Uma Nova Solução Modular de Monitorização para Sistemas de Geração de Energia Fotovoltaica e Armazenamento de Energia

1.Introdução e Contexto de Pesquisa

1.1 Estado Atual da Indústria Solar
Como uma das fontes de energia renovável mais abundantes, o desenvolvimento e a utilização da energia solar tornaram-se centrais na transição energética global. Nos últimos anos, impulsionada por políticas em todo o mundo, a indústria fotovoltaica (PV) experimentou um crescimento explosivo. As estatísticas indicam que a indústria PV da China registrou um aumento impressionante de 168 vezes durante o período do "12º Plano Quinquenal". Ao final de 2015, a capacidade instalada de PV ultrapassou 40.000 MW, ocupando o primeiro lugar global por três anos consecutivos, com um crescimento contínuo esperado no futuro.

1.2 Problemas Existentes e Desafios Técnicos
Apesar do rápido desenvolvimento, os sistemas de armazenamento de energia PV tradicionais ainda enfrentam numerosos gargalos técnicos em aplicações práticas:

• Problemas de Matriz Fotovoltaica: Para atender aos requisitos de tensão e potência da carga, geralmente são conectadas em série e paralelo um grande número de células PV individuais. Esta estrutura é suscetível a sombreamento parcial, levando a perdas de "desajuste" e efeitos de ponto quente, que reduzem significativamente a eficiência de geração de energia e a segurança do sistema.
• Problemas de Pacotes de Baterias de Armazenamento de Energia: Os pacotes de baterias, também usando configurações em série e paralelo, enfrentam inerentemente problemas de equilíbrio. A inconsistência das baterias piora com a escala, não apenas aumentando a complexidade do sistema, mas também causando degradação da capacidade e redução da vida útil, impedindo a aplicação em larga escala.
• Insuficiências nas Tecnologias Existentes: Embora alguns pesquisadores tenham proposto técnicas de gerenciamento de equalização passiva, esses métodos apenas deslocam o problema de equilíbrio sem considerar plenamente o impacto da conexão em série de módulos múltiplos nos circuitos downstream. Eles também carecem de orientação científica para a seleção de componentes-chave, como as células PV.

II. Solução de Sistema Global e Topologia

O cerne desta solução é construir uma topologia de sistema de energia nova, modular e escalável.

2.1 Composição Sistêmica Hierárquica
O sistema é estruturado hierarquicamente a partir da unidade básica em três níveis:

1. Módulo (Unidade Básica):
• Composição: Uma única célula PV, uma única bateria de armazenamento (com tensão e capacidade compatíveis), 4 interruptores de potência e um controlador independente.
• Função: Como a menor unidade autônoma, o controlador gerencia os 4 interruptores para permitir a conexão/desconexão independente da célula PV e da bateria, permitindo a troca flexível entre cinco modos de operação.
2. String em Série:
• Composição: Formada pela conexão em série de vários dos módulos acima mencionados.
• Função: Aumenta a tensão total de saída da string para corresponder à faixa de tensão de entrada do conversor DC/DC de elevação.
3. Sistema:
• Composição: Formado pela conexão em paralelo de várias strings em série, convergindo através de um conversor DC/DC para um barramento DC comum.
• Função: O barramento DC pode fornecer energia diretamente às cargas DC ou, via um inversor DC/AC, fornecer energia às cargas AC.

2.2 Vantagens Centrais
Esta topologia, através do controle independente ao nível de cada célula, elimina fundamentalmente os efeitos de sombreamento inerentes e os problemas de equilíbrio de baterias das estruturas em série tradicionais no nível físico. Com a seleção adequada de componentes, o sistema permite que as células PV operem consistentemente perto do Ponto de Potência Máxima (MPP), eliminando a necessidade de circuitos MPPT adicionais e sistemas de gerenciamento de baterias (BMS) complexos.

III. Estratégia de Monitoramento Hierárquico

Esta solução adota uma estratégia de controle hierárquico para alcançar um monitoramento refinado, desde o local até o global.

