A energia fotovoltaica oferece conhecidas vantagens, entretanto, ainda deve vencer alguns desafios, principalmente a baixa eficiência de conversão dos painéis fotovoltaicos. Além do desenvolvimento de novos materiais, ainda continua muito importante aumentar a eficiência de conversão através da maximização da entrada de radiação solar e da otimização do ponto de operação do painel fotovoltaico. Este trabalho apresenta uma nova abordagem de rastreamento do ponto de máxima potência, adequada a qualquer configuração de conversores e capaz de seguir as rápidas mudanças de insolação e temperatura. É um método de perturbação e observação que mede apenas a corrente de saída do painel e que mantém a perfeita busca do ponto de máxima potência, mesmo durante as bruscas variações atmosféricas, com o simples emprego de flags. O trabalho apresenta ainda, como objetivo secundário, informações básicas a respeito de sistemas fotovoltaicos: células, painéis, conversores e suas técnicas de controle. O desempenho das simulações utilizando o software Matlab foram muito bons, confirmando a robustez, simplicidade, rápida convergência e facilidade de implementação do algoritmo. / The photovoltaic energy offers known advantages, however, it has yet to overcome some challenges, mainly the low efficiency of conversion of the photovoltaic panels. Besides the development of new materials, it still continues very important to increase the conversion efficiency through the maximization of the input solar radiation and the optimization of the photovoltaic panel operating point. This work presents a new approach for tracking the maximum power point, appropriate for any configuration of converters and capable to follow the fast changes in irradiance and temperature. It is a method of perturbation and observation that measures only the panel output current and that maintains a perfect search of the maximum power point, even during abrupt atmospheric variations, by simply using flags. The work still presents, as secondary objective, basic information regarding photovoltaic systems: cells, panels, converters and their control techniques. The performance of the simulations using the software Matlab proved to be very good, confirming the robustness, simplicity, rapid convergence and ease of implementation of the algorithm.

Neste trabalho apresenta-se o modelo de um controlador baseado em Lógica Fuzzy para um sistema de energia baseado em fonte renovável solar fotovoltaica (photovoltaic - PV) multi-string em operação isolada, para o aproveitamento da máxima potência desta fonte. O sistema é composto por painéis solares, conversor CC-CC tipo elevador de tensão (boost), armazenamento por banco de baterias, inversor trifásico e carga trifásica variável. O sistema fotovoltaico foi modelado no MATLAB/Simulink de forma a representar a curva característica V-I do módulo PV, e que é baseado nos dados disponíveis em data-sheets de painéis fotovoltaicos comerciais. Outros estudos de natureza elétrica tais como o cálculo dos valores eficazes das correntes no conversor CC-CC, para avaliação das perdas, indispensáveis para o dimensionamento de componentes eletrônicos, foram realizados. O método tradicional Perturb and Observe de rastreamento do ponto de máxima potência (Maximum Power Point Tracking MPPT) de painéis foi testado e comparado com métodos que usam a Lógica Fuzzy. Devido ao seu desempenho, foi adotado o método Fuzzy que realiza o MPPT por inferência do ciclo de trabalho de um modulador por largura de pulso (Pulse Width Modulation - PWM) através da variação da potência pela variação da corrente do painel solar. O modelo Fuzzy adotado neste trabalho foi testado com sucesso. Os resultados mostraram que ele pode ser robusto e atende à aplicação proposta. Segundo alguns testes realizados, este controlador pode realizar o MPPT de um sistema PV na configuração multi-string onde alguns arranjos fotovoltaicos são usados. Inclusive, este controle pode ser facilmente adaptado para realizar o MPPT de outras fontes de energia baseados no mesmo princípio de controle, como é o caso do aerogerador. / This work presents the model of a Fuzzy Logic controller for a renewable energy system based on multi-string solar photovoltaic (PV) in stand-alone operation, to extract the maximum energy of this power source. The system consists of PV modules, DC-DC converter (Boost), a battery set, three-phase inverter and three-phase variable load. The photovoltaic system was modeled in MATLAB / Simulink in order to represent the V-I characteristic of the PV module, and which is based on the data provided by the manufacturer data-sheet. Other studies, such as the calculation of the RMS currents of the DC-DC converter components for evaluation of the losses, which are essential for the system design were accomplished. The conventional Perturb and Observe method for the Maximum Power Point Tracking (MPPT) of PV modules was tested and compared with methods that use Fuzzy Logic control. Due to its performance, it was adopted the Fuzzy method that performs the MPPT by inference of duty cycle of a Pulse Width Modulation (PWM) through the variation of PV power divided by the variation of the PV current. The Fuzzy model considered in this work was successfully tested. The results showed that it can be robust and suitable to the proposed application. According to some accomplished tests, the controller can perform the MPPT of a multi-string configuration of the solar PV system, in which several PV arrays are used. Moreover, it can also be easily adapted to perform the MPPT of other energy power sources based on the same control principle, as it is in the case of aerogenerators.

