Gabriel Duarte Meceneiro
Desenvolvimento de um Sistema para Rastreamento
Solar
Desenvolvimento de um Sistema para Rastreamento Solar
Dissertação apresentada à Faculdade de Tecnologia da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Tecnologia, na área de Sistemas de informação e Comunicação.
Orientadora: Profa. Dra. Talía Simões dos Santos Ximenes
Este exemplar corresponde à versão final da Dissertação defendida por Gabriel Duarte Meceneiro e orientada pela Profa. Dra. Talía Simões dos Santos Ximenes.
Ficha catalográfica
Universidade Estadual de Campinas Biblioteca da Faculdade de Tecnologia
Felipe de Souza Bueno - CRB 8/8577
Meceneiro, Gabriel Duarte,
M464d MecDesenvolvimento de um sistema para rastreamento solar / Gabriel Duarte Meceneiro. – Limeira, SP : [s.n.], 2018.
MecOrientador: Talía Simões dos Santos Ximenes.
MecDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Tecnologia.
Mec1. Banco de dados. 2. Microcontroladores. 3. Monitoramento web. 4. Painéis solares. 5. Sistemas de rastreamento solar. I. Santos, Talía Simões dos, 1980-. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Tecnologia. III. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Development of a solar tracking system Palavras-chave em inglês:
Databases Microcontrollers Web monitoring Solar panels
Solar tracking systems
Área de concentração: Sistemas de Informação e Comunicação Titulação: Mestre em Tecnologia
Banca examinadora:
Talía Simões dos Santos Ximenes [Orientador] Tatiana de Figueiredo Pereira Alves Taveira Pazelli Francisco José Arnold
Data de defesa: 27-03-2018
Programa de Pós-Graduação: Tecnologia
Gabriel Duarte Meceneiro
Desenvolvimento de um Sistema para Rastreamento Solar
Banca Examinadora:
• Dra. Talía Simões dos Santos Ximenes FT/UNICAMP
• Dra. Tatiana de Figueiredo Pereira Alves Taveira Pazelli UFScar
• Dr. Francisco José Arnold FT/UNICAMP
A ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros da banca encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.
Quando penso nestes dois anos de mestrado, vejo que foi uma jornada de imenso apren-dizado e muitos desafios. Durante esse período tive a oportunidade de conhecer muitas pessoas, com variadas personalidades. Algumas (poucas) tornaram-se amigos para toda a vida, outras tornaram-se colegas de trabalho, e muitos outros passaram pela minha vida deixando um pouquinho da sua sabedoria e experiência profissional. Por isso gostaria de agradecer humildemente a essas pessoas extremamente importantes no meu crescimento profissional.
Agradeço aos meus pais Nilton Meceneiro e Regina Duarte pelo total apoio. Aos meus irmãos Giovani Duarte Meceneiro e Fábio Duarte Meceneiro, pelo carinho de sempre. Ao meu amor Simone Lemes, que sempre esteve presente e me apoiando em tudo durante a fase acadêmica principalmente no apoio emocional que precisei pra terminar este trabalho. Agradeço ao meu primo Gustavo Lemes que sempre esteve disposto a ajudar no projeto passamos algumas madrugadas na faculdade para construir partes do protótipo. Ao meu grande amigo Vinicius Fantuchi que sempre contribuiu em todas as horas na fase da montagem. Ao Estevão que montou e soldou toda a estrutura metálica de bom coração sem custo, mesmo não me conhecendo.
Agradeço a equipe técnica de informática (Wander, Ricardo) por fornecer os recur-sos necessários para o projeto Agradeço a equipe técnica de Telecomunicações (Rodrigo Ximenes, João Viana) por contribuírem com conhecimentos práticos.
Sou grato a minha orientadora Talia Simões dos Santos Ximenes pela confiança e oportunidade de desenvolver este trabalho.
A todo grupo LabSE pela parceria de trabalho.
Agradeço à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – CAPES tanto pelo apoio financeiro quanto pelo incentivo acadêmico para que este trabalho pudesse ser realizado. Ao Laboratório de Sistemas da Faculdade de Tecnologia da Unicamp – LabSE, local onde todo o projeto foi desenvolvido.
Hoje o interesse em explorar a utilização de radiação solar vem adquirindo grandes propor-ções, abrangendo o aproveitamento da radiação como fonte de energia limpa e renovável. O Brasil apresenta grande potencial de energia solar em quase todo seu território durante o ano, tal característica contribui para o uso de sistemas de rastreamento solar com o intuito de aumentar a eficiência na captação de energia solar. Porém, a implementação de tal sistema apresenta custo elevado em território brasileiro. Considerando isso o presente trabalho teve como objetivo desenvolver um sistema elétrico mecânico com correção au-tomática de ângulo dos painéis solares para otimização da captação de energia, acoplado ao um sistema de monitoramento com acesso remoto. Foi construído um rastreador solar ativo, que se orienta em direção ao Sol com o intuito de obter maior eficiência energé-tica. Para isso, foram utilizados três painéis solares simples. Sendo um painel fixo (P1), o outro painel com rotação de apenas um eixo (P2), e o último com rotação em dois eixos (P3). Os painéis P2 e P3 foram conectados a um sistema de controle embarcado que movimentava os painéis por temporizador. Os dados coletados foram enviados, em tempo real, para um servidor que os armazenou para posteriores análises. O sistema de rastreamento solar funcionou em um período de 9 meses, contemplando as 4 estações do ano (final do inverno, primavera, verão e início de outono). Concluiu-se com o presente projeto que é possível otimizar a captação energética por placas fotovoltaicas com sistema de rastreamento solar, obtendo eficiência energética de aproximadamente 60% superior aos painéis fixos convencionais. Esse incremento na eficiência energética do painel móvel de dois eixos (P3) é resultado do aumento do tempo de captação energética ao longo do dia, uma vez que tal painel apresentou alta captação solar desde o nascer até o pôr-do-sol. Palavras-chave: Banco de dados, microcontrolador, monitoramento web, painel solar, rastreamento solar.
Today the interest in exploring the use of solar radiation has acquired great proportions, including the use of radiation as a source of clean and renewable energy. Brazil has great potential for solar energy in almost all its territory during the year, this characteristic contributes to the use of solar tracking systems in order to increase the efficiency in the capture of solar energy. However, the implementation of such a system has a high cost in Brazil. Considering this the present work had as objective to develop a mechanical electrical system with automatic correction of angle of the solar panels for optimization of the power capture, coupled to a monitoring system with remote access. An active solar tracker has been built, which is oriented towards the Sun in order to obtain greater energy efficiency. For this, three simple solar panels were used. Being a fixed panel (P1), the other panel with one axis rotation (P2), and the other with two axis rotation (P3). Panels P2 and P3 were connected to an embedded control system that moved the panels by timer. The collected data was sent in real time to a server that stored it for further analysis. The solar tracking system operated over a period of 9 months, covering the 4 seasons of the year (late winter, spring, summer and early fall). It was concluded with the present project that it is possible to optimize the energy uptake by photovoltaic panels with solar tracking system, obtaining energy efficiency of approximately 60% higher than conventional fixed panels. This increase in the energy efficiency of the two-axis mobile panel (P3) is a result of the increase in the energy capture time throughout the day, since this panel showed high solar pickup from sunrise to sunset.
