This thesis deals with the increased efficiency of photovoltaic panels (PVs) through cooling the cells by geothermal energy and water heating. Initially, a photovoltaic modeling is made proposing an equation to obtain the maximum power point considering the variations of solar radiation and cell temperature. Initially, it is proposed a PV modeling for obtaining the maximum power point (MPP) as a function of solar radiation and temperature of the cells by the PV 5-parameter model. Thus, the determination of the PV MPP, which depends only on the internal parameters, can be made with greater precision. Water circulation by a pipe that passes through the thermal reservoir is used to cool the PV. This is complemented by cooling hoses buried underground to exchange geothermal avoiding the saturation of the heat exchange between PV and water circulation, increasing the PV efficiency. After studies on the constitution of the soil, the technical characteristics of the tubes for circulating water, hydraulic pump and heat exchanger installed after PV, economic analysis and a set of two PVs were mounted with and without the heat exchangers to verify the gains in power and performance. The experiments were made with two PVs operating in MPP, proving that the MPP and the performance increase with decreasing temperature as the modeling performed. During the experiments, the underground temperature varied slightly, avoiding the heat exchange saturation. The main contributions include the PV modeling to obtain the MPP with a single iteration, the use of geothermal energy without heat pump and residential heat load reduction by use of heated water circulation in PVs. / Esta dissertação trata do aumento da eficiência de painéis fotovoltaicos (PVs) através do esfriamento das células por energia geotérmica e aquecimento de água. Inicialmente, é proposto um equacionamento para obtenção do ponto de máxima potência (MPP) de PVs em função da radiação solar e da temperatura das células, considerando o modelo PV de cinco parâmetros. Assim, a determinação do MPP, que depende somente dos parâmetros internos, pode ser feita com maior precisão. Para esfriar o PV, utilizou-se a circulação de água numa canalização que passa por reservatório térmico. Este esfriamento é complementado por mangueiras enterradas no subsolo para troca de energia geotérmica evitando a saturação da troca de calor entre PV e água de circulação, aumentando a eficiência do PV. Após estudos sobre a constituição do solo, características técnicas dos tubos para a circulação de água, bomba hidráulica e trocadores de calor instalados atrás do PV, foi feita a análise econômica e montagem de um sistema com dois PVs, sendo um deles em conjunto com os trocadores de calor e outro sem para verificar os ganhos de potência e rendimento. Experimentos foram realizados com os dois PVs operando em MPP, onde se comprova que o MPP e o rendimento aumentam com a diminuição da temperatura conforme a modelagem realizada. Durante os experimentos, o subsolo sofreu pouca variação térmica de modo a evitar a saturação da troca de calor. Dentre as principais contribuições destacam-se a modelagem para obtenção do MPP de PVs com uma única iteração, viabilização do uso de energia geotérmica sem bombeamento de calor e redução de carga térmica residencial pelo aproveitamento da água aquecida no PV.

