Estudo, simulação e prototipagem de traçador de curvas P‑V

Abstract

Este trabalho aborda o desenvolvimento de um projeto de traçador de curvas I-V e P-V para a caracterização de módulos fotovoltaicos. O estudo propõe uma metodologia composta por duas etapas principais: a revisão e análise dos conceitos fundamentais de energia solar fotovoltaica e a implementação prática da técnica de traçador de curvas pelo método da carga capacitiva, além de abordar o estudo teórico das cargas resistivas variáveis, cargas capacitivas, conversores CC-CC e cargas eletrônicas. Inicialmente, foram realizados estudos teóricos sobre o efeito fotovoltaico, parâmetros elétricos dos módulos e influência de variáveis como irradiância e temperatura. A proposta apresenta-se como uma solução de baixo custo e alta aplicabilidade. O projeto integra modelagem matemática, simulação computacional e construção de um circuito físico, dividido em comando/chaveamento, medição, banco de capacitores e interface de operação. Inicialmente, foram realizadas simulações utilizando modelos teóricos do módulo fotovoltaico (FV) e o comportamento dinâmico do banco de capacitores durante o regime de carga. A partir dessas análises, foi desenvolvido um software em Python, capaz de calcular e dimensionar capacitores, servindo como suporte e apoio para a fase de testes, ele opera com base nos requisitos do usuário (percentual de carga, tensão e tempo de transição), além de gerar curvas simuladas I–V e P–V a partir dos parâmetros reais de tensão e corrente de um painel fotovoltaico. Para conectar o módulo FV ao circuito do traçador, foi utilizado um optoacoplador, isolando o comando, um transistor para amplificação de corrente e um relé de 12 V para o chaveamento do banco de capacitores. No estágio de medição, empregou-se o sensor INA-219 para leitura de corrente e tensão, mas suas limitações de faixa restringiram o uso com módulos FV. Para contornar essas deficiências, adicionou-se um divisor de tensão, empregando um divisor resistivo de tensão e capacitores em paralelo para divisão de corrente, ajustando o fundo de escala do sensor para as características necessárias para seu emprego em módulos FV comerciais. Uma IHM acessada via Wi-Fi, hospedada pelo próprio controlador (ESP-32), permite ao usuário configurar parâmetros de ensaio, visualizar gráficos e monitorar o processo em tempo real. Os resultados obtidos demonstram a viabilidade do uso do método da carga capacitiva, volume elevado e dificuldade de escalabilidade.

This work addresses the development of an I-V and P-V curve tracer project for the characterization of photovoltaic modules. The study proposes a methodology consisting of two main stages: the review and analysis of fundamental photovoltaic solar energy concepts and the practical implementation of the curve tracer technique using the capacitive load method, in addition to addressing the theoretical study of variable resistive loads, capacitive loads, DC-DC converters, and electronic loads. Initially, theoretical studies were conducted on the photovoltaic effect, electrical parameters of modules, and the influence of variables such as irradiance and temperature. The proposal presents itself as a low-cost, high-applicability solution. The project integrates mathematical modeling, computer simulation, and the construction of a physical circuit, divided into control/switching, measurement, capacitor bank, and operational interface. Initially, simulations were performed using theoretical models of the photovoltaic (PV) module and the dynamic behavior of the capacitor bank during the charging regime. From these analyses, a Python software was developed, capable of calculating and sizing capacitors, serving as support for the testing phase. It operates based on user requirements (charge percentage, voltage, and transition time), and can also generate simulated I–V and P V curves from the real voltage and current parameters of a photovoltaic panel. To connect the PV module to the tracer circuit, an optocoupler was used to isolate the control signal, a transistor for current amplification, and a 12 V relay for switching the capacitor bank. In the measurement stage, the INA-219 sensor was employed for reading current and voltage, but its range limitations restricted its use with PV modules. To overcome these deficiencies, a voltage divider was added, employing a resistive voltage divider and parallel capacitors for current division, thereby adjusting the sensor's full scale to the characteristics required for its application with commercial PV modules. A Wi-Fi-accessible HMI, hosted by the controller itself (ESP-32), allows the user to configure test parameters, view graphs, and monitor the process in real time. The obtained results demonstrate the viability of using the capacitive load method, but also highlight challenges related to the large physical volume of capacitors and the difficulty of scalability.