2.1 Movimento da Terra ao redor do Sol. . . 19
2.2 Declinação Solar. . . 20
2.3 Variação anual da equação do tempo. . . 21
2.4 (a) Primeiro painel solar comercial – 1954; (b) Primeiro módulo instalado em um poste – 1955 . . . 23
2.5 Primeiro satélite com energia solar (Vanguard 1 - 1958). . . 24
2.6 Solar impulse II. . . 24
2.7 Dopagem do material do tipo P e do tipo N. . . 25
2.8 Material fundido do tipo N e do tipo P. . . 25
2.9 Esquema painel solar. . . 27
2.10 Evolução de pesquisa em desempenho de painéis fotovoltaicos. . . 28
2.11 Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica. . . 29
2.12 Representação de um sistema de rastreamento passivo. . . 31
2.13 (a) Painel solar com rotação polar (b) e Rotação horizontal. . . 32
2.14 Painel solar com duas rotações. . . 33
3.1 Esquemático do projeto. . . 34
3.2 (a) Desenho do protótipo com vista lateral; (b) e vista superior. . . 35
3.3 Projeto montado com legenda. . . 36
3.4 Esquema para leitura de tensão em um painel solar. . . 38
3.5 Curva característica do resistor de precisão. . . 39
3.6 Sensor de corrente. . . 40
3.7 Sensor de temperatura. . . 40
3.8 Sensor acelerômetro MPU-6050. . . 41
3.9 Gráfico de simulação rotação em X. . . 43
3.10 Gráfico de simulação rotação em Y. . . 43
3.11 Módulo ponte H. . . 44
3.12 Funcionamento da ponte H. . . 45
3.13 Módulo Real time clock (RTC) . . . 45
3.14 Curva característica do sensor UV adaptado. . . 46
3.15 Índice de UVI e suas proteções necessárias. . . 47
3.16 Diagrama em bloco da aquisição de dados dos sensores. . . 47
3.17 Diagrama em bloco do sistema de controle do mecanismo. . . 49
3.18 Motor de grua de baixa rotação. . . 49
3.19 Diagrama de bloco do sistema. . . 53
3.20 Fluxograma da programação. . . 54
4.1 Protótipo desenvolvido. . . 56
4.5 Índice de UV do dia 22 de outubro de 2016. . . 59 4.6 Índice de ultravioleta ao meio-dia. . . 60 4.7 Dia com alto número de UVI. . . 60 4.8 (a) Gráfico de sol ao longo do dia; (b) Gráfico de área sob curva e tabela
de temperatura e UVI em 01 de gosto 2017. . . 61 4.9 (a) Gráfico de sol ao longo do dia; (b) Gráfico de área sob curva e tabela
de temperatura e UVI em 03 de setembro 2017. . . 62 4.10 (a) Gráfico de sol ao longo do dia; (b) gráfico de área sob curva e tabela de
temperatura e UVI em 06 de outubro de 2017. . . 63 4.11 .(a) Gráfico de sol ao longo do dia; (b) Gráfico de área sob curva e tabela
de temperatura e UVI em 28 de novembro de 2017. . . 64 4.12 (a) Gráfico de sol ao longo do dia; (b) gráfico de área sob curva e tabela de
temperatura e UVI em 24 de dezembro de 2017. . . 65 4.13 (a) Gráfico de sol ao longo do dia; (b) gráfico de área sob curva e tabela de
temperatura e UVI em 18 de janeiro de 2018. . . 65 4.14 (a) Gráfico de sol ao longo do dia; (b) gráfico de área sob curva e tabela de
temperatura e UVI em 05 de fevereiro de 2018. . . 66 4.15 (a) Gráfico de sol ao longo do dia; (b) gráfico de área sob curva e tabela de
temperatura e UVI em 27 de março de 2018. . . 67 4.16 (a) Gráfico de sol ao longo do dia; (b) gráfico de área sob curva e tabela de
temperatura e UVI em 12 de abril de 2018. . . 67 4.17 . Gráfico de eficiência energética (%) dos painéis fixo e móveis. . . 68
3.1 Especificações técnicas do painel solar. . . 37
3.2 Características Térmicas do Painel. . . 37
3.3 Ligação dos pinos no microcontrolador . . . 48
3.4 Especificações técnicas do motor-redutor. . . 50
3.5 Ângulo X Hora do dia . . . 52
3.6 Custo global do projeto . . . 55
Lista de Figuras 8 Lista de Tabelas 10 Sumário 11 1 INTRODUÇÃO 13 1.1 ÍNDICE DE ULTRAVIOLETA . . . 14 1.2 OBJETIVOS . . . 16 1.2.1 OBJETIVO GERAL . . . 16 1.2.2 OBJETIVO ESPECÍFICO . . . 16 1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO . . . 16 2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS 18 2.1 RADIAÇÃO SOLAR . . . 18 2.1.1 O SOL . . . 18
2.1.2 GEOMETRIA SOL TERRA . . . 19
2.1.3 HORA SOLAR VERDADEIRA . . . 20
2.2 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS . . . 22
2.2.1 HISTÓRICO . . . 22
2.2.2 O EFEITO FOTOVOLTAICO . . . 25
2.2.3 TIPOS DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS . . . 26
2.2.4 MODELO MATEMÁTICO SIMPLIFICADO DE CÉLULA FOTO-VOLTAICA . . . 29 2.3 RASTREAMENTO SOLAR . . . 30 2.3.1 RASTREAMENTO PASSIVO . . . 30 2.3.2 RASTREAMENTO ATIVO . . . 32 3 MATERIAIS E MÉTODOS 34 3.1 MECANISMO DE FUNCIONAMENTO . . . 35 3.2 COMPONENTES ELETRÔNICOS . . . 36 3.2.1 PAINEL SOLAR . . . 36
3.2.2 AQUISIÇÃO DE DADOS (TENSÃO E CORRENTE) . . . 38
3.2.3 SENSOR TEMPERATURA . . . 40 3.2.4 SENSOR ACELERÔMETRO . . . 41 3.2.5 FILTRO COMPLEMENTAR . . . 42 3.2.6 DRIVE MOTOR . . . 44 3.2.7 MÓDULO RTC . . . 45 3.3 SENSOR ULTRAVIOLETA . . . 46
3.5.1 PAINEL FIXO . . . 50
3.5.2 PAINEL MÓVEL . . . 51
3.6 COMUNICAÇÃO COM SERVIDOR E SOFTWARES . . . 53
3.6.1 CUSTO TOTAL DO PROJETO . . . 55
3.6.2 ANÁLISES DE DADOS . . . 55
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES 56 4.1 MONITORAMENTO DE UVI . . . 59
4.2 EFICIÊNCIA DO RASTREAMENTO SOLAR . . . 61
5 CONCLUSÃO 69 5.1 TRABALHOS FUTUROS . . . 70 Referências Bibliográficas 71 A Primeiro Apêndice 77 B Segundo Apêndice 78 C Terceiro Apêndice 80
Capítulo 1
INTRODUÇÃO
Diversos países estão investindo de forma intensiva em fontes renováveis de energia, in-cluindo as energias: solar, térmica e fotovoltaica. São investigadas as características do fluxo de radiação solar que chega à Terra, assim como a tecnologia necessária para viabi-lizar, em termos técnicos e econômicos, o aproveitamento dessa energia.
Por razões econômicas, principalmente após a crise do petróleo de 1973, houve o interesse pela utilização da radiação solar como fonte de energia alternativa, que cresceu nas últimas décadas. Hoje, o interesse em explorar a utilização de radiação solar vem adquirindo grandes proporções, abrangendo o aproveitamento da radiação como fonte de energia limpa e renovável [1].
O Brasil apresenta grande potencial de energia solar em quase todo seu território durante o ano, inclusive no inverno, período em que a insolação sofre uma pequena redução quando comparada com países de clima temperado [2, 3].
Pode-se afirmar que, em longo prazo, a energia solar poderá trazer benefícios para o país, pelo fato de ser renovável e colaborar com a despoluição de áreas urbanas e diminuição da dependência em relação ao petróleo.
Os principais fatores que afetam a produção de energia, em sistemas fotovoltaicos, são: a irradiância solar nas células fotovoltaicas e a sua temperatura de trabalho [4]. Além disso, o módulo único do painel solar pode ser submetido a sombreamento parcial, o qual aumenta perdas de energia fotovoltaica [5]. A adoção de um sistema de monitoramento capaz de medir os principais parâmetros que afetam a produção de energia, pode ser uma possível solução para minimizar perdas [6, 7]. Além disso, esse sistema realiza atividades de diagnóstico para detectar e localizar eventuais falhas e simplificar a intervenção do operador [8]. No entanto, a adoção de um sistema de monitoramento, aumenta o custo global da instalação fotovoltaica, que pode ser economicamente insustentável.
O alto custo de implementação é um dos grandes problemas na geração de energia solar fotovoltaica no Brasil. Segundo o instituto IDEAL [9], o custo dos quilowatts de energia solar fotovoltaica na Alemanha é em torno de U$$ 1,6 mil. No Brasil, esse custo pode chegar a U$$ 4 mil. Essa diferença deve-se à grande carga tributária brasileira
embutida nos produtos nacionais e importados que são necessários para implementação de um sistema gerador de energia solar. Sabendo-se que as fontes energéticas naturais não podem ser controladas, e existe um alto custo na implementação de energia solar, alguns trabalhos foram desenvolvidos para que se melhore efetivamente a captação de energia solar. Abaixo seguem algumas pesquisas sobre sistemas de rastreamento solar que é o objeto de estudo e desenvolvimento deste trabalho.
Em Rodrigues (2015) foi desenvolvido um sistema eletrônico de monitoramento remoto de um rastreador solar utilizando fibras ópticas plásticas para iluminação natural de um fotobiorreator. Esse sistema coleta e envia dados em tempo real remotamente. Para o desenvolvimento foram utilizados sensores, amplificadores de sinais, Arduino e interface web. Os parâmetros monitorados foram: incidência solar (potência solar no local do rastreador), potência óptica (potência solar obtida em uma das fibras ópticas) e posição angular da lente do rastreador [10].
Em Alves (2008) foi desenvolvido um protótipo com movimentação automática de painéis fotovoltaicos com o intuito de melhorar a conversão de energia solar em elétrica. Foram utilizadas equações da posição relativa da Terra e Sol para a movimentação dos painéis em dois eixos com movimentos independentes, economizando energia para realizar o posicionamento [11].
