Xavier Santacruz – Carles Jaén Millora d’una instal·lació fotovoltàica. Estudi, disseny i muntatge d’un convertidor DC-DC Xavier Santacruz – Carles Jaén

Problemàtica ambiental existent Motivacions Problemàtica ambiental existent Causat per l’ús abussiu dels combustibles fòssils Alternativa: Energies Renovables Obtinguda de fonts naturals capaces de regenerar-se. Virtualment inesgotables i amb un impacte ambiental molt menor a les existents L’energia solar fotovoltaica permet la conversió directa del l’energia del sol a elèctrica Una alternativa poc consolidada, però amb un gran recorregut per endavant

ÍNDEX Objectius Estudi teòric del sistema Disseny i dimensionat del sistema:  ETAPA DE POTÈNCIA  ETAPA DE CONTROL Muntatge experimental del sistema:  CORBA EXPERIMENTAL DEL PANELL FOTOVOLTAIC  RESULTATS EN LLAÇ OBERT  RESULTATS EN LLAÇ TANCAT Possibles millores del sistema Conclusions

OBJECTIUS Estudi, disseny i construcció d’ un prototipus de convertidor DC-DC a 50W, que faci treballar el panell fotovoltaic al seu punt de màxima transferència de potència (MPPT). Aquest objectiu principal s’ha pogut desglossar en diferents apartats, que són els següents: Estudi dels elements i topologia d’una instal·lació fotovoltaica Construcció dels diferents mòduls del sistema per tal d’obtenir el MPPT del panell Proves funcionals del sistema complet Valorar la millora obtinguda a partir del programa de control

Estudi teòric del sistema El principi físic d’una cèl·lula fotovoltàica és basa en la unió p-n del material semiconductor sensible a la llum. Una cel·la és capaç de proporcionar 2W de potència, per tal d’elevar la potència és connecten en sèrie i en paral·lel formant el panell fotovoltaic. Circuit elèctric de la cèl·lula solar IL, és el corrent fotogenerada I0 ,és el corrent de saturació del díode RS, la resistència en sèrie RP, la resistència en paral·lel Vt, és el voltatge tèrmic

Estudi teòric del sistema I Corbes I-V i P-V

Estudi teòric del sistema II Per un valor de càrrega determinat és fa treballar el panell fotovoltaic en un punt concret de la corba I-V. Per tal de maximitzar la potència entregada del panell és necessari modificar la recta 1/R en funció de la temperatura i irradiància d’aquest.

Estudi teòric del sistema III Es vol obtenir un sistema capaç d’entregar la màxima potència del panell independentment del valor de càrrega a la sortida i de la irradiació incidida en aquest a cada instant. Aquest sistema es composa bàsicament de:  Convertidor DC-DC  Programa de control MPPT Amb aquest control augmentem notablement l’eficiència del panell

Disseny i dimensionat del sistema PV I DC Càrrega V Sensors Micro PWM Sistema dissenyat en llaç tancat

Panell fotovoltaic Característiques elèctriques del panell 350U Cèl·lules de silici monocristal·lí Potència màxima (Pmax) 50W Voltatge a Pmax 17,5V Corrent a Pmax 2,9A Corrent de curtcircuit (Isc) 3,17A Tensió a circuit obert 21,8V Corba I-V panell 350U

Etapa de potència Tria del convertidor Boost  Per tal d’obtenir una tensió de sortida superior a la d’entrada, amb relació entrada - sortida de U= E / (1-d) Amb aquesta estructura sempre hi circula corrent per la bobina, en les dues posicions de l’interruptor. Obtenint un corrent per aquesta gairebé continu, amb molt poc arrissat. Com que el corrent per la bobina és el mateix que el del panell, aquest no commutarà. Amb aquest objectiu evitarem pèrdues al panell fotovoltaic Estructura Buck