Neste trabalho apresenta-se o modelo de um controlador baseado em Lógica Fuzzy para um sistema de energia baseado em fonte renovável solar fotovoltaica (photovoltaic - PV) multi-string em operação isolada, para o aproveitamento da máxima potência desta fonte. O sistema é composto por painéis solares, conversor CC-CC tipo elevador de tensão (boost), armazenamento por banco de baterias, inversor trifásico e carga trifásica variável. O sistema fotovoltaico foi modelado no MATLAB/Simulink de forma a representar a curva característica V-I do módulo PV, e que é baseado nos dados disponíveis em data-sheets de painéis fotovoltaicos comerciais. Outros estudos de natureza elétrica tais como o cálculo dos valores eficazes das correntes no conversor CC-CC, para avaliação das perdas, indispensáveis para o dimensionamento de componentes eletrônicos, foram realizados. O método tradicional Perturb and Observe de rastreamento do ponto de máxima potência (Maximum Power Point Tracking MPPT) de painéis foi testado e comparado com métodos que usam a Lógica Fuzzy. Devido ao seu desempenho, foi adotado o método Fuzzy que realiza o MPPT por inferência do ciclo de trabalho de um modulador por largura de pulso (Pulse Width Modulation - PWM) através da variação da potência pela variação da corrente do painel solar. O modelo Fuzzy adotado neste trabalho foi testado com sucesso. Os resultados mostraram que ele pode ser robusto e atende à aplicação proposta. Segundo alguns testes realizados, este controlador pode realizar o MPPT de um sistema PV na configuração multi-string onde alguns arranjos fotovoltaicos são usados. Inclusive, este controle pode ser facilmente adaptado para realizar o MPPT de outras fontes de energia baseados no mesmo princípio de controle, como é o caso do aerogerador. / This work presents the model of a Fuzzy Logic controller for a renewable energy system based on multi-string solar photovoltaic (PV) in stand-alone operation, to extract the maximum energy of this power source. The system consists of PV modules, DC-DC converter (Boost), a battery set, three-phase inverter and three-phase variable load. The photovoltaic system was modeled in MATLAB / Simulink in order to represent the V-I characteristic of the PV module, and which is based on the data provided by the manufacturer data-sheet. Other studies, such as the calculation of the RMS currents of the DC-DC converter components for evaluation of the losses, which are essential for the system design were accomplished. The conventional Perturb and Observe method for the Maximum Power Point Tracking (MPPT) of PV modules was tested and compared with methods that use Fuzzy Logic control. Due to its performance, it was adopted the Fuzzy method that performs the MPPT by inference of duty cycle of a Pulse Width Modulation (PWM) through the variation of PV power divided by the variation of the PV current. The Fuzzy model considered in this work was successfully tested. The results showed that it can be robust and suitable to the proposed application. According to some accomplished tests, the controller can perform the MPPT of a multi-string configuration of the solar PV system, in which several PV arrays are used. Moreover, it can also be easily adapted to perform the MPPT of other energy power sources based on the same control principle, as it is in the case of aerogenerators.

