XIV SIMPÓSIO INTERNACIONAL DE CIÊNCIAS INTEGRADAS DA UNAERP CAMPUS GUARUJÁ. Necessidades Energéticas e Consequências Ambientais

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XIV SIMPÓSIO INTERNACIONAL DE CIÊNCIAS INTEGRADAS

DA UNAERP CAMPUS GUARUJÁ

Necessidades Energéticas e Consequências Ambientais

Carregador de Dispositivos Eletrônicos.

Humberto de Souza Silva hssilva@unaerp.br

Universidade de Ribeirão Preto - UNAERP Campus

David Ferreira de Melo bavidfmelo95@gmail.com

Bruno Ferreira de Melo bruno.melo.944@gmail.com

William Alberto

willian.alberto856@gmail.com

Evandro Cabral evandrorh5@hotmail.com

Wesley Oliveira w.oliveira85@hotmail.com

Este simpósio tem o apoio da Fundação Fernando Eduardo Lee

Guarujá SP

2017

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2 RESUMO

Este trabalho tem como base o desenvolvimento de um disposítivo que simula uma pequena usina geradora de energia elétrica utilizando o Sol como fonte de energia. Para tal, foi necessário explanar sobre conceitos de geração de energia de maneira convêncional, circuitos eletrônicos e sofware expecíficos como Protheus e etc. O protótipo tem como principal função utilizar energia proveniente dos raios ultra-violetas convertendo-os em energia elétrica para carregar equipamentos eletrônicos.

SUMMARY

This work is based on the development of a device that simulates a small power plant using the Sun as an energy source. For this, it was necessary to explain about concepts of power generation in a conventional way, electronic circuits and specific software like Protheus and etc. The main function of the prototype is to use energy from ultraviolet rays converting them into electric energy to charge electronic equipment.

1. Introdução

Os avanços tecnológicos do campo de geração de energia obtida a partir de fontes renováveis e habilidades em eletrônica básica obtidas ao longo da formação profissional, nos permitiu o desenvolvimento do projeto do carregador portátil fotovoltaico, buscando meios alternativos de gerar e transportar energia para qualquer lugar, sem custos e de fácil acesso.

2. Objetivo geral

Estudo e elaboração de equipamentos capaz de trabalhar com energia fotovoltaica, produzindo energia elétrica com facilidade e acessibilidade, possibilitando carregar equipamentos eletrônicos.

2.1 - Objetivo específicos.

 Estudo e compreensão do processo geração de energia;  Aplicação de habilidades em eletrônica básica;

 Estudo de novas fontes de energias renováveis;  Estudo sobre baterias em geral;

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2.2 – Justificativa.

O tema é voltado inteiramente as fontes de energia renováveis, afim de prorporcionar benefícios para comunidade, o estudo das fontes de energia renováveis é de grande importância para formação acadêmica e vida profissional.

Além disso, ele oferece mobilidade devido a fácil utilização, sendo necessário apenas um ambiente com incidência de sol.

Este projéto tem um vasto campo de aplicação, podendo ser explorado e abordado com mais profundidade em outros trabalhos.

O campo das energias renovavéis será futuramente uma grande ferramenta, com enormes benefícios para a sociedade em termos de avançõs tecnológicos, empregos e sustentabilidade.

3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Este projeto envolve alguns conceitos que devem ser compreendidos para total entendimento do funcionamento do sistema tais como: geração de energia solar, funcionameto das placas, eletrônica básica (circuitos eletrônicos).

3.1. HISTÓRIA ENERGIA FOTOVOLTAICA

Em 1839, Edmond Becquerel observou que placas metálicas, de platina ou prata, quando mergulhadas em um eletrólito e expostas à luz produziam uma pequena diferença de potencial, este fenômeno foi denominado de efeito fotovoltaico. Em 1884, Charles Fritts produziu a primeira célula fotovoltaica usando selênio, a característica de fotocondutividade deste material foi descoberta por Smith em 1873.

