PT103923B

PT103923B - Método e dispositivo de medida de irradiância solar utilizando um painel fotovoltaico

Info

Publication number: PT103923B
Application number: PT103923A
Authority: PT
Inventors: Raul Manuel Pereira Morais Dos Santos; Samuel Ricardo Goncalves Matos; Paulo Jorge Dos Santos Goncalves Ferreira; Manuel Jose Cabral Dos Santos Reis
Original assignee: Utad Universidade De Tras Os Montes E Alto Douro
Priority date: 2008-01-07
Filing date: 2008-01-07
Publication date: 2011-04-04
Also published as: CA2711377A1; EP2232211A1; WO2009088310A1; US20110006194A1; PT103923A

Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO DIZ RESPEITO A UM MÉTODO DE MEDIDA QUE PERMITE DETERMINAR O VALOR DA MAGNITUDE E INTENSIDADE DA RADIAÇÃO SOLAR, CAPTADA POR UM PAINEL SOLAR, SEM A NECESSIDADE DE SE RECORRER A SENSORES ESPECÍFICOS PARA ESSE EFEITO. COM O PRESENTE MÉTODO, OS SISTEMAS QUE CONDICIONAM ENERGIA PROVENIENTE DE PEQUENOS PAINÉIS FOTOVOLTAICOS DE FORMA A PODER USÁ-LA PARA CARREGAREM PEQUENAS BATERIAS RECARREGÁVEIS, PASSAM A DISPONIBILIZAR UM SINAL ELÉCTRICO, SOB A FORMA DE SEQUÊNCIA DE IMPULSOS OU EM OUTRA QUALQUER FORMA ELÉCTRICA TRANSFORMADA, QUE TRADUZ O VALOR DA GRANDEZA QUE GEROU A ENERGIA ELÉCTRICA DISPONÍVEL. É ESSENCIALMENTE CARACTERIZADO POR MONITORAR A TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA ELÉCTRICA ENTRE UM PAINEL SOLAR E UMA BATERIA RECARREGÁVEL COM RECURSO A UM CONVERSOR DE TENSÃO COMUTADO; E INDICAR A MAGNITUDE DA RADIAÇÃO SOLAR QUE INCIDE NO PAINEL SOLAR, BASEANDO-SE NA ADAPTAÇÃO DE UM CIRCUITO CONVERSOR ELEVADOR DE TENSÃO CONTÍNUA EM TENSÃO CONTÍNUA DE FORMA A FORNECER UM SINAL ELÉCTRICO QUE ESTÁ CORRELACIONADO COM A MAGNITUDE DA RADIAÇÃO SOLAR INCIDENTE NO PAINEL SOLAR QUE, POR SUA VEZ, ALIMENTA O CIRCUITO CONVERSOR DE TENSÃO. O INVENTO DIZ AINDA RESPEITO A UM DISPOSITIVO PARA A REALIZAÇÃO DESSE MÉTODO.

Description

invento diz ainda respeito a um dispositivo para a realização desse método.

DESCRIÇÃO

MÉTODO

E DISPOSITIVO DE MEDIDA DE IRRADIÂNCIA SOLAR UTILIZANDO UM PAINEL FOTOVOLTAICO

Domínio Técnico da Invenção

A presente invenção consiste num método, que ao combinar um painel solar fotovoltaico com um circuito de controlo de carga de uma bateria baseado num circuito de conversão de tensão do tipo elevador de tensão, permite obter um sinal que é proporcional à radiação solar incidente no painel. Esta metodologia permitirá complementar a função do painel solar de gerar energia com a função sensorial, de grande utilidade em pequenos dispositivos eléctricos e/ou electrónicos que se podem alimentar desta fonte de energia.

Âmbito da Invenção

A presente invenção está relacionada com sistemas de condicionamento de energia com vista a poder ser utilizada no processo de carga de baterias. Em particular, esta metodologia permite eliminar, numa grande parte de casos, os sensores de radiação solar que possam ter de ser

utilizados para medir, de a	lguma	forma,	a intensidade	ou
magnitude da radiação solar	nos	dispositivos que utilizem
este método.
Esta metodologia	é	também	potenciadora	de
mecanismos mais eficientes	de	carga	das baterias	de

sistemas que possam ser disseminados como nós de redes de sensores, que se alimentam de energia emanada pelo ambiente, aplicadas à monitorização de qualquer processo.

