Como já foi citado anteriormente, os módulos CA, ilustrados na Fig. 1.6 (d), correspondem à integração do módulo fotovoltaico ao inversor em um único dispositivo elétrico. Como as tensões dos módulos são relativamente baixas, os sistemas são implementados com transformadores operando em alta freqüência. Além disso, os sistemas são constituídos por um ou mais estágios de
potência. As referências [14–16] e [21–23] apresentam uma visão geral dos sistemas fotovoltaicos baseados nos módulos CA. Algumas soluções bastante utilizadas nestes sistemas serão apresentadas a seguir.
A topologia Flyback bidirecional (BDFB), composta por dois conversores flyback bidirecionais, é apresentada na Fig. 1.11 [24]. O ganho de tensão, A, é obtido por (1.1), onde no caso o primeiro conversor opera com razão cíclica D e o segundo com razão cíclica (1-D) e as correntes que circulam no transformador são contínuas.
Fig. 1.11 - O inversor bidirecional flyback, baseado no conversor CC - CC bidirecional de saída variável [25].
2 2 1 out sec in pri U N D A U N D D ⋅ − = = ⋅ − (1.1)
Na equação (1.1), Nsec e Npri representam o número de espiras do secundário e do primário
respectivamente, Uin a tensão nos módulos e Uout a tensão de saída. O conversor pode sempre ser
controlado para operar no modo de condução contínua (CCM) devido sua capacidade de operar com bidirecionalidade no fluxo de corrente.
Uma desvantagem da estrutura é o fato do efeito da oscilação de baixa freqüência, presente na corrente entrada dos módulos solares, ser mais severo que nos sistemas de dois ou mais estágios. Um protótipo do conversor CC-CC bidirecional de saída variável foi testado em [24].
A Fig. 1.12 apresenta outro sistema, de 100W, baseado em um conversor tipo flyback [25]. As duas saídas são conectadas à rede, uma por vez, através dos MOSFETs (SCA1 e SCA2), dois diodos
e um filtro. Desta maneira o flyback pode fornecer correntes positivas e negativas na saída.
A próxima topologia, apresentada na Fig. 1.13, também se baseia em um inversor tipo flyback com um circuito adicional de desacoplamento [26]. A vantagem desta estrutura é que o circuito de desacoplamento retira a componente de baixa freqüência da entrada do sistema, possibilitando a utilização de pequenas capacitâncias (filme ou de polipropileno) tanto em paralelo
com o módulo como no circuito de desacoplamento. Como resultado, a vida útil do sistema é prolongada, mesmo sob condições adversas de operação.
Fig. 1.12 – Sistema monofásico de 100W constituído de um conversor flyback.
Fig. 1.13 – Outro sistema baseado em um conversor flyback com um circuito de desacoplamento.
O circuito da Fig. 1.14 é uma versão melhorada do circuito da Fig. 1.13, projetada para uma potência de 160W [27]. A principal mudança desta estrutura está na substituição do flyback simples por um flyback de dois interruptores.
Fig. 1.14 – Sistema baseado em um inversor tipo flyback de dois interruptores.
A Fig. 1.15 ilustra um sistema de 160W do tipo módulo CA baseado no conversor Buck- Boost [28]. Os interruptores S1’ e S2’ comutam em baixa freqüência (120Hz) e os interruptores S1 e S2 comutam em alta freqüência por apenas meio ciclo da rede, permanecendo desligado no outro. O
Fig. 1.15 – Sistema baseado no conversor buck-boost.
Fig. 1.16 – Sistema constituído por um flyback CC-CC e um inversor, formado por SCRs, operando em 120Hz.
A topologia na Fig. 1.16 equivale a um conversor CC-CC flyback de 150W associado a um conversor CC-CA comutando em 120Hz [29]. Em [30], a mesma estrutura é aplicada para um sistema de 100W, com a única diferença sendo a transferência do filtro do lado CC para o lado CA. Em ambos os casos o inversor é constituído por SCRs.
Fig. 1.17 – Sistema baseado em um flyback e um inversor PWM.
O sistema de 100W da Fig. 1.17 corresponde a um conversor CC-CC flyback associado a um inversor CC-CA PWM. O inversor é constituído por interruptores comutando em alta freqüência [31-32].
O sistema apresentado em [33] é baseado em um conversor CC-CC série ressonante e um inversor ponte completa modificado conectado à rede elétrica (Fig. 1.18). O inversor é modificado de tal maneira a não operar como um retificador, impossibilitando as correntes de “inrush” durante o instante de conexão com a rede. O conversor CC, como mencionado anteriormente, baseia-se em
um conversor série-ressonante, onde a indutância de dispersão do transformador mais o capacitor inserido em série com o primário formam o tanque ressonante. Este conversor opera em alta freqüência e razão cíclica superior a 50%.
Fig. 1.18 – Sistema proposto por [20] e [33]. O conversor CC-CC eleva a tensão dos módulos e o inversor, conectado à rede, gera em corrente senoidal de saída.
Outro trabalho apresentado em [20] utiliza a mesma estrutura apresentada na Fig. 1.18, com o diferencial do inversor fazer uso de circuitos magnéticos integrados. Isto significa que todos os indutores e transformadores estão incorporados na própria placa de circuito impresso através de magnéticos planares. O indutor ressonante e o transformador do conversor CC-CC são construídos como um único circuito magnético. Isto é feito no intuito de aumentar a eficiência e reduzir os custos e volume. Outros dois indutores, conectados à rede, também são construídos da mesma maneira. O primeiro estágio opera em 500kHz e o segundo em 100Hz. Isto significa que os dois estágios não estão desacoplados, sendo necessário assim um grande capacitor na saída dos módulos fotovoltaicos de modo a atenuar as oscilações de potência.
A Tabela 1.2 apresenta um resumo dos sistemas fotovoltaicos baseados em módulos CA.
Tabela 1.2 – Resumo dos sistemas baseados em módulos CA. Para eficiência, “M” refere-se à máxima eficiência, “E” refere-se à eficiência européia e “N” refere-se à eficiência para condição nominal.
Fig. e Ref. 1.11 [24] 1.12 [25] 1.13 [26] 1.14 [27] 1.15 [28] 1.16 [29-30] 1.17 [31-32] 1.18 [33] 1.18 [20] Potência Nominal [W] 100 100 105 160 160 150 100 110 250 Tensão da rede [V] 230 230 100 230 100 120 220 230 230 Tensão de entrada [V] 30 48 35 28 - 44 30 26-37 72 Eficiência [%] - 96M - 82E, 87M - - 84M 87M - Fator de Potência [ ] - 0,955 - - - - THD da corrente [%] - <5 - - - -