A eficiência da célula de selênio não chegava a 1%, mas com a evolução científica do início do século XX, principalmente a explicação do efeito fotoelétrico por Albert Einstein em 1905, a mecânica quântica com a teoria das bandas de energia, física dos semicondutores com os processos de purificação e dopagem aplicadas aos transmissores, em 1954 foi anunciada a primeira célula fotovoltaica usando silício (com eficiência de 6%), desenvolvida pelos pesquisadores Calvin Fuller (químico), Gerald Pearson (físico) e Daryl Chapin (engenheiro), todos do laboratório da Bell em Murray Hill, Nem Jersey, nos Estados Unidos da América.

A primeira célula solar moderna foi apresentada em 1954. Tinha apenas dois centímetros quadrados de área e uma eficiência de 6%, gerando 5 mW de potência elétrica. Cinqüenta anos depois, em 2004, foram produzidos cerca de mil milhões de células, com eficiências da ordem dos 24,7%, alcançando a capacidade instalada mundial de energia solar superior a 8,2 GW em 2008, cerca de 57% da capacidade instalada de Itaipu. Os principais países produtores, curiosamente, estão situados em latitudes médias e altas. O maior produtor mundial é a

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Alemanha (com 3,86 GW instalados), seguido do Japão (com 1,91 GW) e Estados Unidos (830 MW).

Células solares com configurações mais complexas, as chamadas células em cascata (ou tandem) que consistem na sobreposição de várias células semicondutoras, cada uma otimizada para um dado comprimento de onda da radiação, permitem atingir rendimentos de conversão superiores a 34%.

Em 2007 pesquisadores da Universidade de Delaware, Estados Unidos, conseguiram bater o recorde de eficiência energética das células solares cristalinas, atingindo um rendimento de 42,8% de conversão sob condições normais de iluminação. As células solares cristalinas são o tipo mais tradicional de célula fotovoltaica, sendo fabricadas de silício, o mesmo material com que são feitos os chips de computador. A European Photovoltaic Industry Association (EPIA) publicou um roteiro que avança as perspectivas da indústria fotovoltaica para as próximas décadas. Prevendo um crescimento do mercado semelhante ao dos últimos anos (superior a 30% por ano) e uma redução nos custos proporcional ao crescimento de painéis instalados, a EPIA antecipa que em 2020 cerca de 1% da eletricidade consumida mundialmente será de origem fotovoltaica, elevando-se essa fração para cerca de 26% em 2040. De acordo com um estudo publicado pelo Conselho Mundial da Energia, em 2100, 70% da energia consumida será de origem solar. Ainda segundo o mesmo relatório publicado pela EPIA, do ponto de vista tecnológico a ênfase será dada à redução de custos através da redução da matéria-prima (silício) utilizada por unidade de potência instalada, usando células mais finas ou produzidas diretamente em fita. Destaque-se ainda o desenvolvimento de novas técnicas de soldadura dos contatos elétricos.

3.2. GERAÇÃO DE ENERGIA SOLAR

Os sistemas fotovoltaicos são capazes de gerar energia elétrica através das chamadas células fotovoltaicas. As células fotovoltaicas são feitas de materiais capazes de transformar a radiação solar diretamente em energia elétrica através do chamado “efeito fotovoltaico”. Hoje, o material mais difundido para este uso é o silício.

O efeito fotovoltaico acontece quando a luz solar, através de seus fótons, é absorvida pela célula fotovoltaica. A energia dos fótons da luz é transferida para os elétrons que então ganham a capacidade de movimentar-se. O movimento dos elétrons, por sua vez, gera a corrente elétrica. As células fotovoltaicas podem ser dispostas de diversas formas, sendo a mais utilizada a montagem de painéis solares ou módulos solares.

