Revista Técnico-Científica do CREA-PR-ISSN 2358-5420-Edição Especial – Novembro de 2018 - página 2 de 20
Abstract: The study present in the work proposes at supplying the demand of electric energy in rural areas through the elaboration of an autonomous photovoltaic system. However, with the application of independent generation it can be evidence that it is possible through renewable energies reach the necessary capacity for rural consumers belonging to all the national territory. Therefore, as an alternative to this problem, the generation by means of solar rays becomes a viable choice because of the simplicity of electric energy production since it only requires the incidence of solar rays to generate electricity. This method of generation is possible throughout the Brazil nation because the country hold a subtropical climate that makes energy production practically possible in all months of the year. However, the purposes of the autonomous photovoltaic system practiced at the work is to operate an electronic gate through of a wireless device, product of the grouping of several electronic components. The intention of this instrument is connect an electrical component in circuit to simulate a charge to the system with the objective to demonstrate that the application of solar energy is possible for any isolated area.
Keywords: Photovoltaic energy, Autonomous photovoltaic system, Renewable energy.
1. INTRODUÇÃO
A rede de energia elétrica convencional abrange 89,7% das áreas rurais, segundo o último censo do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) realizado em 2010, consequentemente, os outros 10,3% necessitam utilizar fontes alternativas para geração de energia, como os geradores a diesel, que possui um custo relativamente alto para geração e emite uma quantidade perigosa de gases nocivos à saúde devido a queima de combustíveis fosseis [1].
O petróleo, base para desenvolvimento do óleo diesel é um elemento finito, e por causa disso a busca por fontes alternativas de energia como usinas termoelétricas com microturbinas alimentadas à biomassa, eólicas e solares obteve um aumento considerável [1].
A geração obtida de usinas hidrelétricas tem seu impacto ambiental com o alagamento de áreas, que modificam todo o habitat nas proximidades do local de implementação da usina. A geração termelétrica por meio de biomassa requer uma área significativa de cultivo de matéria utilizada como combustível, que ocasiona no esgotamento do solo. Para o desenvolvimento dos geradores eólicos aplica-se uma quantidade notável de
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elementos tóxicos, produtos responsáveis por causar a morte de diversas aves durante seu processo de migração [1].
A energia solar é uma fonte limpa e renovável, e se torna viável a cada dia, comparado com outras fontes é de fácil captação de energia, pois necessita somente do sol para obter corrente elétrica. A energia solar não emite ruídos em sua geração, a área para implementação de um sistema fotovoltaico é pequena relacionada a outras usinas de fontes distintas e de mesma capacidade. O impacto ambiental causado pela elaboração do sistema fotovoltaico é consideravelmente baixo em relação a outras formas de geração [1].
A energia solar possui algumas desvantagens em sua implementação, uma delas seria que em dias de chuva ou em dias nublados (com baixa incidência de sol) a geração é reduzida e no período da noite, instante que não há irradiação, não ocorre a produção de energia. Outra desvantagem é que o custo para compra e instalação de componentes é relativamente alto no Brasil [1].
Com um percentual relativamente alto de áreas rurais sem acesso à rede elétrica convencional se faz necessário o uso de outras formas para obter eletricidade, uma delas a geração autônoma. O trabalho é voltado para suprir a demanda de energia em áreas isoladas a partir da implementação de um sistema fotovoltaico independente em uma residência ou empresa posicionada em áreas sem acesso a rede elétrica convencional, simulando a carga presente nesses locais com o acionamento sem fio de um portão eletrônico.
Este trabalho tem como objetivo dimensionar um circuito e um sistema fotovoltaico autônomo para o acionamento de um portão eletrônico de capacidade de 180W em corrente continua, para utilização em uma área rural.
Os objetivos específicos são distribuídos em várias etapas de elaboração, como a dimensão do painel solar para atender a demanda do circuito, a adequação de um acumulador de energia capaz de atender o consumo de corrente do projeto quando não houver a geração de energia pelo módulo, a implementação de um controlador de carga eficaz para atender o sistema autônomo, o desenvolvimento de um circuito eletrônico para acionamento do portão, com comunicação via radiofrequência entre transmissor e receptor.