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2016-09-12T14:19:20Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Artur_Muniz_Dissertacao_Digital_Biblioteca.pdf: 14042205 bytes, checksum: 21290a8d10774b2848f16e9351043b9a (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-12T14:19:20Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Artur_Muniz_Dissertacao_Digital_Biblioteca.pdf: 14042205 bytes, checksum: 21290a8d10774b2848f16e9351043b9a (MD5) Previous issue date: 2016-02-26 / FACEPE / A curva da potência em função da tensão nos terminais de uma conexão em série de módulos fotovoltaicos, com diodos de passagem protetores, exposta a um sombreamento parcial, exibe um comportamento com múltiplos picos. Os múltiplos picos tornam as estratégias clássicas de seguimento do ponto de máxima potência, ou MPPT, ineficazes. Em primeiro momento, este trabalho realiza uma análise estatística que determina uma região trapezoidal no plano tensão potência onde o ponto de máxima potência global está inserido para qualquer situação de irradiâncias múltiplas e temperatura, para configurações com inversor central e módulos conectados em séries puras ou conectadas em paralelo. Em segundo momento, este trabalho pesquisa as técnicas de MPPT Global que rastreiam o ponto de máxima potência global de uma curva tensão potência com múltiplos picos. Duas destas técnicas são estudadas a fim de avaliar a rapidez em encontrar o ponto de máxima potência global e a energia perdida na busca. Por fim, é proposta uma nova técnica de MPPT Global baseada no estudo estatístico preliminar. Esta nova técnica é proposta tirando proveito do trapézio delimitado na análise estatística. / The power-voltage characteristic of series arrays of photovoltaic modules with bypass diodes under partial shading conditions, displays a multiple peaks behavior. The multiple peaks make the classical algorithms of maximum power point tracking, or MPPT, ineffective. At first, this work performs a statistical analysis that determines a trapezoidal region in the power voltage plan where the global maximum power point is situated for any situation from multiple irradiances and any temperature, for central inverter configuration with a series array of modules or parallel connected series arrays. Soon after, this paper researches the Global MPPT techniques that track the global maximum power point of power-voltage curves with multiple peaks. Some of these techniques are studied to assess how fast they can find the global maximum power point and the energy lost at this search. Finally, it is proposed a new Global MPPT technique based on the preliminary statistical study. This new technique is proposed taking advantage of the trapezoidal region defined in the statistical analysis.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The constant human need for electricity, as well as the increasing demand for energy causes the use of finite sources, as oil and coal. The search for alternative energy sources as wind harvesting is the motivation for this master dissertation. Wind energy is a consolidated technology, mostly based on three blades wind turbine. This master thesis constitutes an analysis of a non-conventional wind machine, named Magnus wind turbine. The turbine s operation is based on the Magnus effect and its difference with respect to the traditional type is that it has rotating cylinders instead of fixed blades, which benefits an increase of generated power, since this turbine can produce power from low wind speeds. A method to track the maximum power point based on the control of the cylinders rotation is proposed, whereas in literature only fixed values were found for this variable. This Magnus turbine is used to drive a permanent magnet synchronous generator as a way to prove the theoretical predictions. The electrical generator also uses a specific method to track the maximum power point for the whole set. Simulated and practical results are demonstrating the performance of the Magnus wind turbine driving a permanent magnet synchronous generator. / A constante necessidade de energia elétrica, assim como o aumento de demanda, implica no uso de fontes de energia que são finitas, como o petróleo e o carvão. A busca por fontes alternativas de energia como a eólica é a motivação para este trabalho, também por a energia eólica ser uma tecnologia já consolidada, utilizando principalmente turbinas de três pás para a geração de energia. Esta dissertação trata da análise de uma turbina eólica não convencional, conhecida como turbina eólica Magnus para acionamento de geradores elétricos. A operação desta turbina é baseada no efeito Magnus e seu grande diferencial é que ao invés de pás fixas possui cilindros giratórios que ajudam no incremento de potência, já que a turbina pode produzir potência mesmo com baixas velocidades de vento. Um método de rastreamento de máxima potência é proposto baseando no controle da velocidade de rotação dos cilindros, já que na literatura são considerados apenas valores fixos para esta variável. A turbina Magnus é acoplada a um gerador síncrono a imã permanente, como forma de demonstração da precisão do método proposto na determinação do seu ponto de máxima potência. Paralelo a isto, o gerador também utiliza um método de rastreamento de máxima potência para que o conjunto inteiro trabalhe no ponto de máxima potência. Os resultados de simulação e práticos são apresentados para demonstrar o desempenho da turbina Magnus acoplada a um gerador síncrono a imã permanente.