Antecedentes da Invenção

A energia solar tem vindo a ter uma importância cada vez maior na alimentação de sistemas eléctricos e electrónicos. No entanto, a sua utilização simultânea como sensor de radiação solar (fonte da energia solar que é convertida em energia eléctrica pelo painel solar) não tem, apesar do seu interesse, grande viabilidade dado que o modelo eléctrico do painel consiste numa fonte de corrente limitada em tensão. Isto significa que a corrente fornecida pelo painel para baixos valores de radiação incidente é quase independente da tensão aos seus terminais mas varia com a intensidade da radiação solar. Para valores elevados de radiação solar a corrente deixa de ser constante e independente apenas da radiação solar e passa a depender da tensão aos terminais do painel solar.

Este comportamento permite constatar que a medida da magnitude da radiação solar incidente num pequeno painel solar não é um processo independente da corrente eléctrica que é solicitada ao painel. Como forma de tornar a medida desta grandeza independente da corrente e/ou tensão eléctrica que possam caracterizar o regime de operação do painel consiste em aferir a taxa de transferência de energia entre o painel e a bateria recarregável, efectuada a ritmo constante.

Não é do conhecimento do requerente técnica anterior que permita aferir a taxa de transferência de energia entre um painel solar e uma bateria recarregável. Existem contudo alguns documentos da técnica anterior que conseguem medir de algum modo a radiação. Entre essa técnica anterior encontram-se os documentos US 4.372.680 e US 6.417.500.

Concretamente a patente US 4.372.680 diz respeito a um dosímetro miniatura, espectralmente selectivo, capaz de medir em pequenas zonas móveis larguras de banda seleccionadas de exposição à radiação. Isto é conseguido através da combinação de detectores fotovoltaicos, integradores electroquímicos (pilhas E) e filtros num pequeno invólucro compacto que pode ser facilmente fixado na superfície a ser medida em íntima proximidade com esta mesma superfície e substancialmente paralelamente a esta última.

A patente US 6.417.500 diz respeito a um sensor de radiação solar, com particular aplicação à detecção da luz do sol, dotado de pelo menos dois (mas tipicamente sete) detectores sensíveis à luz e um elemento de ocultação. Um aparelho de processamento de sinais analisa os sinais provenientes dos detectores, essa análise incluindo uma comparação entre o sinal proveniente do detector exposto à maior intensidade luminosa e o sinal proveniente do detector exposto à menor intensidade luminosa.

Os documentos anteriormente referidos não têm, nem os mesmos objectivos nem utilizam a mesma tecnologia.

Sumário da Invenção

A presente invenção consiste num método de medida da magnitude da radiação solar incidente num painel solar com vista a fornecer informação sensorial, sob a forma de um sinal eléctrico, sobre essa grandeza.

Concretamente, o objecto da invenção consiste numa metodologia que permite obter um sinal eléctrico que está correlacionado com a magnitude da radiação solar incidente, para utilização em pequenos dispositivos eléctricos e/ou electrânicos alimentados por pequenos painéis solares. Essencialmente, esta metodologia destinase a ser utilizada em dispositivos onde exista a necessidade de obter informação da radiação solar para qualquer aplicação, como variável climática ou para gerar qualquer tipo de acção que dependa do valor da radiação solar.

Breve Descrição dos Desenhos

A descrição que se segue baseia-se nos desenhos anexos que sem qualquer carácter limitativo representam:

- Na figura 1, um esquema de um circuito de carga de uma bateria em que utiliza, esquematicamente, um conversor DC-DC para elevar a baixa tensão de entrada numa tensão superior ao valor a que corresponderá a tensão máxima da bateria.

- Na figura 2, um gráfico de formas de onda características do circuito representado na figura 1 onde se ilustra o princípio de operação da metodologia utilizada. A área ocupada pelo sinal de saída (ON/OFF) depende da maior ou menor incidência de radiação solar.