O referencial teórico utilizado para o desenvolvimento do trabalho foi composto por alguns tópicos principais, como o efeito fotovoltaico, a irradiância, e o estudo sobre componentes de um sistema fotovoltaico autônomo como células e painéis fotovoltaicos,
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acumuladores de energia, controladores de carga, circuitos eletrônicos e motores de corrente contínua para esse caso, pois é o motor que irá fazer parte da carga do sistema.
O efeito fotovoltaico foi percebido inicialmente por Edmund Becquerel em 1839, ao gerar uma corrente elétrica devido dois elétrodos de prata serem expostos a luz. O desenvolvimento da primeira célula fotovoltaica foi realizada por W. G. Adams e R. E. Day em 1877, essa célula foi fundamentada pela geração de corrente elétrica devido a incidência de luz solar em dois elétrodos de selênio, porém sua capacidade de produção de energia era relativamente baixa [2].
Contudo o estudo sobre o efeito fotovoltaico surgiu por volta de 1954, com o intuito de fornecer energia a satélites posicionados em órbita. A tecnologia fotovoltaica é responsável pela transformação da energia do sol para energia elétrica, um sistema que é capaz de realizar a conversão de luz solar em corrente elétrica [3]. Portanto pode-se afirmar que o efeito fotovoltaico somente é realizado se houver a ocorrência de irradiância na superfície a ser utilizada.
A irradiância também conhecida como irradiação, é uma grandeza utilizada para mensurar radiação solar, sua unidade de medida é dada por W/m² (watt por metro quadrado) [4]. A irradiância emitida na crosta terrestre tem seu valor aproximado em cerca de 1000 W/m². No espaço que precede a atmosfera terrestre, firmado entre o planeta e o Sol, a irradiância medida fica em torno de 1353 W/m² [4].
Com a utilização de sensores para medição e armazenamento de valores da irradiação durante um período de 24 horas é possível analisar a capacidade de energia fornecida pelo Sol durante o dia em uma determinada área. Esse método pode ser aplicado para estimar a quantidade de energia solar emitida durante uma semana, um mês ou um ano [4]. Os sensores são muito utilizados em sistemas conectados à rede, bem como em sistemas fotovoltaico autônomos.
Sistemas fotovoltaicos autônomos, ou também conhecidos como sistemas isolados, são geralmente aplicados em locais onde não há acesso direto a rede elétrica convencional.
Este tipo de sistema pode ser aplicado para fornecer energia para residências em zonas rurais, ilhas e demais lugares onde não haja o acesso a eletricidade [4].
No Brasil muitos lugares ainda não têm o fornecimento direto de energia elétrica, fazendo assim com que o uso de fontes alternativas de geração se façam necessárias.
Geradores a diesel é a solução mais comum, porém, um sistema fotovoltaico autônomo
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pode ser aplicado para substituí-lo, com a vantagem da redução dos ruídos e da poluição [4].
Um sistema fotovoltaico normalmente é constituído de um ou vários módulos associados, um controlar de carga, um acumulador de energia e de acordo com o tipo de aplicação pode incluir um inversor de corrente contínua para corrente alternada (CC-CA) [7].
Um módulo fotovoltaico é constituído de um agrupamento de células fotovoltaicas e atualmente existem diversas tecnologias para a confecção desses materiais. As mais populares no mercado são as de silício monocristalino, silício policristalino ou multicristalino.
Porém recentemente surgiu uma nova tecnologia, os filmes finos [4] [5].