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.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-03-04T10:45:15Z No. of bitstreams: 1 leandrodamottaborges.pdf: 2242416 bytes, checksum: 10ac80b836250ec857dfe2dc8f819119 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2016-04-24T01:49:45Z (GMT) No. of bitstreams: 1 leandrodamottaborges.pdf: 2242416 bytes, checksum: 10ac80b836250ec857dfe2dc8f819119 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-04-24T01:49:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 leandrodamottaborges.pdf: 2242416 bytes, checksum: 10ac80b836250ec857dfe2dc8f819119 (MD5) Previous issue date: 2013-09-27 / Este trabalho apresenta o estudo, dimensionamento e gestão de um sistema solar fotovoltaico isolado da rede elétrica para alimentar cargas de equipamentos de automação industrial. Um exemplo de aplicação são unidades de comando e sinalização ferroviária que, em alguns casos, são comandadas por relés e, mais atualmente, sendo substituídas por Controladores Lógico Programáveis. No sistema solar fotovoltaico isolado, o excedente de energia elétrica produzida nos painéis solares fotovoltaicos é armazenado em baterias eletroquímicas estacionárias de chumbo-ácido para posterior aproveitamento durante o período noturno e de baixa produção de eletricidade. Esse tipo de bateria apresenta efeito de memória, não pode sofrer descarga profunda ou ser submetida a tensões elevadas. Assim, este trabalho visa especificar e dimensionar um sistema solar fotovoltaico para aplicações em cargas de automação industrial isolados da rede elétrica, bem como assegurar elevada vida útil da bateria eletroquímica de chumbo-ácido sem prejudicar o rastreamento de máxima potência dos painéis solares fotovoltaicos. Para isso, uma estratégia de gestão de energia possibilita alterar o controle do conversor CC-CC que realiza a interconexão entre os painéis solares fotovoltaicos e a bateria eletroquímica. Resultados de simulação computacional apontam para o bom desempenho conceitual do sistema e seu potencial para a aplicação pretendida. / This work presents the study, design and management of a stand-alone photovoltaic system to feed industrial automation load. E examples of application are railway signaling unit controls, which in some cases are controlled by electromechanical relays and more currently being replaced by programmable logical controllers. In a stand-alone photovoltaic system, the excess of electricity produced in the photovoltaic panels is stored in lead-acid stationary electrochemical batteries for later use during the night and low electricity production periods. This kind of battery presents memory effect, cannot have deep discharge or be subjected to high voltages. Thus, this work aims to specify and size a solar photovoltaic system for applications in industrial automation loads isolated from the grid, as well as ensuring longer lifetime to electrochemical battery of lead-acid without harming the maximum power tracker of photovoltaic panels. For this, a strategy for changing power management enables the control of DC-DC converter that performs the interconnection of photovoltaic panels and electrochemical battery. Results of computer simulation indicate the good conceptual performance of the system and its potential for the intended application.

Orientador: Prof. Dr. Alfeu Joãozinho Sguarezi Filho / Coorientador: Prof. Dr. Joel David Melo Trujillo / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Santo André, 2018. / Neste trabalho é proposto um algoritmo de rastreamento de máxima potência com a utilização da equação de Monod. O algoritmo aplica-se em sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica. Os resultados e as comparações mostram que o algoritmo proposto apresenta algumas vantagens em comparação ao algoritmo de perturbação e observação para diversas condições de operação, em especial quando os painéis são submetidos a sombreamento parcial. / In this work we propose an algorithm of maximum power point tracking with using the Monod Equation. The algorithm applies to photovoltaic systems connected to the grid. The results and the comparition show that the algoritmo proposal has some advantages compared to algoritm Perturb and Observe in many situation of operation, in special when the fotovoltaics painels have parcial shading.