na superfície da Terra, possui um imenso potencial de desenvolvimento. As reservas de energia solar são vastas, com a Terra recebendo aproximadamente 173.000 TW de energia solar a cada segundo – o equivalente à queima de 5 milhões de toneladas de carvão por segundo.
Reconhecendo esse enorme potencial, a taxa de utilização da energia solar tem aumentado de forma constante nas últimas duas décadas. Instituições de pesquisa relevantes fazem as seguintes previsões: a geração de energia solar representará 20% da demanda total de energia mundial até 2050 e mais de 50% até 2100.
Como resultado, a geração de energia solar tornou-se um dos temas de pesquisa mais proeminentes. O uso da energia solar para aquecimento e geração de eletricidade, especialmente por meio da tecnologia fotovoltaica, apresenta o maior potencial.
Nas últimas décadas, países ao redor do mundo implementaram seus próprios programas de geração de energia fotovoltaica. Entre eles, os Estados Unidos, a Alemanha e o Japão têm estado na vanguarda, concentrando-se no desenvolvimento da tecnologia fotovoltaica conectada à rede elétrica. A China também fez avanços significativos nos últimos anos, lançando suas próprias iniciativas de tecnologia fotovoltaica conectada à rede.
No entanto, o principal desafio para a geração de energia fotovoltaica atualmente é como melhorar a eficiência do sistema. As características da célula fotovoltaica determinam as características operacionais e a eficiência de conversão de energia do sistema de geração fotovoltaica, o que exige a análise do comportamento operacional das células fotovoltaicas.
Com a ampla aplicação dos sistemas de geração de energia fotovoltaica, um número crescente de usinas fotovoltaicas distribuídas e usinas em terrenos irregulares enfrentará ambientes de iluminação mais complexos e variáveis, exigindo a otimização do desempenho da geração de energia fotovoltaica sob condições de sombreamento.
A intensidade da luz afeta significativamente as condições de funcionamento das células fotovoltaicas, e as condições de iluminação podem variar tanto em grandes usinas solares quanto em sistemas de geração distribuída.
Quando uma string fotovoltaica é sombreada por obstáculos como sombras de árvores, edifícios, nuvens ou poeira, são criadas condições de sombreamento parcial (PSCs). Nessas condições, a luz recebida pela parte sombreada difere da luz recebida pela parte não sombreada, causando uma alteração nas características de saída de alguns módulos fotovoltaicos.
Isso resulta em um desajuste evidente, levando à geração excessiva de calor em alguns painéis fotovoltaicos, fenômeno conhecido como “efeito de ponto quente” (hot spot effect). Esse efeito pode até causar incêndios em toda a String fotovoltaica se não for tratado rapidamente.
Para mitigar o efeito de ponto quente, os módulos fotovoltaicos são normalmente equipados com diodos de bypass antiparalelos. No entanto, esses diodos podem fazer com que as características de saída da String fotovoltaica apresentem múltiplos picos de potência.
Nessas situações, a tecnologia tradicional de Rastreamento do Ponto de Máxima Potência (MPPT) pode levar a String fotovoltaica a operar em um MPP local, em vez do MPP global, resultando em perdas significativas de energia. Segundo estatísticas, 70% da perda de potência em células fotovoltaicas comerciais ocorre devido ao sombreamento parcial, que faz com que o sistema opere em um MPP local.
Pesquisadores, tanto nacionais quanto internacionais, têm realizado amplos estudos sobre métodos de MPPT em condições de sombreamento parcial e propuseram várias soluções. Essas soluções podem ser amplamente classificadas em duas categorias principais: métodos de melhoria de hardware e métodos de melhoria de software.
Métodos de melhoria do hardware
I. Conectar um conversor DC-DC independente para cada módulo da String fotovoltaica e utilizar o método tradicional de MPPT para garantir a máxima potência de saída de cada módulo fotovoltaico.
