Projeto otimizado para minimização de perdas em um conversor bidirecional aplicado a sistemas autônomos de iluminação-Tese de doutorado- Autoria:Duarte, Renan Rodrigo-UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA-BRASIL

 

RESUMO 

O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema autônomo de iluminação pública baseado em energia solar fotovolaica e diodos emissores de luz (LEDs). O sistema deve ser capaz de carregar um banco de baterias durante o dia através de um arranjo fotovoltaico e suprir uma carga LED durante a noite. Um conversor bidirecional com transistores de nitreto de gálio (GaN) é utilizado de forma a obter uma estrutura com elevado rendimento e, com isso, otimizar o tamanho do banco de baterias e arranjo fotovoltaico para maximizar a autonomia do sistema ou reduzir os custos de produção, dependendo dos objetivos da aplicação. Foi desenvolvida uma metodologia completa e otimizada para o projeto dos elementos deste sistema autônomo de iluminação. Esta metodologia baseia-se em um algoritmo de busca discreta que avalia um conjunto de componentes disponíveis comercialmente para determinar a melhor combinação de componentes e o melhor ponto de operação do circuito, de modo a minimizar as perdas de energia ao longo do período de operação do sistema. Neste documento é apresentada, inicialmente, uma revisão bibliográfica de aspectos teóricos relacionados aos sistemas autônomos de iluminação, como fonte fotovoltaica, baterias, carga LED, topologias de conversores e soluções comerciais disponíveis. Uma revisão sobre interruptores GaN também é apresentada, abrangendo seu histórico, princípio de funcionamento, características e estado da arte da tecnologia em termos de dispositivos comerciais. Para validar experimentalmente a topologia proposta, um protótipo de 100 W com frequência de comutação arbitrária foi desenvolvido e avaliado. No modo carregador de bateria, o circuito opera em 250 kHz e apresenta eficiências maiores que 92% em toda a faixa de potência com um valor máximo de 97,3%. No modo driver de LED, a frequência de operação escolhida foi de 345 kHz e uma eficiência máxima de 95,8% foi obtida. Para a validação da metodologia de projeto proposta, quatro conversores com potências de 30 W em modo driver e 150 W em modo carregador foram implementados e testados em diferentes pontos de operação. Com isso, comprovou-se que, considerando um conjunto de componentes, a metodologia é capaz de determinar o melhor ponto de operação para maximizar o rendimento, e, considerando diferentes conjuntos de componentes, determinar o melhor em termos de redução da energia perdida, de forma a maximizar a autonomia do sistema.

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