Desenvolvimento de um conversor CC-CC para interface de painéis solares e sistemas de armazenamento de energia

Abstract

A exploração em larga escala de combustíveis fósseis durante vários anos trouxe consequências bas tante negativas para o meio ambiente. O aquecimento global, a poluição do ar e a escassez das fontes de energia não renovável, levaram à procura de novas alternativas de produção de energia. Sendo assim, as energias renováveis têm ganho bastante popularidade nos últimos anos com o aumento da consciência sobre a necessidade de fontes de energia sustentável. Podem ser obtidas de diversas maneiras como sol, vento e água, entre outras, e têm a particularidade de serem inesgotáveis. Por estas razões, a presente dissertação visa o desenvolvimento de um conversor CC-CC capaz de fazer a interface com painéis solares fotovoltaicos e sistemas de armazenamento de energia (baterias), de forma a ajudar a otimização da captação de energia proveniente do sol. O objetivo passa por fazer a extração de energia de painéis fotovoltaicos e efetuar o carregamento e o descarregamento de baterias. De maneira a aumentar a versatilidade e robustez do sistema, paralelamente ao desenvolvimento do conversor CC-CC, no âmbito de outra dissertação, outro aluno desenvolveu um conversor CA-CC, que permite a extração de energia da rede elétrica, como também a injeção de energia nesta, obtida através do painel fotovoltaico ou das baterias. A associação pelo lado CC de um conversor CA-CC trouxe várias vantagens, permitindo a realização de mais funções e o aumento da eficiência e flexibilidade do sistema. Posto isto, durante a elaboração desta dissertação, foram abordadas todas as etapas que levaram à concessão do protótipo final. Numa primeira fase, foi feito o estudo das topologias de conversores CC-CC e algoritmos de controlo associados, a par da pesquisa relativa a sistemas fotovoltaicos e sistemas de armazenamento de energia. Foram também apresentadas as simulações computacionais realizadas na ferramenta de simulação PSIM, que constituem o carregamento das baterias, o descarregamento das baterias, a extração de energia dos painéis solares fotovoltaicos e o carregamento das baterias através da extração de energia dos painéis fotovoltaicos. Posteriormente, foi feita uma análise descritiva do material utilizado para conceber os circuitos de controlo e de potência e, por fim, foram apresentados os testes realizados ao conversor CC-CC, em parceria com o conversor CA-CC. Neste último, são efetuados os ensaios experimentais de modo a validar o correto funcionamento dos vários modos de operação do protótipo final.

The large-scale exploitation of fossil fuels for several years has had very negative consequences for the environment. Global warming, air pollution, and the scarcity of non-renewable energy sources have led to the search for new energy production alternatives. Therefore, renewable energies have gained quite a lot of popularity in recent years due to an increased awareness of the need for sustainable energy sources. They can be obtained in various ways such as solar, wind and water, among others, and have the particularity of being inexhaustible. For these reasons, this dissertation aims to develop a DC-DC converter capable of interfacing with photovoltaic solar panels and energy storage systems (batteries), in order to help, the optimization of the capture of energy from the sun. The goal is to extract energy from photovoltaic panels and charge and discharge batteries. In order to increase the versatility and robustness of the system, within the scope of another dissertation, another student simultaneously developed an AC-DC converter, which allows the extraction of energy from the electric grid, as well as the injection of energy into it, obtained through the photovoltaic panel or batteries. The association of the AC-DC converter on the DC side brought several advantages, allowing more functions to be performed and increasing the efficiency and flexibility of the system. Having said that, during the elaboration of this dissertation, all the steps that led to the granting of the final prototype were addressed. In the first phase, the study of the DC-DC converter topologies and associated control algorithms was carried out, along with research regarding photovoltaic systems and energy storage systems. The computational simulations performed in the PSIM simulation tool were also presented, which constitute charging the batteries, discharging the batteries, extracting energy from the photovoltaic solar panels and charging the batteries by extracting energy from the photovoltaic panels. Afterwards, a descriptive analysis of the material used to design the control and power circuits was made and, finally, the tests performed on the DC-DC converter, in partnership with the AC-DC converter, were presented. In the latter, the experimental tests are performed in order to validate the correct functioning of the various operating modes of the final prototype.