Já em Trevelin (2014) foi realizado um estudo comparativo entre os métodos de ras-treamento solar instalado com um eixo fixo, eixo único móvel e de eixo duplo móvel. Foi prevista a construção de um sistema para fazer o rastreamento solar nas três condições citadas. Foram utilizados dois LDRs, Arduino Uno e servo motores para o desenvolvi-mento do sistema de rastreadesenvolvi-mento. A potência entregue utilizando o rastreador de dois eixos foi 18% maior que a do de um eixo e 39% maior que a de eixo fixo [12].
Conforme a revisão bibliográfica acima, nota-se que nenhum dos trabalhos citados utilizaram os mesmos materiais e mesma estrutura do trabalho aqui proposto. Portanto, grande desafio deste projeto é desenvolver um sistema que melhore efetivamente a captação de energia solar através de protótipos: um painel fixo, um painel com um eixo móvel e um painel com dois eixos móveis.
1.1
ÍNDICE DE ULTRAVIOLETA
A radiação solar ultravioleta (UV) é uma das principais causas de eritema e câncer de pele em seres humanos, sendo apoiada por evidências experimentais e epidemiológicas suficientes [13, 14]. Recentemente, a redução do ozônio estratosférico levou a níveis eleva-dos de radiação ultravioleta na superfície da Terra [15]. Uma redução de 10% no ozônio pode levar a um aumento de 15-20% na exposição ao UV. Estudos mostraram que o au-mento do espectro solar que atinge a superfície da Terra por meio de diminuição do ozônio estratosférico pode aumentar a incidência de danos na pele [16, 17].
Por volta de 60 mil mortes prematuras foram atribuídas à exposição à radiação UV no ano 2000. Nas últimas décadas, observou-se um forte aumento da incidência de câncer de pele em populações de pele clara, com a Austrália e a Nova Zelândia apresentando as maiores taxas de incidência [18].
O câncer de pele é amplamente evitável quando são tomadas medidas adequadas de proteção solar. Ao contrário da luz visível ou do calor, a radiação UV não pode ser percebida diretamente. Para monitorar a radiação UVI, em 1995 a Organização Mundial de Saúde (OMS) juntamente com várias organizações parceiras lançou o Índice Global UV Solar (Ultraviolet Index - UVI) como veículo para quantificar a radiação UV que atinge a superfície da Terra [19]. Os valores de UVI variam em uma escala de 0 a 11, considerando que valores superiores a 11 são raramente encontrados. O Índice UV é expresso numericamente como o resultado da multiplicação do valor médio no tempo da irradiância efetiva (W/m2) por 40. Exemplo: Uma irradiância efetiva de 0.2 W/m2 corresponde a um valor do UVI de 8,0.
Baseando-se na escala de UVI, a OMS define cinco categorias de exposição variando de baixo a extremo. O Índice UV menor que 2, é considerado baixo; 3 a 5, moderado; 6 a 7, alto; 8 a 9, muito alto; e superior a 11, extremo. Quanto maior o valor, maior o risco de danos à saúde. Além disso, algumas medidas de proteção solar são recomendadas, como: uso de protetor solar, roupas protetoras, chapéus e abrigo em locais com sombra, principalmente, ao meio-dia, (vide Figura 29) [20].
No entanto, é possível aproveitar alguns benefícios dos raios ultravioletas. Como por exemplo a vitamina D que só é sintetizada em nosso organismo quando há uma exposição da pele aos raios solares. Além disso, a vitamina D é essencial para o metabolismo do cálcio e do fósforo. Contudo é preciso tomar cuidado, pois a exposição ao sol deve ser moderada e sempre em horários de menor incidência – antes das 10h e após as 16h [21].
Desde o século V a.C., já eram conhecidos os benefícios da radiação solar na prevenção de raquitismo e na cicatrização de feridas. Esse tratamento foi denominado helioterapia. Além disso a radiação solar possui propriedade antidepressiva, uma vez que doses leves de exposição solar são capazes de liberar a serotonina, um neurotransmissor responsável pela sensação de prazer e bem-estar. Psiquiatras afirmam que a leve exposição solar é eficiente no tratamento de depressão sazonal (Seasonal Affective Disorders - SAD) [22].
Dessa forma, monitoramento do UVI é imprescindível tanto no sentido de proteger a saúde da população como no sentido de explorar seu potencial energético. Para isso, estão disponíveis vários sistemas comerciais de monitoramento, tanto para aplicações em campo como em pesquisa, mas com alto custo para implementação. Com o intuito de construir um sistema de monitoramento de UVI aproveitando a estrutura física do rastreador solar, foi proposto o desenvolvimento de um dispositivo de medição do UVI. O sistema é baseado em código aberto, simples, de baixo custo, cujo desempenho é semelhante aos sistemas comerciais. O projeto é composto por um sensor ligado à interface da rede de internet,
o qual permite a visualização e o armazenamento dos dados coletados em tempo real. Tal monitoramento de UVI tem caráter adicional, não interferindo no funcionamento do rastreador solar.
1.2
OBJETIVOS
1.2.1
OBJETIVO GERAL
O presente trabalho teve como objetivo desenvolver um sistema eletromecânico com cor-reção automática de ângulo dos painéis solares para otimização da captação de energia, acoplado a um sistema de monitoramento com acesso remoto que registra os seguintes parâmetros: energia gerada e temperatura ambiente.
1.2.2
OBJETIVO ESPECÍFICO
• Construir sistema mecânico com motores de baixa rotação para ajustar a angulação dos painéis solares.
• Acoplar ao sistema mecânico um microcontrolador com acelerômetro para ajustar a inclinação dos painéis de acordo com o nascer e pôr-do-sol, considerando a correção de declinação solar.
• Desenvolver ferramenta de instrumentação com sensores específicos para monitora-ção de parâmetros como: tensão elétrica, corrente elétrica, potência e temperatura ambiente.
• Criar plataforma web para acessar remotamente os dados coletados pela ferramenta de instrumentação.
• Analisar e comparar a eficiência energética a partir dos dados coletados do painel fixo e dos painéis móveis.
1.3
ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
A presente dissertação foi dividida em cinco capítulos. O Capítulo 1 é composto por in-trodução na qual aborda-se a importância da utilização de energia renovável atualmente, além de descrever quando surgiu o interesse no desenvolvimento de painéis solares. São destacados os altos custos de implementação da energia fotovoltaica no Brasil. De forma complementar, inclui-se uma seção para descrever a importância do monitoramento do índice de ultravioleta. Encerrando o primeiro capitulo, têm-se os objetivos gerais e espe-cíficos que norteiam o desenvolvimento do projeto.
O Capítulo 2 apresenta revisão bibliográfica que aborda os temas como: radiação solar, sistemas fotovoltaicos e os tipos de rastreadores solares. Fazendo uma contextualização do assunto abordado, para o melhor entendimento do projeto.
O Capítulo 3 descreve toda metodologia utilizada para construção do sistema ele-tromecânico com correção automática de ângulo dos painéis solares. São detalhados os processos de construção do sistema mecânico, programação da plataforma web, progra-mação da eletrônica instalação e funcionamento do rastreador solar. Estão incluídas neste capítulo as informações técnicas dos componentes eletrônicos utilizados.
No Capítulo 4 são descritos os resultados na forma de gráfico de linha dos dias anali-sados que representam o período de funcionamento do protótipo (4 estações do ano) na discussão analisam a eficiência do uso de rastreadores solares.
Por último, o Capítulo 5 apresenta as conclusões do trabalho e sugestões para desen-volvimentos futuros.
Capítulo 2
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
2.1
RADIAÇÃO SOLAR
Neste capítulo serão apresentados alguns dos principais fundamentos teóricos sobre radiação solar que impactam diretamente na distribuição do recurso solar, abrangendo conceitos como cálculos de geometria solar.
2.1.1
O SOL
O Sol é a estrela mais próxima da Terra. É constituído de matéria gasosa, prin-cipalmente hidrogênio em altíssima temperatura. Possui um diâmetro de 1,39x109 m e encontra-se a uma distância de 1,5x1011m da Terra. O Sol possui uma temperatura efetiva de aproximadamente 5.488,85oC [22].
A região interna, o núcleo, é a parte mais densa e quente. Sua temperatura varia de 14,9x106 oC a 39,9x106 oC e a densidade é 100 vezes maior que a da água (100.000-150.000
Kg/m3). Acima do núcleo encontra-se a camada que contém praticamente toda a massa
do Sol. Esta energia é transferida para a superfície e irradiada para o espaço através de sucessivos processos de radiação e convecção com suas respectivas emissões, absorções e re-irradiações [23].
A superfície do Sol, chamada fotosfera, é a fonte da maior parte da radiação visível que alcança a Terra. Esta é formada por gases não homogêneos de baixa densidade, que são responsáveis pela formação das manchas solares. Próximo à fotosfera, encontra-se a camada de reversão que se estende por centenas de quilômetros. Esta camada contém vapores de quase todos os elementos familiares da crosta terrestre. Acima da fotosfera, está a cromosfera a uma distância de aproximadamente 2.500 km, composta principalmente de hidrogênio e hélio [22, 23].