A célula fotovoltaica é o principal componente do sistema fotovoltaico. Entretanto apenas uma célula não possui a capacidade total de a gerar eletricidade desejada, que faz com que sejam necessárias o agrupamento de várias células para confecção de um painel, placa ou módulo fotovoltaico. [4]
Um sistema composto por painéis solares está disposto a vários fatores capazes de modificar sua produção de eletricidade, como a variação de temperatura por exemplo, que faz com que haja interferências na geração e consequentemente no fornecimento de potência pelos módulos. Em temperaturas menores as tensões tendem a ser maiores, já com temperaturas elevadas a tensão fornecida pela placa fotovoltaica será menor. A corrente gerada pelos módulos não sofre alterações devido a temperatura. Um dos resultados desse efeito é que quando a temperatura aumenta, a potência produzida pelos módulos irá diminuir, uma vez que potência é o produto da tensão e da corrente [4]. Outro fator considerável é o fato da ocorrência de dias nublados ou chuvosos, após o nascer e o pôr-do-sol quando a radiação solar não é tão intensa, onde mesmo sem a capacidade de geração haverá a necessidade de utilizar os equipamentos elétricos, nesses casos é empregue o uso de acumuladores de energia.
Os acumuladores de energia são dispositivos eletroquímicos utilizados para armazenar energia. Pelo fato desses dispostivos atuarem em momentos onde não há produção de eletricidade e quando se é necessário utilizar componentes elétricos é indispensável armazenar carga gerada durante dias de sol, em quantidades que supram as demandas de carga necessárias para o uso dos aparelhos elétricos em momentos de necessidade [3]. Porém esses dispositivos necessitam de uma ferramenta capaz de controlar essa carga e descarga contínua para que não danifique o banco de baterias como um todo.
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Os controladores de carga são utilizados em projetos que requerem uma bateria em sua composição, o controlador de carga é uma espécie de carregador de bateria especialmente desenvolvido para aplicações fotovoltaicas [4].
Existem diferentes tipos de controladores de carga no mercado e cada tipo controla a energia de maneira diferente. O projeto fotovoltaico voltado a obter um alto desempenho necessita de uma escolha precisa do controlador ideal para o sistema [5].
O controlador de modulação por largura de pulso ou Pulse Width Modulation, na literatura inglesa, é um controlador recomendado para configurações em série e na de derivação. Esse regulador aplica pulsos de corrente elétrica repetidamente em um intervalo variável. O sinal PWM é considerado um sinal completamente digital porque a alimentação em corrente continua em um instante encontra-se ligada e em outro momento desligada. O controlador PWM possui uma caraterística considerada favorável, o controlador disponibiliza a permanência do sinal digital em toda a extensão de sua trajetória, iniciando no processador e atingindo o sistema controlado sem necessidade de conversão do sinal projetado para analógico. Com a permanência do sinal digital, os ruídos são reduzidos, pois em sistemas digitais a ocorrência de um ruído sequer pode afetar expressivamente o sistema, podendo alterar sua configuração binária de zero para um ou vice-versa, afetando a atividade do procedimento [5]. Além de um controlador de carga nesse projeto é necessário o implemento de um dispositivo de acionamento da carga a ser posicionada no sistema, que será realizado por meio de um circuito eletrônico.
O circuito eletrônico pode ser descrito como um conjunto de componentes ou elementos, como transistores, diodos, resistores, capacitores, entre outros materiais, formados e interligados simultaneamente, que constitui um único dispositivo que realiza o objetivo principal. O circuito a ser desenvolvido prevê o uso de comunicação sem fio (wireless), utilizando a modulação e demodulação chaveada [6].
A modulação ASK ou Amplitude Shift Keying do inglês, utiliza um modulador no qual a variação da amplitude do sinal modulado indica o código da informação transmitida [7].
Entre as principais características da modulação por chaveamento de amplitude estão, a facilidade por modular e demodular, a pequena largura de faixa e a baixa imunidade a ruídos [7].
A modulação por chaveamento de amplitude é recomendada em situações com poucos ruídos para interferir na recepção do sinal ou quando a opção é um custo menor.
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Por causa desses casos a modulação ASK é usada em diversas aplicações como transmissão via fibras ópticas, aplicações que não possuem ruídos para interferência do sinal, transmissão de dados via infravermelho, como realizados em dispositivos como calculadoras, em controle remotos por meio de radiofrequência, como os usados para ligar e desligar alarmes, ou abrir portões [7].