Descrição Detalhada da Invenção

A presente invenção é aplicável a todos os geradores que possam ser modelados por uma fonte de corrente limitada em tensão, ou seja, a tensão eléctrica aos seus terminais diminui quando o valor da intensidade eléctrica pedida ao gerador aumenta. Nestas circunstâncias, quando a energia eléctrica fornecida pelo painel solar é transferida para uma bobina através da colocação deste componente em paralelo com a saída do gerador (interruptor), a tensão eléctrica desce dado o curtocircuito que a bobina representa. Esta descida abrupta passa então a ser a causa principal do desligar do controlador que é responsável pelo processo de conversão DC-DC entre a tensão de saída do painel solar e a bateria recarregável. Como forma de evitar que o circuito de controlo se desligue por insuficiência de tensão de alimentação é comum o procedimento de se limitar esse valor de tensão a um valor seguro, ou seja, VINF menor que VLIM, OFF, que representa valor inferior permitido à queda de tensão resultante do curto-circuito provocado pela bobine. Assim que esta situação ocorre, o controlador é desligado o que por sua vez desliga o interruptor. A consequência directa traduz-se na recuperação da tensão aos terminais do painel solar, estando este novamente disponível para outro ciclo de operação, assim que atinja o valor VMPP.

A presente invenção, vertida numa metodologia, permite relacionar o número de vezes que o desligar do controlador (sinal ON/OFF na figura 2) ocorre por unidade de tempo com a grandeza que gera a energia eléctrica disponível no painel solar. Deste modo, e dado que a carga do gerador eléctrico é sempre constante, esta metodologia não é afectada por condições externas ao circuito como por exemplo o regime de carga, tipo de bateria, limites de operação do gerador, por exemplo.

No âmbito da presente invenção, o circuito da figura 1 representa de forma simplificada a metodologia descrita. 0 componente responsável por determinar os níveis entre os quais o controlador se liga e desliga é o comparador. Este poderá ser alimentado pela própria bateria ou em alternativa por qualquer outra forma, inclusive pelo próprio gerador. Quando a tensão aos terminais do gerador desce até ao limite de operação (o que é efectuado pela monitorização de uma fracção βνίη da entrada), o comparador gera o sinal ON/OFF que permite desligar o interruptor electrónico SW1. A partir deste instante, a tensão sobe rapidamente dado que a carga é desligada do gerador eléctrico até que ultrapassa o limite superior dado pela histerese do comparador. Neste limite superior, representado pela tensão VSUP = VREF + VH / 2, o controlador é novamente ligado, sendo que a largura do impulso será proporcional ao valor da histerese escolhida. A escolha dos valores limites (que definem a banda de histerese VH) e a definição do valor central (VREF) da histerese permite ajustar a gama de operação do sensor obtido pela presente metodologia.

A presente metodologia permite assim obter informação sensorial, acerca da magnitude da radiação solar incidente num painel, através do valor médio (<ON/OFF>) dos impulsos gerados para o conversor DC-DC utilizado para carregar uma bateria.

A seguir descreve-se mais detalhadamente as figuras anexas.

circuito da figura 1 representa um dispositivo de medida de irradiância com base num conversor elevador de tensão. 0 painel solar (1) está representado por uma junção pn inversamente polarizada apresentando aos seus terminais a tensão VPS criada pela exposição da junção à irradiância solar. 0 condensador (2) constitui um reservatório de carga eléctrica que permite converter a corrente eléctrica proveniente do painel solar (1) numa tensão que cresce lmearmente. 0 dispositivo de medida é composto por dois subcircuitos. 0 subcircuito elevador de tensão é composto por um conversor (7) elevador de tensão contínua genérico (controlador (6) , indutância (8) , díodo (11), interruptor electrónico (10) e condensador (12)). A tensão de saída que nesta aplicação é a tensão eléctrica aos terminais da bateria (13) sob processo de carga é regulada pelo conversor através da sua entrada de realimentação (entrada (9) representada na figura 1) . O segundo subcircuito é composto por um comparador (5) com histerese com referência de tensão interna que monitoriza a tensão de entrada através do divisor de tensão composto pelas resistências (3 , 4) . Deste modo, uma fracção βνΐΝ da tensão de entrada é comparada com a tensão de referência e cujo resultado é o sinal (ON/OFF) que liga e desliga o controlador do conversor (7) elevador de tensão. Este, perante tal accionamento e verificando que a tensão de saída é inferior ac ajustado internamente (5V) acciona o interruptor electrónico (10) que permite colocar a indutância (8) em paralelo com o condensador (12), permitindo transferir a sua energia acumulada para a bobina e, consequentemente, para a bateria. Dado que esta energia transferida é função da sua disponibilidade pela fonte que a gera, a frequência de impulsos ON/OFF que com este método se gera é proporcional a essa medida, conforme se poderá visualizar na figura 2. 0 seu valor médio, (<ON/OFF>) é obtido através de uma simples filtragem (componentes (14) e (15) da figura 1) .