2.1.2
GEOMETRIA SOL TERRA
A Terra gira ao redor do Sol descrevendo uma órbita elíptica, na qual o Sol ocupa um dos focos, como mostrado na Figura 2.1.
Figura 2.1: Movimento da Terra ao redor do Sol. Fonte: Adaptado de Specer [24].
O plano que contém esta órbita é chamado de eclíptica, e o tempo que a Terra tarda a percorrê-la é de um ano. A excentricidade desta órbita é tal que a distância entre o Sol e a Terra varia 1,7%. Esta excentricidade pode ser calculada por meio da equação 2.1, conforme proposto por Specer [24]:
EO=1,000110+0,034221 cosΓ + 0, 001280senΓ + 0, 000719cos(2Γ) + 0, 000077sen(2Γ)(2.1)
onde EO é chamado fator de correção da excentricidade da órbita terrestre. Nesta
equação Γ, em radianos, é chamado ângulo do dia e é representado pela equação 2.2:
Γ = 2Π(dn− 1)
365 (2.2)
onde dn é o número do dia do ano no calendário Juliano, variando de 1 (1o de janeiro)
até 365 (31 de dezembro).
A Terra possui uma distância média entre o Sol de 1,5x1011 m, que equivale a 1 UA
(unidade astronômica). A Terra gira ao redor de um eixo central, chamado eixo polar, completando uma volta por dia (sucessão dia-noite). Este eixo gira ao redor da normal ao plano da eclíptica com um ângulo constante e igual a 23, 45o.
Desta forma, o ângulo formado entre o plano equatorial e a linha que une os centros da Terra e do Sol muda continuamente (sucessão das estações do ano). Este ângulo é conhecido como declinação solar (δ), e pode ser estimado pela seguinte equação 2.3:
δ = 23.45sen[(2π)
365 (dn+ 284)] (2.3)
sendo δ dado em radianos. Este ângulo vale zero nos equinócios de primavera e outono, 23,45o no solstício de inverno e -23,45o no solstício de verão, conforme Figura 2.
Figura 2.2: Declinação Solar. Fonte: Adaptado de Specer [24].
2.1.3
HORA SOLAR VERDADEIRA
A hora solar é o tempo especificado em todas as relações envolvendo a posição do Sol em um determinado momento, baseia-se no movimento angular aparente do Sol através do céu, sendo o meio-dia solar a hora em que o Sol cruza o meridiano do observador. A hora solar não coincide com a hora oficial do lugar (hora do relógio) e tal efeito está relacionado com duas características da órbita da Terra em torno do Sol: a declinação solar e a excentricidade da órbita [25].
Pode-se compreender este desvio por meio da equação 4, denominada equação do tempo Et, apresentando-se como um valor que indica a diferença entre o tempo solar
verdadeiro e o médio para cada momento do ano.
Et= (0, 000075+0, 001868cosΓ−0, 032077senΓ−0, 014615cos(2Γ)−0, 04089sen(2Γ))(229, 18)
Os resultados de Et podem assumir valores positivos ou negativos; um valor negativo
significa que o tempo solar verdadeiro está atrasado em relação ao tempo solar médio. Essa diferença pode chegar a +16min e 33s (entre 31/10 e 01/11) e a -14min e 6s (entre 11/02 e 12/02), conforme Figura 2.3.
Figura 2.3: Variação anual da equação do tempo. Fonte: Adaptado de Inácio [25].
Para calcular a hora solar verdadeira h∗ é necessário considerar um fator de correção. Por convenção, todos os relógios dentro de um mesmo fuso horário devem marcar uma hora padrão; esse padrão é a hora solar média no meridiano central do fuso ¯h. Por exemplo, um observador a oeste do meridiano central vê o Sol um pouco atrasado, se comparado com outro observador em tal que está no meridiano central. Como a equação do tempo Etapresenta um valor variável ao longo do ano (Figura 3) em consequência da velocidade
de translação da Terra não ser constante (definição da Segunda Lei de Keppler), pode-se adotar um fator de correção à hora solar média para que se obtenha o valor de h∗, no meridiano central de qualquer fuso horário, no instante desejado. Essa relação pode ser expressa pela equação 2.5:
h∗ = ¯h ∗ Υ (2.5)
Por exemplo, para as coordenadas da localidade de São Luiz (-2.5933oS, -44.2122o
W) considera-se que a mesma está 0,7878o a leste do fuso horário de referência de 45o,
e sabendo-se que para cada 1o a leste adotam-se 4 minutos de adiantamento, podemos
considerar que para 0,7878o tem-se 3,15 minutos de adiantamento. Considerando a
minutos e 75 segundos, torna-se possível encontrar a hora solar verdadeira:
h∗ = 11, 75 + 3, 15 = 14, 30 =14 minutos e 30 segundos
Portanto, para o dia 04 de outubro quando os relógios marcarem meio-dia (12:00 h) a hora solar verdadeira para a localidade de São Luiz (-2.5933oS, -44.2122oW), será de 12 horas e 14 minutos e 30 segundos.
2.2
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
Nesta seção são apresentados alguns dos principais fundamentos teóricos sobre a his-tória do painel solar e suas aplicações nos dias atuais.
2.2.1
HISTÓRICO
A primeira observação de uma corrente elétrica causada pela incidência de luz em um material metálico foi feita pelo físico francês Alexandre Edmond Becquerel, em 1839. Aos 19 anos, enquanto fazia experimentos no laboratório de seu pai, ele inseriu cloreto de prata numa solução ácida e observou que quando exposta à luz do sol, uma corrente elétrica era gerada [26].
Após algumas décadas, em 1873, o engenheiro eletricista Willoughby Smith descobriu a fotocondutividade do elemento selênio. Enquanto testava cabos telegráficos subaquáticos, ele notou que a condutividade do selênio aumentava quando era exposto à luz solar. No ano de 1877, Adams e Day [27] propuseram em seu trabalho um selênio prensado a uma fina camada de ouro e outro metal. Essa “célula” obteve uma eficiência de 1% na conversão de energia, sendo esta provavelmente a primeira célula solar da história, posteriormente classificada como uma célula de “filme fino”. No entanto, a produção não teve continuidade devido ao alto custo de fabricação e baixa efetividade.
Estes foram alguns dos experimentos que inspiraram outros cientistas da época a pesquisarem as características da luz. Culminando com o trabalho sobre a natureza da luz e o efeito fotoelétrico de Einstein que no ano de 1921 lhe rendeu o prêmio Nobel de física [28].
Em 1939, Russel Ohl, no Bell Labs, desenvolveu a teoria que viria a explicar as junções P-N, a partir da observação da dificuldade de se conduzir corrente em determinada região no silício causada pelas impurezas no material, sendo estas junções P-N naturais [29]. No final do século XIX e início do século XX, houve várias tentativas de produzir células fotovoltaicas que fossem práticas e comercialmente viáveis. Porém essas tentativas sempre esbarravam em limitações técnicas e falta de materiais adequados.
Finalmente em 1954, no famoso Bell Labs, braço de pesquisa da operadora de telefonia ATT, foi criada a primeira célula fotovoltaica comercialmente viável. Os pesquisadores Gerald Pearson, Calvin Fuller e Daryl Chapin, baseando-se no trabalho de Ohl e com tecnologia disponível, desenvolveram a célula solar de silício que chegou a uma eficiência de aproximadamente 4%. No dia seguinte, o influente jornal The New York Times publicou um artigo que dizia – “Pode marcar o início de uma nova era, provavelmente levando à realização de um dos sonhos mais desejados da humanidade – converter a energia quase que ilimitada do sol para o uso da civilização” [30] (Figura 2.4a).
Em 1955, aconteceu a primeira aplicação de uma célula solar em forma de módulos na Geórgia (EUA). Essa célula foi capaz de alimentar um rádio transmissor (Figura 2.4b) [30].
Figura 2.4: (a) Primeiro painel solar comercial – 1954; (b) Primeiro módulo instalado em um poste – 1955
Fonte: Jornal The New York Times [30].
A principal aplicação das células fotovoltaicas durante as décadas de 50 e 60 foram voltadas para o abastecimento de satélites, que necessitavam de uma fonte confiável de energia sem exigir manutenção. O primeiro satélite que utilizou essa tecnologia foi o Vanguard 1 [31]. A Figura 2.5 ilustra o satélite com o painel solar acoplado.
Nos anos 70, a crise do petróleo alavancou as pesquisas de células fotovoltaicas. Fo-ram iniciados estudos com o Silício Policristalino, Silício Amorfo, Condutores Orgânicos e a tecnologia de filme fino. No entanto, esses esforços não foram suficientes para a po-pularização dessas tecnologias, principalmente devido à baixa capacidade competitiva no mercado.
Figura 2.5: Primeiro satélite com energia solar (Vanguard 1 - 1958). Fonte: NASA [31].