3.1 Estratégia de Monitoramento ao Nível de Módulo (Controle Autônomo)
Cada módulo troca autonomamente entre os seguintes 5 modos de operação com base no seu próprio estado (tensão de saída PV, tensão da bateria):

3.2 Estratégia de Monitoramento ao Nível de String (Controle de Coordenação de Tensão)
O monitoramento ao nível de string utiliza a tensão de entrada do conversor DC/DC (U_in) como o parâmetro chave, estabilizando a tensão através da conexão/desconexão de módulos.

• Objetivo de Controle: Garantir que U_in permaneça dentro da faixa de operação permitida do circuito DC/DC (por exemplo, 12V ~ 22V).
• Lógica de Controle de Limiar (por exemplo, para sistema de 24V):
• Limiar de Tensão Baixa (16V): Se U_in < 16V, o sistema de monitoramento busca automaticamente módulos dentro da string que estejam em modo de espera, mas com carga de bateria normal, comandando-os a se conectar, evitando que o DC/DC desligue devido a tensão de entrada baixa.
• Limiar de Tensão Alta (20V): Se U_in > 20V, a conexão de novos módulos é restrita para garantir que U_in não exceda a tensão de entrada máxima do DC/DC.
• Limiar de Proteção (12V): Se U_in < 12V, a string é considerada esgotada, desconectando-a forçadamente. Todos os módulos entram em modo de espera até que um número suficiente de baterias recupere a carga.

3.3 Estratégia de Monitoramento ao Nível de Sistema (Proteção Global)
O monitoramento ao nível de sistema concentra-se em garantir a qualidade do fornecimento de energia, com a tensão do barramento DC (U_bus) como o ponto de monitoramento chave.

• Lógica de Controle: A tensão do barramento DC é monitorada em tempo real. Se a tensão cair abaixo de um limiar crítico (por exemplo, 80% da classificação do sistema de 24V, ou seja, 22V), indica insuficiência de energia total do sistema. O sistema de monitoramento executará um comando de desligamento global para proteger o inversor e o equipamento de carga, garantindo a qualidade de energia do lado AC.

IV. Método de Seleção de Componentes-Chave

Para abordar o problema de correspondência entre células PV e baterias de armazenamento, esta solução propõe um método de seleção visando maximizar a eficiência de utilização da energia solar.

• Ideia Central: Neste sistema, a tensão de operação da célula PV é limitada pela tensão da bateria, tornando a correspondência de seus parâmetros de tensão crítica.
• Modelo de Seleção: Com base em um modelo matemático de engenharia da célula PV (considerando efeitos de temperatura e irradiação), a eficiência do sistema η é derivada como uma função da tensão da bateria U_BAT e da tensão do ponto de potência máxima da célula PV U_mp.
• Conclusão: Para uma bateria de armazenamento de 3,7V com tensão de operação em torno de 3,9V~4,0V, os resultados de simulação indicam que a eficiência de utilização da energia solar do sistema é máxima quando a tensão U_mp da célula PV é aproximadamente 4,25V. Portanto, na seleção prática, a tensão U_mp da célula PV deve ser controlada dentro da faixa de 4,2V ~ 4,3V.

V. Resultados Esperados

1. Melhoria Significativa de Eficiência: A operação modular independente elimina completamente o efeito "balde" e os problemas de pontos quentes das estruturas em série, garantindo que cada unidade opere de forma eficiente. Simultaneamente, a correspondência precisa de tensão entre PV e armazenamento permite o rastreamento aproximado do Ponto de Potência Máxima (MPPT) sem circuitos adicionais, aumentando significativamente a eficiência de geração de energia.
2. Aumento da Longevidade e Confiabilidade: A estrutura modular resolve fundamentalmente os desafios de equilíbrio causados pela inconsistência dos pacotes de baterias, evitando sobrecarga e descarga excessiva, prolongando efetivamente a vida útil do sistema. A estratégia de monitoramento hierárquico fornece múltiplas camadas de proteção, desde o local até o global, melhorando significativamente a robustez do sistema.
3. Otimização de Custos e Manutenção Facilitada: Este design elimina com sucesso a necessidade de rastreadores MPPT complexos e Sistemas de Gerenciamento de Baterias (BMS), reduzindo os custos de hardware. Sua arquitetura "Lego-like" torna a instalação, manutenção e expansão extremamente convenientes. A falha de um único módulo não afeta a operação geral, reduzindo o custo total do ciclo de vida.