II. Conectar um circuito de compensação de tensão e corrente em paralelo para cada módulo fotovoltaico. Quando determinados módulos na String são afetados pelo sombreamento parcial e a corrente de saída é menor do que a dos outros módulos na mesma ramificação em série, o circuito de compensação conectado em paralelo compensa a diferença de corrente, enquanto o circuito de compensação de tensão garante que a tensão terminal do módulo permaneça no MPP. Dessa forma, os múltiplos picos de potência originais da String fotovoltaica são convertidos em um único pico, permitindo o rastreamento do MPP pelos algoritmos tradicionais de MPPT.
III. Utilizar o método de otimização combinada da String para superar o problema dos algoritmos tradicionais de MPPT serem facilmente influenciados por picos locais. Comparando diferentes cenários de distribuição de sombras sobre a potência de saída da String fotovoltaica, concluiu-se que, quando as sombras estão distribuídas de forma uniforme ou centralizada na String, o MPP é menos afetado pelo sombreamento.
Embora os métodos de melhoria de hardware mencionados acima possam aumentar a utilização da energia solar e mitigar o impacto do sombreamento parcial nas características de saída da String fotovoltaica, eles também apresentam algumas desvantagens, como o aumento da complexidade do circuito, maior dificuldade no controle, redução da confiabilidade do sistema e elevação dos custos do sistema.
Métodos de melhorias do Software
I) A primeira categoria inclui algoritmos inteligentes baseados na teoria moderna de controle ou na biónica, como Otimização por Enxame de Partículas (PSO), Recozimento Simulado (SA), controle difuso, Algoritmo dos Vaga-lumes (FA), entre outros. Esses algoritmos inteligentes são capazes de rastrear com precisão o MPP global sob diferentes condições de sombreamento.
II) A segunda categoria é o método de ponto fixo, que determina o MPP global utilizando a interseção da linha de carga equivalente da String fotovoltaica com a curva I-V da String, empregando funções como a de Fibonacci e a função de Lipschitz para localizar o MPP global.
III) A terceira categoria inclui algoritmos aprimorados baseados em algoritmos tradicionais de MPPT. Esses algoritmos primeiro determinam a faixa de distribuição do MPP com base nas características de saída da String fotovoltaica sob condições de sombreamento parcial e, em seguida, rastreiam o MPP global utilizando os algoritmos tradicionais de MPPT junto com métodos de aprimoramento.
Com base nessas abordagens, a CSI desenvolveu o FRM, um método baseado em software para resolver o problema do sombreamento parcial, permitindo que o inversor opere no MPP global e reduzindo significativamente as perdas de energia.
Solução técnica
A seguir, iremos apresentar o rastreamento de potência do sistema fotovoltaico em condições sem sombreamento e sob sombreamento parcial, introduzindo assim o princípio de funcionamento do CSI FRM.
MPPT em Condições sem Sombreamento
Em condições sem sombreamento, existe apenas um ponto de máxima potência na curva fotovoltaica, denominado MPP (Maximum Power Point – Ponto de Máxima Potência).
A tensão correspondente a esse ponto é chamada de tensão MPP. Para rastrear esse ponto, coletamos a tensão e a corrente do painel fotovoltaico e, em seguida, ajustamos gradualmente o ponto de tensão utilizando o método de perturbação e observação com tamanho de passo variável.
MPPT em Condições de Sombreamento
Razões para o sombreamento parcial
- No caso de um sistema comum de geração de energia fotovoltaica, os fatores que causam sombreamento parcial são muito comuns e variados. Como mostrado na imagem acima, os sistemas fotovoltaicos geralmente instalam Strings fotovoltaicas em telhados ou outras estruturas de edifícios. Devido à presença de vários obstáculos, como árvores, postes e outros edifícios ao redor, a mudança do ângulo da luz faz com que esses obstáculos projetem sombras parciais sobre a String fotovoltaica. Além disso, pode haver sombreamento parcial causado por elementos na superfície do painel fotovoltaico, como folhas. Outros fatores estão relacionados à própria estrutura do edifício. Por exemplo, algumas casas com telhados inclinados possuem diferentes orientações e ângulos de incidência ao instalar os painéis fotovoltaicos, o que também pode causar iluminação desigual e levar ao sombreamento parcial;
- Para sistemas de geração de energia fotovoltaica em larga escala, a sombra de nuvens e o acúmulo de sujeira são as principais causas de sombreamento parcial no sistema;
- A luz recebida pela String fotovoltaica pode ser dividida em três tipos: radiação direta, reflexão e dispersão. Portanto, quando a String fotovoltaica recebe luz refletida de outros edifícios ou luz dispersa, pode ocorrer uma intensidade de iluminação desigual.