A partir da década de 90, os interesses se voltaram novamente para essa tecnologia, com incentivos como o Protocolo de Kyoto, que visava reduzir a dependência de energia nos combustíveis fósseis e reduzir as emissões de CO2 [32].
No final dos anos 90, houve um aumento expressivo na quantidade de fabricantes de células solares, especialmente devido à presença de fabricantes chineses.
Atualmente, as aplicações das placas fotovoltaicas são cada vez mais crescentes. Em um recente projeto, pesquisadores da NASA conseguiram fazer com que um avião desse a volta ao mundo utilizando, como fonte exclusiva de energia, a luz solar captada por dezessete mil células solares [33] (Figura 2.6).
Figura 2.6: Solar impulse II. Fonte: NASA [33].
2.2.2
O EFEITO FOTOVOLTAICO
O efeito fotovoltaico é um fenômeno responsável pela criação de uma tensão elétrica ou de uma corrente elétrica, sempre em um dispositivo fotovoltaico, após à sua exposição a luz solar.
O funcionamento de uma célula solar baseia-se no efeito fotovoltaico, que ocorre no material semicondutor dopado (extrínseco), isto é, um material pertencente à família 4A, como por exemplo: carbono (C), germânio (Ge), silício (Si). Ao passar por um processo de aquecimento é misturado a “impurezas” da família 3A, formando um material do tipo P. Ou então da família 5A, formando um material do tipo N. Esta dopagem tem a finalidade de controlar as propriedades elétricas do material semicondutor [34]. A Figura 2.7 mostra a dopagem do material utilizado.
Figura 2.7: Dopagem do material do tipo P e do tipo N. Fonte: Adaptado de Malvino [34].
Ao “fundir” um material do tipo P a um material do tipo N, forma-se uma região cha-mada de “Zona de Depleção”, que é eletricamente neutra devido à “mistura” dos materiais tipo P e N [35], como pode ser observado na Figura 2.8.
Figura 2.8: Material fundido do tipo N e do tipo P. Fonte: Adaptado de Fundamentos eletrônica [35].
Este processo de junção do material do tipo P ao material do tipo N ocorre com o aquecimento de ambos. Neste processo os elétrons no material do tipo N ganham energia (excitam-se) e alguns conseguem escapar da camada de valência gerando uma lacuna, ou seja, um espaço vazio que poderá alojar um elétron vizinho. A célula solar pode ser considerada um diodo que ao absorver fótons, libera um par elétron-lacuna, e quando ligado em um circuito, gera uma corrente elétrica [36]. A capacidade de absorção depende de vários fatores, entre eles:
• Largura da banda de energia (band gap) do semicondutor: quanto menor, mais fótons poderão ter energia suficiente para gerar o par elétron-lacuna;
• Temperatura: quanto maior a temperatura, pior é o rendimento global dos painéis (vide Tabela 3.2);
• Concentração de portadores disponíveis e sua capacidade de mobilidade, referente ao campo elétrico formado pela junção P-N;
• Taxa de recombinação dos pares elétron-lacuna.
A energia dos fótons corresponde à frequência de luz da qual eles fazem parte, podendo estes assumirem inúmeras quantidades de energia. No entanto, na célula solar, apenas a energia absorvida pelo elétron é suficiente para fazê-lo saltar da camada de valência para a camada de condução, sendo a outra parte perdida basicamente em forma de calor [37]. Uma célula fornece tipicamente algumas dezenas de miliampéres (mA) e uma tensão na ordem de 0,5V. As células solares são conectadas em série, formando os módulos. Estes módulos são montados em painéis fotovoltaicos. A Figura 2.9 mostra como as células solares são organizadas num painel fotovoltaico.
2.2.3
TIPOS DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
Atualmente existem três grandes “gerações” de células fotovoltaicas, fabricadas com diversos materiais e tecnologias resultantes de objetivos diferentes na fabricação [38].
A primeira geração, pertence à célula de silício em Wafers, encontrado em quase todos os sistemas fotovoltaicos. Este silício pode ser mono ou multicristalino. O material mais eficiente na conversão da energia é o de cristal único, ou monocristalino, uma vez que os arranjos dos átomos desse material são uniformes. Por outro lado, o multicristalino é constituído de vários cristais, e consequentemente, várias fronteiras entre eles no material, tornando a conversão um pouco menos eficiente, embora a fabricação seja de baixo custo. A eficiência desta primeira geração varia de 13 a 25% (em laboratório), quando em módulos fotovoltaicos aproxima-se dos 17%. Para poder ser utilizado, o silício deve obter grau de pureza da ordem de 99,9999%.
Figura 2.9: Esquema painel solar. Fonte: Autor.
A segunda geração pertence aos Filmes Finos, sendo inorgânicas ou orgânicas. As células inorgânicas podem ser amorfas, policristalinas de filme fino, microcristalinas, ou constituídas pelos elementos Cobre Índio Selênio (CIS) ou Cádmio Telúrio (CdTe).
O termo Filmes Finos refere-se ao processo de fabricação, no qual é feito “filme por filme” de material, e não pelo fato de ser uma única camada fina. Este material possui diversas vantagens sobre o silício, já que o sílicio é constituído de camadas mais espessas, enquanto o Filme Fino tem a possibilidade de estar operante em camadas muito menos espessas (entre 1 e 10 m, ao passo que no sistema convencional a espessura é de 100 a 300 m). Além disso, os “filmes finos” podem ser depositados em materiais flexíveis, viabilizando sua utilização em construções.
As células de filmes finos policristalinas são famosas pelo dispositivo de Arseneto de Gálio (GaAs) tendo vantagens sobre as outras estruturas, como: maior tolerância ao calor; menor espessura em relação ao silício; menor band gap possibilitando maior aproveita-mento dos fótons e maior resistência à radiação, sendo a melhor opção para aplicações aeroespaciais [38]. Contudo, devido à baixa disponibilidade dos materiais e altos preços, elas não são utilizadas em aplicações terrestres.
As células orgânicas utilizam polímeros e outros materiais ao invés de semiconduto-res, com uma grande vantagem competitiva, pois necessitam de menos energia para ser fabricada, além do comprometimento de serem altamente eficientes.
A terceira geração compreende células que buscam rendimentos equivalentes ou supe-riores aos da primeira geração, mas com os baixos custos de produção das células de filmes finos. Estas são denominadas Células Sequenciais, que compreendem as células amorfas
de junções triplas e células multijunção III-V. A diferença na fabricação destas células é a presença de camadas com diferentes band gaps, para aproveitar os diferentes espectros da luz. Visando reduzir a quantidade total de energia que se converte em calor, além de aproveitar mais fótons incidentes.
A Figura 2.10 mostra um mapeamento da tecnologia em relação à eficiência, compi-lado pela National Renewable Energy Laboratory - NREL dos EUA. O gráfico mostra o desenvolvimento de diversas tecnologias e suas eficiências alcançadas em diversos labo-ratórios no mundo num período aproximadamente 45 anos (de 1975 até o final de 2020) [39].
Figura 2.10: Evolução de pesquisa em desempenho de painéis fotovoltaicos. Fonte: National Renewable Energy Laboratory - NREL [39].
Pode-se notar que algumas tecnologias emergentes não foram citadas na visão geral dada acima. Notoriamente, as células multijunção triplas (three-junction) são as que apresentam o maior rendimento, rompendo a barreira dos 40%.
O maior desafio não envolve mais só o desenvolvimento de novas tecnologias de células solares. Atualmente o diferencial reside na cadeia de produção de células solares em larga escala, com preço e qualidade competitivos.
2.2.4
MODELO MATEMÁTICO SIMPLIFICADO DE CÉLULA
FOTOVOLTAICA
O circuito equivalente que corresponde ao painel solar possui poucos componentes. O funcionamento da célula fotovoltaica pode ser descrito por um circuito elétrico equivalente constituído por um gerador de corrente elétrica acionado por luz em paralelo com um díodo e uma carga [40]. O modelo apresentado na Figura 2.11 é um modelo simplificado da célula solar.
Figura 2.11: Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica. Fonte: adaptado Salameh [40].
A fonte de corrente (IS) representa a corrente elétrica gerada pelo feixe de radiação
luminosa. Esta corrente elétrica unidirecional é constante para uma dada radiação inci-dente. A corrente ID representa a corrente no díodo, a qual tem sentido contrário à IS.
A corrente ID através do díodo é dada pela expressão da equação 2.6.