Cada circuito modulador (transmissor) utilizará um circuito demodulador (receptor) correspondente, nesse caso pela alteração da amplitude [7]. O circuito demodulador será responsável por receber o sinal do modulador e transmitir para carga, de modo a acioná-la, essa carga será simulada por meio de um motor elétrico, que será responsável pelo movimento do portão eletrônico.
Os motores elétricos são um dos principais componentes da economia comercial e industrial há mais de cem anos. A maioria das máquinas utilizadas na indústria tem seu acionamento feito por motores elétricos. Geralmente a classificação de motores é feita a partir do tipo de alimentação utilizada (CC ou CA) e o motivo de operação [8].
As aplicações industriais que necessitam de uma melhoria na variação de velocidade-torque geralmente utilizam de motores de corrente contínua, pois esse equipamento permite uma variação maior em comparação ao uso de motores CA. Os motores em CC possuem uma velocidade que pode ser regulada suavemente até zero, sendo possível a inversão de sentido do motor logo após de atingir seu estado zero.
Motores em corrente contínua tem a capacidade de fornecer cinco vezes mais que o torque nominal sem interromper seu uso [8].
2. METODOLOGIA
O critério para elaboração do protótipo foi baseado em desenvolver um circuito com comunicação via radiofrequência (RF) para validação experimental de uma carga para um sistema fotovoltaico autônomo, no qual foi fundamentado o acionamento de um portão eletrônico de modo a abastecer uma aplicação de maneira independente do sistema elétrico convencional brasileiro. O protótipo inicialmente foi projetado seguindo a base de estudos presentes em artigos publicados anteriormente sobre o assunto, em que se torna notório um modelo comum adotado para aplicações fotovoltaicas autônomas. Esse modelo definido como padrão nos trabalhos pesquisados é demonstrado na Figura 1.
Revista Técnico-Científica do CREA-PR-ISSN 2358-5420-Edição Especial – Novembro de 2018 - página 8 de 20 Figura 1 – Fluxograma de um sistema fotovoltaico autônomo genérico para acionamento de um
portão eletrônico.
Controlador de Carga
Painel Solar
Corrente
Contínua Quadro
Elétrico Circuito Eletrônico
Dispositivo de Acionamento
do Portão Corrente
Alternada
Motor CA Inversor de
Corrente Acumulador
de Energia
2.1 CIRCUITO DE COMUNICAÇÃO VIA RADIOFREQUÊNCIA
Para possibilitar a comunicação entre dois dispositivos a distância foi necessário a implementação de um circuito com capacidade de transmitir sinais via radiofrequência. Com esse circuito aplicado é possível estabelecer uma conexão entre ambas as extremidades a partir de um pulso realizado por um equipamento remoto, acionando o dispositivo principal do sistema, nesse caso responsável pela atuação do portão eletrônico. A premissa para o desenvolvimento do circuito foi elaborada através dos diagramas presentes nas Figuras 2 e 3.
Figura 2 – Circuito responsável pela transmissão de RF.
A comunicação via RF é realizada a partir da troca de informação realizada apor meio de dois circuitos distintos. O circuito transmissor é responsável por gerar um sinal
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modulado em formato de uma onda de rádio, criptografada para somente ser receptada pelo dispositivo correspondente. Esse equipamento é denominado receptor de radiofrequência, uma ferramenta que deve possuir em sua composição a mesma criptografia presente no mecanismo responsável por transmitir a informação, porém diferente do citado anteriormente a característica principal deste instrumento é captar o sinal e fazer sua demodulação, de modo a concluir a operação fundamental do sistema proposto que é acionar o motor elétrico para a abertura e fechamento do portão.
Figura 3 – Circuito responsável pela recepção do sinal emitido.
RL
2.2 DIMENSIONAMENTO DO PAINEL FOTOVOLTAICO E CAPTAÇÃO DE ENERGIA A capacidade de geração de energia elétrica de um painel fotovoltaico é usada para estabelecer a quantidade de módulos necessários com finalidade de atender os requisitos do sistema escolhido. O cálculo para determinar a quantidade de placas necessária para atender a demanda de energia é dado a partir do uso da Equação (1):
P C
P
E
N = E
Em que o número de módulos utilizados no sistema é dado por NP,a energia utilizada pelo procedimento é dada a partir da variável EC, medido em watt-hora. A energia produzida diariamente por uma placa corresponde a variante EP, também calculada em watt-hora.