O presente trabalho visa o desenvolvimento de um sistema de carga e descarga de baterias de chumbo-ácido para sistemas de geração distribuída acoplada a um conjunto de painéis fotovoltaicos e conectada à rede elétrica. O conjunto de painéis opera de forma a maximizar a energia gerada através de um algoritmo MPPT (Maximum Power Point Tracking) e a rede elétrica opera como rota para o excedente produzido pelos painéis. Para que a bateria possa ser carregada e descarregada com eficiência evitando sobrecargas e descarregamentos profundos, uma metodologia de estimação do estado de carga da bateria é implementada visando um controle mais eficiente (maximizando a vida útil da bateria) e um melhor aproveitamento da energia armazenada. Para o gerenciamento da carga e descarga do banco de baterias é utilizada uma topologia bidirecional (Boost-Buck) com controlador fuzzy P+I para estabilização de corrente ou tensão. Em relação à técnica de controle para o sistema PV, um controlador PI clássico é utilizado para regular a tensão terminal e ponto de máxima potência que é definido por um algoritmo de perturbação e observação (P&O). Para validar os controladores e os modelos teóricos desenvolvidos é construído um protótipo do sistema. São analisados, também, o comportamento do sistema de carga das baterias e painel fotovoltaico sob condições extremas como queda abrupta de irradiação solar, desconexão inesperada dos painéis e mudanças no ponto ótimo de funcionamento dos mesmos. / The present work aims to develop a system of charging and discharging lead-acid batteries for distributed generation connected to a set of photovoltaic panels, and used in grid connected applications. The set of panels operates to maximize the energy produced by means of an MPPT (Maximum Power Point Tracking) algorithm and the power grid absorbs the extra power produced by the panels. For charging and discharging the battery pack and to prevent overload and deep discharge, a methodology for estimating the state of charge is implemented in order to obtain an efficient control technique (maximizing battery life), and more efficient use of the stored energy. To manage the charging and discharging of the battery bank a bidirectional topology (Boost-Buck) with fuzzy P+I controller for stabilization of current or voltage is used. To regards the PV control technique, a classical PI controller is employed to regulate the PV terminal voltage, and the maximum power point is determined by a perturb and observe (P&O) algorithm. To validate the controllers and the theoretical models developed is built a prototype system, and analyzed the behavior of the batteries charger and photovoltaic panel under extreme environmental conditions such as abrupt decrease of solar irradiation, unexpected panels disconnection and changes of the maximum power point of the panels.

O presente trabalho visa o desenvolvimento de um sistema de carga e descarga de baterias de chumbo-ácido para sistemas de geração distribuída acoplada a um conjunto de painéis fotovoltaicos e conectada à rede elétrica. O conjunto de painéis opera de forma a maximizar a energia gerada através de um algoritmo MPPT (Maximum Power Point Tracking) e a rede elétrica opera como rota para o excedente produzido pelos painéis. Para que a bateria possa ser carregada e descarregada com eficiência evitando sobrecargas e descarregamentos profundos, uma metodologia de estimação do estado de carga da bateria é implementada visando um controle mais eficiente (maximizando a vida útil da bateria) e um melhor aproveitamento da energia armazenada. Para o gerenciamento da carga e descarga do banco de baterias é utilizada uma topologia bidirecional (Boost-Buck) com controlador fuzzy P+I para estabilização de corrente ou tensão. Em relação à técnica de controle para o sistema PV, um controlador PI clássico é utilizado para regular a tensão terminal e ponto de máxima potência que é definido por um algoritmo de perturbação e observação (P&O). Para validar os controladores e os modelos teóricos desenvolvidos é construído um protótipo do sistema. São analisados, também, o comportamento do sistema de carga das baterias e painel fotovoltaico sob condições extremas como queda abrupta de irradiação solar, desconexão inesperada dos painéis e mudanças no ponto ótimo de funcionamento dos mesmos. / The present work aims to develop a system of charging and discharging lead-acid batteries for distributed generation connected to a set of photovoltaic panels, and used in grid connected applications. The set of panels operates to maximize the energy produced by means of an MPPT (Maximum Power Point Tracking) algorithm and the power grid absorbs the extra power produced by the panels. For charging and discharging the battery pack and to prevent overload and deep discharge, a methodology for estimating the state of charge is implemented in order to obtain an efficient control technique (maximizing battery life), and more efficient use of the stored energy. To manage the charging and discharging of the battery bank a bidirectional topology (Boost-Buck) with fuzzy P+I controller for stabilization of current or voltage is used. To regards the PV control technique, a classical PI controller is employed to regulate the PV terminal voltage, and the maximum power point is determined by a perturb and observe (P&O) algorithm. To validate the controllers and the theoretical models developed is built a prototype system, and analyzed the behavior of the batteries charger and photovoltaic panel under extreme environmental conditions such as abrupt decrease of solar irradiation, unexpected panels disconnection and changes of the maximum power point of the panels.