ID = I0
emV TV − 1 )(A) (2.6)
• ID- Corrente unidirecional
• I0- Corrente inversa máxima de saturação do díodo
• V - Tensão aos terminais da célula
• m- Fator de idealidade do díodo (díodo ideal m = 1; díodo real m > 1) Sendo VT, o potencial térmico designado pela equação 2.7:
VT =
(K.T )
• K- Constante de Boltzman (1,38 x 10−23 J/K)
• T - Temperatura absoluta da célula em Kelvin (K), sendo 0oC=273,15 K
• q- Carga elétrica do elétron (q = 1,602 x 10−19 C)
Utilizando a lei de Kirchhoff das correntes (LKC) obtém-se a expressão para a corrente I que se fecha pela carga Z expressa pela equação 2.8:
I = IS− ID (2.8)
Combinando as equações 2.6 e 2.8 tem-se a expressão 2.9:
I = IS− I0(e
V
mV T − 1)(A) (2.9)
2.3
RASTREAMENTO SOLAR
A utilização de rastreadores solares é uma forma de aumentar a eficiência dos sistemas fotovoltaicos. O aumento de energia elétrica gerada nestes sistemas está associado as suas características construtivas. Desta forma, os rastreadores solares são classificados quanto ao número de eixos rotativos, tipo de estrutura e o controle da estratégia de rastreamento empregada. Os rastreadores são classificados em passivos e ativos [41].
2.3.1
RASTREAMENTO PASSIVO
O funcionamento do rastreamento passivo é baseado no método de expansão térmica de uma matéria. Normalmente, utiliza-se um fluido (líquido ou gasoso) que inicialmente acondicionado em dois reservatórios e instalados opostos entre si, tornam possível a vapo-rização do fluido, em conformidade com o movimento aparente do sol. A movimentação do sistema é possível, pois existe uma conexão entre os reservatórios, transportando o fluido condensado do reservatório de maior incidência para reservatório de menor incidência so-lar. Empresas americanas como a Zomewords desenvolvem mecanismos de rastreamento passivo desde 1969 [42].
Em 1994, Poulek desenvolveu um sistema de rastreamento passivo de um eixo, com base em atuadores com o conceito “Shape Memory Alloy”. O atuador pode ser facilmente deformado em temperaturas relativamente baixas para a operação de sistemas de painéis fotovoltaicos (abaixo de 70oC), retornando a sua forma original quando aquecido acima da
temperatura de transformação especificada. Durante os ciclos térmicos o atuador funciona como um motor de calor [43].
Em 2004, os pesquisadores Clifford e Eastwood [44] desenvolveram um sistema de ras-treamento passivo de baixo custo para uso em regiões próximas ao Equador. Considerando
apenas um eixo, movimento aparente do sol, pois o sistema não consegue compensar as variações da declinação solar. A aplicação desta tecnologia em um sistema fotovoltaico, obteve um ganho na produção de eletricidade de 23% em comparação com os módulos fotovoltaicos fixos. Nesta pesquisa é possível observar os benefícios do rastreamento e seu alto potencial para aplicações em várias localizações geográficas. A concepção do mecanismo de rastreamento passivo incorpora duas tiras bimetálicas de alumínio e aço, posicionadas sobre uma estrutura de madeira, com simetria em ambos os lados e com um eixo central horizontal, conforme ilustrado na Figura 2.12 [45].
Figura 2.12: Representação de um sistema de rastreamento passivo. Fonte: Adaptado de Loschi [45].
Nos anos seguintes, observou-se que com a evolução exponencial das tecnologias ele-trônicas e a conscientização cada vez maior sobre a utilização de sistemas fotovoltaicos para geração de eletricidade, pesquisas no campo de sistemas de rastreamento passivo tornaram-se escassas. Entre as pesquisas propostas, há um maior interesse em apresentar soluções tecnológicas na utilização de novos fluidos/gases para o processo [46].
Os mecanismos de rastreamento passivo mostram-se viáveis em localizações geográfi-cas próximas e na linha do equador, em função da alta disponibilidade do recurso solar e mínima oscilação do ângulo de declinação solar, sendo utilizados para aplicações comple-mentares a geração de energia elétrica primária ou aplicações isoladas [46].
Entretanto a utilização destes sistemas torna-se financeiramente inviável, além de exi-gir um conhecimento adicional no manuseio dos fluidos pelo seu operador. Não podemos deixar de considerar que a operação do sistema depende do processo termodinâmico, ou seja, em condições climáticas desfavoráveis o sistema tem sua eficiência totalmente com-prometida. Basicamente por estas razões, justifica-se a escassez de pesquisas sobre o tema.
2.3.2
RASTREAMENTO ATIVO
Os rastreadores solares são considerados ativos quando possuem sistemas de controle eletrônico de posição. Esses rastreadores podem possuir sensores dos seguintes tipos: luminosidade fim de curso e pireliômetro. O controle pode ser feito utilizando micropro-cessadores, microcontroladores ou controlador lógico programável. No sistema de tração podem ser empregados atuadores, motores de passo, motores de corrente contínua, ou motores de indução [47].
Os rastreadores solares de eixo único seguem o sol desde o nascer ao pôr-do-sol, movendo-se ao longo do dia de leste a oeste (Figura 2.13). Tais rastreadores giram em um plano em torno de um único eixo. O eixo pode ser orientado de modo que as células se levantem em uma determinada inclinação como nos eixos polares (Figura 2.13a). Ou permanecem planas como nos eixos horizontais (Figura 2.13b). Os eixos horizontais são mais adequados para pequenas latitudes, enquanto os eixos polares são mais adequados para latitudes maiores [47-50].
Figura 2.13: (a) Painel solar com rotação polar (b) e Rotação horizontal. Fonte: Adaptado de Rumala [47].
Os seguidores horizontais de eixo único também são estruturalmente mais rígidos e estáveis. Portanto, menos susceptíveis a danos durante tempestades.
Os rastreadores de eixo duplo ou de dois eixos seguem o sol completamente (Figura 2.14). Os dois eixos de rotação permitem que o rastreador posicione as células solares diretamente perpendiculares aos raios do sol o tempo todo. Eles seguem o sol do nascer ao pôr-do-sol ao longo do dia de leste a oeste. Também possuem um ajuste de angulação norte-sul [49, 50].
Embora os rastreadores de eixo duplo capturem toda a extensão do sol, eles são mais complexos e mais caros, uma vez que para o acompanhamento do sol tanto no sentido Norte-Sul como no sentido Leste-Oeste, corrigindo a declinação solar, são necessários muito mais peças que um rastreador convencional, em média um aumento de 40% a mais [51].
Estes sistemas oferecem vantagens e desvantagens em relação a um sistema com o painel fixo, sendo essas apresentadas a seguir [52].
Figura 2.14: Painel solar com duas rotações. Fonte: Adaptado de khalifa [51].
• Adaptabilidade: existem tipos diferentes de seguidores solares, como de um eixo e de dois eixos. A escolha do tipo de seguidor poderá ser mais adequada para um determinado local, considerando o espaço para instalação, as condições climáticas e a latitude.
• Otimização do espaço: o aumento da produção de energia traduz-se numa otimiza-ção do espaço disponível para instalaotimiza-ção do sistema, ou seja, os seguidores solares necessitam de menos espaço do que os sistemas fixos para gerar a mesma quantidade de energia.
• Aumento do desempenho: os seguidores permitem aumentar a produção de energia até 40% em relação aos sistemas com painéis fotovoltaicos fixos.
As desvantagens são:
• O custo é maior devido à complexidade da tecnologia [52].
• Apesar dos avanços tecnológicos em termos de robustez, é necessária uma maior manutenção em comparação com os sistemas fixos.
• Os seguidores solares tipicamente são desenhados para funcionarem em climas com pouca ou nenhuma nuvem, o que os tornam uma solução mais viável em climas mais quentes, evitando seu sombreamento parcial.
Capítulo 3
MATERIAIS E MÉTODOS
O projeto propôs a construção de um rastreador solar ativo, que se orienta em direção ao sol com o intuito de obter maior eficiência energética. Para isso, foram utilizados 03 painéis solares simples. Sendo um painel fixo (P1), o outro painel com rotação de apenas um eixo (P2), e o último com rotação em dois eixos (P3). Os painéis P2 e P3 foram conectados a um sistema de controle embarcado que movimentava os painéis por temporizador. Os dados coletados foram enviados, em tempo real, para um servidor que os armazenou para posteriores análises. A Figura 3.1 ilustra um esquemático do projeto.
Figura 3.1: Esquemático do projeto. Fonte: Autor.
3.1
MECANISMO DE FUNCIONAMENTO
Os painéis solares foram acoplados em uma estrutura mecânica. Na Figura 3.2a, pode-se obpode-servar a lateral da estrutura com vista dos três painéis, dos pode-sensores e do sistema de controle. A Figura 3.2b, mostra a vista superior do mecanismo. O desenho do painel foi projetado em escala utilizando o software autocad 3D (Autodesk Inc.).
Figura 3.2: (a) Desenho do protótipo com vista lateral; (b) e vista superior. Fonte: Autor.