3.3. COMPONENTES

Placas solares de silicio amorfo – 5 Volts / 100mAh CI7805

CI555

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Push buttons

LED amarelo LED verde LED vermelho Relé 12 Volts/ 10A Trimpots 10KΩ Resistores de 1KΩ Resistores de 330Ω Resistores de 150 Ω Resistores de 100Ω MOSFET IRF540 Capacitores de 0,33uF / 35V Capacitores de 0,1 uF / 35V Capacitores de 100uF / 50V Saída USB 2.0 Chave H de 3 posições

Bateria recarregavel 9V / 450mAh

4. METODOLOGIA

Inicialmente foi realizada uma pesquisa sobre geração de energia solar (efeito fotovoltaico), com base na pesquisa decidimos elaborar um equipamentos capaz de armazenar e utilizar a energia captada alimentando equipamentos eletrônicos, com fóco em aparelhos que contem 5 V na em sua entrada. Pensando nisso utilzamos 4 placas sílicio amorfo de 5V construímos o circuito controlador de carga responsável por, primariamente controlar a carga na bateria, controlar o nível de funcionamento e fazer a manutenção da bateria. E o circuito regulador de tensão é responsável por regular a tensão de saída para 5 Volts.

4.1. PLACAS SOLARES

Figura 1 placas fotovoltaicas silício amorfo. Solar China 2015

As placas de sílicio amorfo apresentam um alto grau de desordem em sua estrutura molecular, porem tem alto potêncial de absorção de fotons e na relação custo benefício mostra-se mais viavel do que outros tipos, pois tem mostra-seu custo não é tão elevado. Sua única devantagem se da pelo tempo de vida útil, inferior as placas de silício amorfo (figura 1).

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A placa utilizada tem capacidade 5 V / 100mAh, logo sua potência é de 500mWh, também foi feita uma associação em série com um diodo (1N4001 ou simílar), para evitar a situação onde as placas tenham tensão menor que a bateria, acabando por desgasta-lá da bateria ao invés de carrega-la.

4.2. BATERIA

Figura 2 Bateria recarregável NiMH

A bateria adota foi este modelo de NiMH (Níquel metal hidreto) com 9V/ 450 mAh potência de 4.05Wh (figura 2), recarregável possibilitando a carga e descarga em seus terminais, A bateria de níquel metal hidreto tem uma alta densidade de energia se comparada com as baterias NiCd. Porém seu ciclo de vida é ligeiramente inferior ao das baterias NiCd. As aplicações principais dessas baterias são telefones celulares, câmeras digitais e notebooks. O sucesso das baterias NiMH tem sido dirigido por sua alta densidade de energia e pelo uso de metais não tóxicos. As modernas baterias de NiMH oferecem até 100% a mais de densidade de energia em comparação com as baterias de NiCd. Tanto as baterias NiCd como as baterias NiMH têm uma alta taxa de autodescarga.

4.3. CIRCUITO CONTROLADOR DE CARGA

Figura 3 Layot do circuito montado para o controlador de carga, Prometheus 2015

O circuito controlador de carga tem como seu príncipal componente o CI 555, responsável por fazer o chaveamento do relé realizando a carga ou descarga da bateria (figura 4).

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Figura 4 Circuito do controlador de carga, Prometheus 2015.

Dois trimposts estão conectados no circuito, cada em um pino do CI 555. O trimpot conectado no pino 2 é utilizado para ajustar a tensão mínima (por volta de 7V) que a bateria pode ter e o circuito começar a recarga, e o trimpot conectado no pino 6 é responsavel por estabelecer o nível máximo (em torno de 9V) onde o circuito corta a alimentação da bateria. Além dos ajustes dos trimpots é possivel alternar o estado utilizando os push-buttons desde que a bateria esteja no nível de funcionamento estabelecido de 7V à 9V.

4.4. REGULADOR DE TENSÃO

Tem como princípal componente o CI 7805, a família 78 tem é composta por reguladores de tensão seus dois ultimos algarismos indicam o nível de tensão de sáida. Logo o nível de tensão de saída é 5V / 1A, portanto 5 W de potência.