Impactos do sombreamento parcial no sistema de geração de energia fotovoltaica
O sombreamento parcial afeta diretamente a potência de saída do sistema fotovoltaico. Esse fenômeno pode comprometer significativamente o funcionamento normal da String fotovoltaica, reduzindo drasticamente sua potência de saída.
Se a demanda de energia elétrica dos usuários não for atendida, isso poderá causar um grande impacto na vida cotidiana e no trabalho das pessoas.
A Universidade de Tóquio realizou um estudo em 71 sistemas de geração de energia fotovoltaica e concluiu, por meio de análises, que as perdas de potência devido ao desajuste e outros fatores chegam a cerca de 25%.
Controle tradicional de MPPT sob condições de sombreamento
Quando uma String fotovoltaica opera frequentemente sob intensidades de luz ambiente inconsistentes, suas características de saída mudam, transformando a curva característica fotovoltaica de um formato de pico único para uma curva de múltiplos picos. Como mostrado na figura a seguir:
O rastreamento MPPT tradicional ficará preso no primeiro pico de potência, resultando em uma grande perda de geração de energia e prejuízo econômico.
Como o FRM funciona
O FRM alcança a otimização controlando o ciclo de trabalho do circuito de conversão DC/DC, que diminui ao longo do processo. Quando o circuito de conversão DC/DC é um circuito Boost, o ponto de operação do arranjo fotovoltaico se move constantemente da área de tensão em circuito aberto para a área de corrente de curto-circuito, completando todo o processo de varredura.
Durante o processo de varredura, o ponto de máxima potência de saída do arranjo fotovoltaico e a tensão correspondente são continuamente atualizados. Quando o ciclo de trabalho do circuito de conversão DC/DC é reduzido a um valor predeterminado, o processo de varredura é concluído.
O processo do algoritmo inclui principalmente as seguintes etapas:
- Primeira etapa: O movimento começa do ponto de tensão em circuito aberto em direção à redução da tensão. Durante esse movimento, a potência correspondente à tensão em dois momentos distintos é continuamente comparada, e as informações do ponto com maior potência são armazenadas. Esse processo se repete até que a tensão se aproxime da área de corrente de curto-circuito, completando assim toda a varredura;
- Segunda etapa: Utiliza-se o método tradicional de perturbação por tensão para retornar próximo ao ponto de máxima potência. O ponto final encontrado é o valor ideal, e o arranjo fotovoltaico opera nesse ponto de máxima potência.
O algoritmo requer um módulo de temporização fixa para garantir que a varredura seja realizada em intervalos regulares. Além disso, quando a mudança de potência excede o limite predefinido, a varredura é reiniciada automaticamente.
Dessa forma, quando a intensidade da luz externa muda repentinamente, o algoritmo pode rastrear o ponto de máxima potência em tempo real, permitindo que o arranjo fotovoltaico opere continuamente no MPP (Maximum Power Point).
Com esse design, o FRM pode rastrear rapidamente o ponto global de máxima potência em milissegundos, aumentando significativamente a geração de energia.
Verificação de Tecnologia
A verificação do FRM é realizada com base nos seguintes pontos:
| Revisão da solução | Teste de desempenho | Avaliação abrangente |
| O cenário de aplicação prática e sua função está clara? | Quanto a geração de energia aumenta durante a varredura em condições de sombreamento? | Avanço técnico e cenário de aplicação. |
| Viabilidade da aplicação prática | Valor da aplicação tecnológica. |
Revisão da Solução
Essa solução pode resolver a maioria dos problemas de sombreamento e aumentar significativamente a geração de energia do sistema fotovoltaico.
A implementação dessa solução pode ser feita por meio de uma atualização OTA (Over-the-Air), sem a necessidade de adicionar configurações de hardware, tornando-a econômica e conveniente.
As opiniões e informações expressas são de exclusiva responsabilidade do autor e não obrigatoriamente representam a posição oficial do Canal Solar.