Etapa de potència  CONVERTIDOR DC-DC Elements del convertidor Boost Interruptor IGBT : SEC G80N60UFD Díode schottky : SB560 Bobina de 4,8mH a 10kHz Condensador de 500μF Resistència de càrrega de 20Ω Esquema elèctric

Etapa de control  SENSORS 2,5V 0V 21,8V 0V 2,5V 0V Sensor Corrent Sensor Tensió Esquema elèctric

Etapa de control  MICROCONTROLADOR Característiques del ADUC 812 7 canals ADC de 12bits a 2,5V 2 canals DAC configurables Esquema elèctric 12bits, rang 0/2,5V 8bits, rang 0/2,5V

Etapa de control  PWM Cicle de treball Driver optoacoplador Pre-etapa

Diferents mètodes de control MPPT Pertorbació i observació (P&O) Algorisme de control Diferents mètodes de control MPPT Pertorbació i observació (P&O) Conductància incremental (IncCond) Voltatge constant (CV) Pertorbació i observació (P&O) Fàcil implementació Eficient, per una meteorologia poc variable com la nostra Aquest mètode de control és una base per molts algorismes més complexes.

Algoritme P&O Cas 1 Cas 2 Cas 4 Cas 3 Part de la corba Duty 1 Esquerra Disminuir 2 Dreta Augmentar 3 4 Cas 2 Cas 4 Cas 3 Variant el cicle de treball de l’interruptor es fa variar el punt de treball de la corba del panell

Muntatge experimental del sistema Corba experimental del panell fotovoltaic PV I Càrrega V Per obtenir les corbes I-V i P-V del panell fotovoltaic, connectarem diferents valors de càrrega, fent treballar aquest en diferents punts de treball Baixa irradiància ≈ 18mW/cm2 Alta irradiància ≈ 45mW/cm2

Resultats en llaç obert L’objectiu del muntatge experimental amb llaç obert, es verificar el correcte funcionament del circuit de potència. PV DC Càrrega PWM Sistema en llaç obert

Resultats en llaç obert (I) a) Resposta del sistema per a diferents cicles de treball a càrrega constant (20Ω) Vo= 14V Generador de corrent IL= 2A Duty 0.8 Duty 0.65 Canvi brusc Isc ≈ Voc ≈ MPP Generador de tensió Duty 0.4 Duty 0.1

Resultats en llaç obert (II) b) Resposta del sistema per a diferents valors de càrrega a duty constant (0,5) Vo= 30V ≈ MPP IL= 2A 100 Ω 37 Ω 18 Ω 5 Ω

Resultats en llaç obert (III) Com podem observar en les gràfiques anteriors no tenim el control que ens garantitzi el MPPT del panell, ja que si mantenim una de les dues variables constant (càrrega o duty) variem la potència lliurada del panell.

Resultats en llaç tancat (I) Limitem el cicle de treball entre 0.8 i 0.3, perquè el sistema no treballi lluny del MPP i pugui ser un sistema més estable Amb càrrega constant, el duty per diferents valors d’irradiància és força semblant Per canvis bruscos de la resistències de càrrega el control li costa respondre

Resultats en llaç tancat (II) Vídeo, estació de treball i MPPT per diferents valors de càrrega En resum, per tal d’obtenir el MPPT del panell hem de jugar amb el cicle de treball del convertidor per contrarestar les variacions de càrrega i la irradiància.

Conclusions Estudi teòric del sistema Disseny i dimensionat del sistema:  Etapa de potència  Etapa de control Muntatge experimental del sistema:  Corba experimental del panell fotovoltaic  Resultats en llaç obert  Resultats en llaç tancat

Possibles millores del sistema Disseny de plaques de circuit imprès especifiques pel convertidor, sensors i PWM amb resistències de precisió Millorar o substituir el programa de control P&O per condicions ambientals adverses i per canvis bruscos a la càrrega Fer una simulació amb SIMULINK del sistema en llaç tancat per validar els resultats pràctics Dissenyar una altre etapa posterior per carregar una bateria