A Figura 3.3 mostra o projeto montado com todas as partes de funcionamento, com vista dianteira e traseira. Conforme legenda, pode-se identificar em 1 o painel fixo (P1); em 2 o painel móvel de dois eixos (P3) e em 3 o painel móvel de um eixo (P2). As setas indicados em vermelho, corresponde ao moviemnto do painel, sendo o arco menor correção de declinação solar (P3), e o arco maior correção ao longo do dia (P2 e P3). Na lateral esquerda da figura superior (em 4) encontra-se uma caixa hermética onde está armazenado todo o conjunto eletrônico que deve ser protegido de condições ambientais diversas (sol, chuva, ventos fortes, etc). Em 5 observa-se o motor de corrente contínua que realiza a correção de declinação solar. Na posição 6 encontra-se o motor de corrente contínua responsável pelo ajuste de angulação do nascer ao pôr-do-sol, este motor possui um sistema de polia em “V“, que está conectado a uma corda. Em 7 pode-se observar o sensor acelerômetro que detecta o ângulo da inclinação dos painéis móveis (P2 e P3). Finalmente, em 8 está indicado o compartimento que abriga o sensor de temperatura e o sensor de UVI. O sensor de temperatura foi instalado próximo aos painéis solares, para uma precisão da medição no mesmo metro quadrado.
Figura 3.3: Projeto montado com legenda. Fonte: Autor.
3.2
COMPONENTES ELETRÔNICOS
Nesta seção apresentaremos as informações técnicas e o modo de funcionamento de-talhado dos painéis e dos sensores utilizados para o desenvolvimento do projeto.
3.2.1
PAINEL SOLAR
Foram utilizados três painéis fotovoltaicos policristalinos com 10W de potência (Yingli, Baoding, CHN). A Tabela 3.1 mostra as especificações técnicas dos painéis [53]. Na Tabela 3.2 estão especificadas as características térmicas do painel.
Tabela 3.1: Especificações técnicas do painel solar.
fonte: Manual do fabricante
Nome do painel JS 10
Modelo YL10P-17b 1/13
Máxima Potência (Pmax) 10W
Tensão Máxima Potência (Vmp) 17,10V
Corrente máxima de curto circuito 0,65A Tensão Circuito Aberto (Voc) 21,80V
Corrente Máxima Potência (Imp) 0,59A
Corrente de Curto Circuito (Isc) 0,65A
Tolerância máxima de potência ∆ Pmax % ± 5
Temperatura de Operação -40oC +85oC Tensão Máxima Suportada 50Vcc
Eficiência 11,0%
Dimensão 245x375x25mm
Peso 1,34kg
Número de Células 36
Tipo da Célula Policristalina
Tabela 3.2: Características Térmicas do Painel.
fonte: Manual do fabricante
Temperatura nominal de operação da célula oC 46 ± 2 Coeficiente de temperatura de Pmax γ %/oC -0,45
Coeficiente de Temperatura da Voc βvoc %/oC -0,37
Coeficiente de temperatura da Isc αisc %/oC 0,06
De acordo com o manual do fabricante para o bom funcionamento do painel solar é necessária uma irradiação de no mínimo 1.000W/m2 e uma temperatura de 25oC.
3.2.2
AQUISIÇÃO DE DADOS (TENSÃO E CORRENTE)
Para leitura de tensão dos painéis foi conectado em paralelo uma carga com potência de 10W, para obter uma tensão do circuito fechado. Também em paralelo à carga, conectou-se um circuito de resistores na escala de k Ω. As saídas dos resistores dos painéis P1, P2 e P3 foram ligadas nas portas A/D-00, A/D-01 e A/D-02, respectivamente. A escolha dos resistores foi calculada conforme a Lei de Ohm. A Figura 3.4 mostra o diagrama de ligação.
Figura 3.4: Esquema para leitura de tensão em um painel solar. Fonte: Autor.
O resistor R2 é de 1 k Ω. Sabendo-se que a tensão máxima de entrada no microcon-trolador é de 5 V, e que a tensão máxima produzida pelo painel é de 17,1V, é possivel calcular o valor de R1, que é responsável em dissipar o restante da energia do circuito. Pela lei de Ohm tem-se a equação 3.1 [54].
VR2=
R2.Vin
R2+ R1
(3.1) Substituindo os valores tem-se:
5 = 1k.17, 1 1k + R1
Logo,
Os valores dos resistores adotados foram de R1 = 2,4 kΩ e R2 = 1 kΩ. Utilizou-se resistor de precisão com variação de ±1%. A calibração do sistema foi feita com um multímetro de bancada modelo 8808A, com precisão de 5 dígitos após a vírgula.
Segundo o manual do fabricante, a faixa de temperatura de trabalho do resistor de precisão é de 15oC até 125oC. A Figura 3.5 mostra a curva em função da temperatura
[55].
Figura 3.5: Curva característica do resistor de precisão. Fonte: Dieletrons [55].
Além disso, os valores escolhidos dos resistores estão na ordem de quilo Ohm (kΩ) evitando assim a inercia térmica, ou seja, sua operação de trabalho é com corrente baixa não interferindo nas leituras do sistema como um todo.
A leitura foi feita no R2, a conversão da tensão real foi dada pela divisão da tensão máxima do painel (17,1V) por 1023 (que é a resolução de 10 bits do microcontrolador), o resultado foi multiplicado pelo valor lido no A/D.
Destaca-se que todas as conversões foram feitas diretamente no servidor para não sobrecarregar o sistema embarcado [56].
Para a medição da corrente, utilizou-se o sensor de corrente ACS712 - 30A. Este sensor realiza a leitura de forma não invasiva por efeito hall. O sensor possui três pinos: GND, VCC e o pino de saída. O pino de saída tem resposta em tensão que corresponde aos níveis de corrente aplicada, a tensão de saída varia de 0 a 5V, e sua relação é linear, definida por 66 mV a cada ampere (A) aplicado [57]. A Figura 3.6 mostra este sensor de corrente.
Figura 3.6: Sensor de corrente. Fonte: Manual do fabricante [57].
Ao fazer a medição de tensão e corrente gasto pelo sistema mecânico ao longo do dia chegou-se a um valor média de energia consumida pelo sistema de aproximadamente 73W. Este valor é resultado do consumo energético dos motores de movimentação da mecânica e do sistema embarcado.
3.2.3
SENSOR TEMPERATURA
Para a leitura de temperatura utilizou-se o sensor LM35, mostrado na Figura 3.7 [58]. Trata-se de um sensor de precisão com uma voltagem, pois é alimentado com uma tensão de 5V, gerando uma saída analógica em tensão. Sua faixa de medição é de -55 oC a
150 oC, com precisão de 0,5 oC. A tensão de saída é de 10 mV/oC. O LM35 tem um
funcionamento básico, de forma que cada 10mV na saída representa 1oC. Portanto, se for
medido em sua saída 222mV, este valor representa temperatura de 22,2oC. A saída do
LM35 está conectada à porta A/D-04 do microcontrolador. Utilizou-se uma equação para a conversão cujo valor do A/D lido é multiplicado por 5 e dividido por 1023, finalmente, o resultado é dividido por 0,01.
Figura 3.7: Sensor de temperatura. Fonte: Manual do fabricante [58].
3.2.4
SENSOR ACELERÔMETRO
O sensor MPU-6050 demonstrado na Figura 3.8 contém um acelerômetro e um giros-cópio em um único chip. Contém 16-bits analógico, hardware de conversão digital para cada canal. A aceleração medida é expressa em 3 eixos: X, Y e Z, as três dimensões do espaço [59].
Figura 3.8: Sensor acelerômetro MPU-6050. Fonte: Manual do fabricante [59].
Recordando que a aceleração da gravidade terrestre de aproximadamente 9,8 m/s perpendicular ao solo. O sensor é definido pelo endereço 0x68 quando pino AD0 está conectado diretamente ao terra e 0x69 quando o pino AD0 está ligado diretamente à alimentação. Utilizou-se o protocolo de comunicação I2C para fazer a interface com o microcontrolador no barramento. O protocolo I2C, é formado por apenas dois fios (SCL e SDA), sendo que a quantidade de dispositivos é limitada pelo tamanho do endereço e da capacidade de processamento do microcontrolador [60]. A equação 3.2 representa a equação da matriz de rotação que calcula o deslocamento de inclinação de cada eixo (X, Y, Z).
RotX = 1 0 0 0 0 cos(θx) −sen(θx) 0 0 sen(θx) cos(θx) 0 0 0 0 1 RotY = cos(θy) 0 sen(θy) 0 0 1 0 0 −sen(θy) 0 cos(θy) 0 0 0 0 1 (3.2) RotZ = cos(θz) −sen(θz) 0 0 sen(θz) cos(θz) 0 0 0 sen(θx) 0 0 0 0 0 1
Os valores de referências de cada eixo foram coletados pelo microcontrolador, e com-parados com os valores internos gerados pela equação de declinação solar e pelos valores do ângulo do nascer ao pôr-do-sol. O erro estimado é de 0,5o para cada ângulo.
3.2.5
FILTRO COMPLEMENTAR
Com o objetivo de eliminar o ruído, e obter a medição dos ângulos, sem que o acelerô-metro detecte outra força além da gravidade, um filtro complementar foi utilizado. As Figuras 3.9 e 3.10 mostram, respectivamente, a eficiência do filtro em relação aos ângulos de rotação X e Y do acelerômetro.