Figura 5 circuito regulador de tensão (circuito do carregador), Prometheus 2015.

4.5. SEGURANÇA

De acordo com a necessídade do equipamento e, com a Norma Regulamentadora NR10, para seu correto funcionamento é necessária extra baixa tensão, tensão não superior a 50 volts em corrente alternada ou, 120 em corrente contínua, entre fases ou entre fase e terra.

Em sua entrada contem quatro placas de sílico amorfo de 5v cada, associadas em série totalizando o valor de 20 V, as placas ficam responsavéis por alimentar uma bateria recarregavel

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de 9V com capacidade de fornecimento de 450mAh. Esta corrente passa pelo circuito regulador de carga (figura 4), que é responsável pela quantidade de corrente que chega a entrada do equipamento a ser carregado, neste caso o objeto em questão celular. A carga é regulada através do CI 7805 que fornece uma saída de 5v sob uma corrente de 1ª (figura 5). Com relação ao sinal de carregamento, é controlado por um relé que faz a comutação da posição de carregando para carregado. Esta regulagem é feita através de Trimpots regulados de 7V a 9V. Quando a carga na bateria interna vai se desgastando e sua tensão diminuindo conforme o consumo, chegando a 7V é ativado a sinalização com LED amarelo, sendo feita a comutação pelo disparador CI 555 do estado de carregado para carregando ativando a sinalização com LED vermelho, até sua capacidade máxima de 9V da bateria interna.

Este equipamento é de simples manuseio, náo sendo necessario o uso de EPI (equipamento de proteção individual), a seguir será mostrado alguns cuidados na execução da manutenção.

Cuidados na manutenção:

 Não manusear com mãos molhadas ou úmidas;  Não estar com pés descalços em contato com chão;  Não guardar equipamento em locais úmidos e fechados;

 O descarte da bateria interna deve ser feito em lixeiras de lixo eletrônico.

5. RESULTADOS OBTIDOS

Conseguimos realizar a construção de um protótipo. O projeto se assemelha a um sistema de geração de energia fotovoltaico normal, só que em escala reduzida, o aprendizado sobre geração fotovoltaica adquirido durante a execução pode ser aplicado em sistemas de micro geração e contribuir para que futuramente possa ser implementado em diversas área de aplicação.

6. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Este projeto apresentou o desenvolvimento de um protótipo capaz de captar energia solar (efeito fotovoltaico), desde o conceito até a finalização do protótipo. Este projeto traz benefícios da energia solar tornando possível a concepção de um sistema de fornecimento de energia limpa e renovável.

O protótipo desenvolvido mostrou seu desempenho de forma satisfatória nos ensaios. Os ensaios realizados mostraram um bom desempenho, mas também mostraram muito espaço para melhorias futuras.

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Karasinski. Como fazer um carregador solar para o seu celular, disponível em:<http://www.tecmundo.com.br/energia-solar>,acessado em 27/09/2014.

Michael Davis. A New & Improved Charge Controller Based on the 555 Chip, disponível em:<http://www.mdpub.com/555Controller/>, acessado em 14/02/20015.

George Cruz. Bateria recarregável e como uma bateria recarregável funciona, disponível em:< https://cienciasetecnologia.com/bateria-recarregavel-funcionamento/>, acessado em 14/02/2015.

All datasheet. LM 555 Datasheet, disponível em: <http://html.alldatasheet.com/html-pdf/8979/NSC/LM555/36/1/LM555.html>, acessado em 20/03/2015

All datasheet. 7805 Datasheet, disponível em: <http://html.alldatasheet.com/html-pdf/69437/KEC/7805/43/1/7805.html>, acessado em 20/03/2015

Portal Solar. Escolhendo o painel fotovoltaico, disponível

em:<http://www.portalsolar.com.br/escolhendo-o-painel-fotovoltaico--10-coisas-para-saber.html>, acessado em 14/02/2015

Dig Key. IRF540 datasheet, disponível