(1)
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2.3 MOTOR PARA ACIONAMENTO DO PORTÃO ELETRÔNICO
Para dimensionar o motor elétrico responsável pelo acionamento do portão eletrônico é necessário analisar algumas informações, tais como, a fonte de alimentação, a corrente adotada para o abastecimento do motor e a potência necessária para que o motor possa movimentar o portão. Nas configurações padrão adotadas para residências em todo Brasil é empregue a utilização de corrente alternada e motores com capacidade média de 0,19 kW (quilowatt).
Entretanto a metodologia aplicada foi baseada em um motor acionado diretamente pelo formato de energia captada na geração, usando como equipamento para acionamento do portão eletrônico, um motor com alimentação em corrente contínua, não sendo necessário efetuar a conversão da corrente captada pelo painel fotovoltaico.
2.4 ACUMULADOR DE ENERGIA
A princípio é necessário dimensionar a quantidade de energia a ser armazenada para que o banco de baterias possa atender a demanda do sistema quando a geração não for possível.
Essa dimensão depende da energia consumida e do nível de descarga aceito pelos acumuladores de energia. A energia consumida é essencial para um sistema fotovoltaico autônomo. No entanto com a energia conservada exibida na unidade de medida watt-hora é indispensável identificar a tensão trabalho dos acumuladores de energia, com opções em torno de 12 V, 24 V, e 48 V em corrente contínua. Os acumuladores de energia possuem a opções de aplicação em série e paralelo, para aumento respectivamente, de tensão e corrente do circuito.
Com os resultados sobre a energia e tensão de operação é possível definir a capacidade de carga, medida em ampère-hora referente ao conjunto de baterias, que possibilita determinar a quantidade de baterias em paralelo necessárias para o sistema.
Todavia o número de baterias em série é determinado a partir da aplicação da Equação (2):
bat b
S
V
N = V
Em que, NS refere-se ao número de baterias conectadas em série, Vb é a tensão necessária no banco de baterias [V], e Vbat é o valor tensão da bateria utilizada [V].
(2)
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A capacidade de carga dos acumuladores de energia é definida pelo resultado obtido através do uso da Equação (3):
b A
c
V
C = E
Em que, Cc é a capacidade de carga referente ao acumulador de energia, medido em ampère-hora, EA refere-se a energia registrada nas baterias [Wh] e Vb, a tensão presente no banco de baterias [V].
No qual, EA é responsável pela energia posicionada no banco de baterias medida em watt-hora [Wh], a EC refere-se a Energia consumida [Wh] e ND o percentual do Nível de descarga permitido [%].
Para estabelecer o número de associações de acumuladores a ser conectados em paralelo é indispensável conhecer os modelos de baterias instituídos. A forma de levantamento do número de baterias depende especificamente da capacidade total do banco, ou seja, é recomendável utilização de acumuladores com rendimento aproximado ao rendimento total presente nos bancos de baterias.
O cálculo para estabelecer a quantidade de baterias associadas em paralelo é
No qual, NP é relacionado ao número de associações em paralelo, Cb é responsável pela capacidade de carga referente ao acumulador de energia, medido em ampère-hora e Cbat remete a capacidade individual de cada bateria, também medido em ampère-hora.
(3)
(4)
(5)
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2.4 DIMENSIONAMENTO DO CONTROLADOR DE CARGA
O controlador de carga deve ser analisado de forma especifica para atender os requisitos necessários de cada sistema fotovoltaico, a partir de sua necessidade de operação. O método de estudo para implementação de um controlador de carga se baseia na espécie do sistema fotovoltaico implementado e qual a tensão de operação e a corrente de
O controlador de carga deve ser analisado de forma especifica para atender os requisitos necessários de cada sistema fotovoltaico, a partir de sua necessidade de operação. O método de estudo para implementação de um controlador de carga se baseia na espécie do sistema fotovoltaico implementado e qual a tensão de operação e a corrente de