Energy storage and conversion using modified impedance source inverters in photovoltaic lighting systems.

Eventos como os apagões sofridos no Brasil entre os anos de 2001 e 2009 tem gerado preocupação quanto a disponibilidade de energia no futuro, a qual ´e intensificada por uma previsão de 55% de aumento na demanda até o ano de 2022. Fontes de energias renováveis, como eólica e solar, possuem um papel importante no suprimento desta demanda, e podem operar com baixo impacto ambiental. Neste trabalho é estudada a utilização de energia solar fotovoltaica para alimentação de sistemas de iluminação noturna, permitindo que a energia que por estes seria consumida seja redirecionada para outras aplicações. Sistemas fotovoltaicos de iluminação noturna são geralmente compostos por um conjunto de módulos geradores, acumuladores, controlador de carga, inversor e lâmpadas, sendo os primeiros quatro estudados neste trabalho. De modo a obter conhecimento instrumental ao restante do trabalho foram estudados os acumuladores, sendo projetada uma plataforma de testes para estes. A partir dos resultados obtidos em ensaios foi obtido um modelo para simula¸c˜ao de acumuladores, o qual apresentou erro de tens˜ao da ordem de 50mV para acumuladores com mais de 20% de carga. Foi obtido também um modelo baseado em redes neurais para estimação do estado de carga, obtendo erro típico de 2% e chegando a 6% no pior caso. Visando otimizar o aproveitamento do gerador fotovoltaico foi desenvolvida uma nova técnica de rastreamento do ponto de máxima potência (MPPT). Esta técnica é baseada na combinação de uma técnica heurística com uma técnica baseada em modelo, apresentando tanto o erro da ordem de 0, 1% em regime permanente característico das técnicas heurísticas, quanto o ganho de 70:1 na velocidade de rastreamento característico para técnicas baseadas em modelo. A utiliza¸c˜ao de conversor de carga e inversor como dois elementos distintos não é ótima, uma vez que controladores de carga simples não implementam MPPT, e modelos mais complexos adicionam componentes reativos além dos já presentes no inversor. Neste trabalho são então propostas topologias de conversores baseadas no inversor fonte de impedância (ZSI), as quais são capazes de substituir inversor e controlador de carga por um único conversor. Cada topologia possui modos de operação diurno e noturno distintos, sendo a primeira topologia reconfigurada por relé e a segunda apenas por alteração nas leis de controle. Ambas as topologias possibilitam o compartilhamento de componentes entre os modos de operação, reduzindo volume, custo e complexidade de instalação do sistema.Events such as the blackouts in Brazil between 2001 and 2009 have raised concerns about future energy availability, which is intensified by a forecast of 55% increase in demand by the year 2022. Renewable energy sources , such as wind and solar, play an important role in supplying this demand, and can operate with low environmental impact. In this work we study the use of solar photovoltaic energy to power night lighting systems, allowing the energy that would be consumed by them to be redirected to other applications. Photovoltaic night lighting systems are generally composed of a set of generator modules, accumulators, charge controller, inverter and lamps, the first four being studied in this work. In order to obtain instrumental knowledge for the rest of the work, the accumulators were studied and a test platform was designed for them. From the results obtained in tests, a model for simulating accumulators was obtained, which presented voltage error of the order of 50mV for accumulators with more than 20% load. It was also obtained a model based on neural networks for load state estimation, obtaining typical error of 2% and reaching 6% in the worst case. In order to optimize the use of the photovoltaic generator a new Maximum Power Point Tracking (MPPT) technique. This technique is based on the combination of a heuristic technique with a model-based technique, presenting both the 0.1% steady-state error characteristic of the heuristic techniques and the 70: 1 gain in the characteristic tracking speed for techniques. model-based. The use of load converter and inverter as two distinct elements is not optimal, since single load controllers do not implement MPPT, and more complex models add reactive components in addition to those already present in the inverter. In this work, impedance source inverter (ZSI) based converter topologies are proposed, which are capable of replacing the inverter and load controller with a single converter. Each topology has different day and night modes of operation, the first topology being relay reset and the second only by change in control laws. Both topologies enable component sharing between modes of operation, reducing volume, cost and complexity of system installation