Na figura 2 poder-se-á visualizar o processo de medida. 0 comparador que monitoriza a tensão de entrada opera entre os limites VINF e VMPP definidos através de resistências internas e especialmente úteis para calibrar o melhor ponto de funcionamento do dispositivo. Cada vez que a tensão ultrapassa o ponto MPP, o circuito de comparação activa a saída ON/OFF, colocando-a ao nível de tensão VCC (tensão de alimentação do circuito que utiliza esta técnica de medida e de carga da bateria) o que, por sua vez, fechará o interruptor. Esta acção acarreta a transferência de energia do condensador de entrada para a indutância o que leva a tensão aos terminais do condensador baixar até que o interruptor abra novamente, acção esta causada pela diminuição da tensão de entrada abaixo do limite VINF. A partir daqui o processo repete-se sendo a única diferença a frequência dos sinais gerados o que acarretará uma variação de frequência ou de tensão contínua do sinal filtrado pelos componentes RF e CF do filtro.

Claims

1. Método de medida de irradiância solar utilizando um painel fotovoltaico (1) que permite de forma simultânea alimentar equipamentos eléctricos e/ou electrónicos de baixo consumo ou de consumo compatível com um painel solar (1) , com informação sensorial sobre a intensidade e magnitude da radiação solar que nele incide, caracterizado por:

monitorar a transferência de energia eléctrica entre um painel solar (1) e uma bateria recarregável (13) com recurso a um conversor de tensão comutado; e indicar a magnitude da radiação solar que incide no painel solar;

método esse que se baseia na adaptação de um circuito conversor elevador de tensão contínua em tensão contínua de forma a fornecer um sinal eléctrico que está correlacionado com a magnitude da radiação solar incidente no painel solar (1) que, por sua vez, alimenta o circuito conversor de tensão.

2. Método de medida de irradiância solar utilizando um painel fotovoltaico (1) de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por o circuito conversor monitorizar o nível de tensão aos terminais do painel solar (1) para que através da comparação (5) com um nível de tensão fixo possa gerar um sinal constituído por impulsos eléctricos que traduzem a taxa de recuperação dessa tensão e, consequentemente, indica a energia recebida pelo painel solar (1) e convertida em energia eléctrica.

3. Método de medida de irradiância solar utilizando um painel fotovoltaico (1) de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por gerar um sinal eléctrico que indica quando o circuito conversor de tensão tem à sua entrada um sinal adequado ao seu normal funcionamento, indicação intermitente essa que depende da quantidade de energia disponível à entrada que se converte em tensão eléctrica por meios de um condensador de entrada (2) .

4. Dispositivo de medida de irradiância solar utilizando um painel fotovoltaico (1), para a realização do método definido nas reivindicações 1 a 3, caracterizado por compreender o referido circuito conversor de tensão essencialmente constituído por um controlador (6), uma indutância (8) , um interruptor electrónico (10), um díodo (11) e um condensador (12), que constitui a carga eléctrica activa do painel solar (1) e por circuitos electrónicos auxiliares que controlam a operação intermitente do conversor de tensão por análise da tensão de entrada proveniente de um painel solar.

5. Dispositivo de medida de irradiância solar utilizando um painel fotovoltaico de acordo com a reivindicação 4 caracterizado por poder incorporar ou não as próprias baterias (13) e painel fotovoltaico (1).