Figura 3.9: Gráfico de simulação rotação em X. Fonte: Autor.
Figura 3.10: Gráfico de simulação rotação em Y. Fonte: Autor.
O filtro complementar é uma combinação de dois filtros diferentes: um filtro passa-alta para o giroscópio e um filtro passa-baixa para o acelerômetro. Este filtro é ideal para programar microcontroladores devido as suas vantagens: fácil uso, de baixo custo de processamento e com boa precisão [61].
Na primeira implementação do projeto observou-se que devido a ruído no sinal iden-tificado pelo microcontrolador, o sistema mecânico ficava ajustando a angulação da placa constantemente o que ocasionava desgaste mecânico na corda, tal desgaste ocorria um rompimento da corda. Para resolver este problema foi utilizado o filtro complementar no acelerômetro corrigindo o sinal, assim o microcontrolador pode fazer a leitura com uma maior precisão e, ao movimentar o sistema mecânico de um ângulo para outro este movimento ficou mais suave.
3.2.6
DRIVE MOTOR
O drive motor utilizado para este projeto foram utilizadas duas pontes H Bridge Motor 30A VNH2SP30, que possuem quatro drives bidirecionais que podem ser configurados para trabalhar como duas pontes-H diferentes. Possibilitando ligar dois motores diferentes com controle do sentido de giro. É possível controlar um motor de até 36V, de acordo com a especificação do fabricante, corrente constante de 1,2A e corrente de pico de até 30A. A Figura 3.11 mostra ponte H utilizada [62].
Figura 3.11: Módulo ponte H. Fonte: Manual do fabricante [62].
Os dois motores (A e B) foram ligados nas portas digitais do microcontrolador. Para controlar o sentido da rotação dos motores foi necessário inverter os polos de alimentação. A ponte H tem a função de inverter a alimentação dos motores através de quatro contatos que se fecham, invertendo o caminho que a corrente elétrica percorre. Sendo assim, é necessário ativar A1 e B1 para que o motor vire para sentido horário, e A2 e B2 para virar anti-horário. A Figura 3.12 mostra o funcionamento da ponte H, sendo o motor A (MA) o que gira no sentido Leste-Oeste e o motor B (MB), o responsável para o giro de Norte-Sul.
As especificações técnicas do motor utilizado serão apresentadas adiante (vide Tabela 3.4).
Figura 3.12: Funcionamento da ponte H. Fonte: Autor.
3.2.7
MÓDULO RTC
O módulo RTC (Real Time Clock, em português Relógio de Tempo Real) é utilizado em projetos que necessita manter as informações de data e hora armazenadas, mesmo que a fonte de alimentação do circuito seja desconectada [63]. O módulo RTC utilizado no projeto é o DS1307 (Figura 3.13), de dimensões 27 x 28 x 8,4mm. Esse módulo possui calendário completo, sendo capaz de fornecer informações como segundos, minutos, horas, dia, data, mês e ano, nos formatos de 12 ou 24 horas, a partir do ano de 2000 até 2099. Ajustes de meses com menos de 31 dias e anos bissextos são realizados automaticamente. Também está presente um circuito de detecção de falhas de energia, que aciona automati-camente a bateria de lítio (presente no módulo) caso a alimentação externa seja cortada, preservando assim os dados [64].
Figura 3.13: Módulo Real time clock (RTC) Fonte: Autor.
As informações são transmitidas ao microcontroladdor via barramento I2C, que é composto de dois fios (SDA e SCL) e a alimentação (3.3V ou 5V), onde o fio SCL é responsável pelo controle do barramento e o fio SDA pela transmissão dos dados [65]. A faixa de temperatura de funcionamento estabelecida pelo fabricante varia de -40oC a
+85oC. Possui 56 bytes de Static Random Access Memory (SRAM) que podem ser usados
como memória a mais do microcontrolador [64].
Este projeto utilizou a hora local como referência para armazenamento dos dados (horário de Brasília), o horário de verão é atualizado automaticamente. O módulo RTC é responsável por fornecer as informações de data e hora que são necessárias para o cálculo de δ.
3.3
SENSOR ULTRAVIOLETA
A leitura do índice de UV tem sido realizada com a utilização do sensor GUVA-S12SD [66]. Este possui uma faixa de medição do comprimento de onda que varia de 220nm a 380nm. A saída do sensor está conectada à porta A/D-03 do microcontrolador. Na Figura 3.14, pode ser observada a curva de variação de tensão (mV) em função do índice UV. Para determinar a tensão (mV) do pino A/D obtido, o valor de leitura é multiplicado por 5 e, em seguida, dividido por 1023 [67]. O resultado desta equação é multiplicado por 1000. Sendo o valor final (convertido em tensão) comparado com os intervalos de variações analógicos que correspondem aos diferentes valores de índice UV, como demonstrado na Tabela do anexo A.
Figura 3.14: Curva característica do sensor UV adaptado. Fonte: Manual do fabricante [66].
O sensor UV foi montado em uma caixa plástica de tamanho 40x10X36,8 mm, com um corte superior onde encontra-se o sensor. Utilizou-se um fragmento de vidro de quartzo e cola silicone para vedação do circuito, evitando entrada de água.
Para confirmar que a utilização da placa de quartzo não influenciaria nas medições de raios UV, foram feitas leituras de absorbância e transmitância em espectrofotômetro (Anexos B e C). A partir de tais leituras verificou-se que a placa de quartzo permite a passagem luz na faixa entre 200 e 380 nm.
A Figura 3.15 mostra a escala do UVI e as suas medidas de proteção como descrito na Seção 1.1.
Figura 3.15: Índice de UVI e suas proteções necessárias. Fonte:Fonte: Adaptado de OMS [19].
3.4
SISTEMA DE CONTROLE
O sistema de controle é composto por um microcontrolador ATMEL 328 (Arduino nano) [68]. O microcontrolador possui 14 pinos digitais, sendo 6 pinos utilizados como saídas PWM, estes pinos digitais podem ser configurados como entradas ou saídas (I/O). Possui 8 entradas analógicas com 10 bits de resolução cada. Conta com uma memória flash de 16Kb, sendo que 2Kb é utilizado pelo bootloder e o clock de funcionamento é de 16 MHz.
Foi utilizado uma Shield Ethernet modelo W5100 [69]. Esta placa possui um chip WIZnet ethernet W5100 que fornece acesso à rede (IP) nos protocolos TCP ou UDP e foi utilizado usando a biblioteca Ethernet Library. O protocolo de comunicação é a comunica-ção SPI (Serial Peripheral Interface), identificada pela sigla (SS, MOSI, MISO, SCK, +5v e GND). A conexão foi feita nos pinos 10, 11, 12, 13, +5V e GND do microcontrolador.
O microcontrolador desempenha a leitura dos sensores pela porta analógica/digital (A/D), em seguida, as informações são enviadas em tempo real para o servidor da facul-dade. A Figura 3.16 mostra o diagrama de ligação dos sensores.
Figura 3.16: Diagrama em bloco da aquisição de dados dos sensores. Fonte: Autor.
Para a ligação foram utilizados os pinos AD-00, AD-01, AD0-2 para a aquisição de dados de tensão dos painéis P1, P2 e P3, respectivamente. Os pinos A/D-05, A/D-06 e A/D-07 foram ligados para leitura de corrente dos painéis P1, P2 e P3, respectivamente.
O pino A/D-04 foi ligado ao sensor de temperatura e o pino A/D-03 foi conectado ao sensor de UV. A Tabela 3.3 mostra a ligação de cada pinagem do sistema de sensores e placa de interface com a web ao microcontrolador.
Tabela 3.3: Ligação dos pinos no microcontrolador
fonte:Autor
Pinagem Sensor
A/D-00 Dados de Tensão (P1)
A/D-01 Dados de Tensão (P2)
A/D-02 Dados de Tensão (P3)
A/D-05 Dados de Corrente (P1)
A/D-06 Dados de Corrente (P2)
A/D-07 Dados de Corrente (P3)
A/D-04 Sensor de Temperatura
A/D-03 Sensor de UV
Pinagem Módulo Ethernet (cada pino) 10 Digital – SS SS (Slave Select )
11 Digital - MOSI MOSI (Master Output Slave Input ) 12 Digital - MISO MISO (Master Input Slave Output ) 13 Digital - SCK SCK (sincronização SPI )
Um outro microcontrolador, consiste no controle dos motores de rotação, os quais são acionados conforme equações de posicionamento solar, fazendo a leitura de dados do sensor acelerômetro e do módulo RTC (Real Clock Time). A Figura 3.17 ilustra o diagrama de controle.
Figura 3.17: Diagrama em bloco do sistema de controle do mecanismo. Fonte: Autor.
Os painéis foram dispostos da seguinte maneira: o primeiro painel (P1) de forma fixa, o segundo painel (P2) com rotação de apenas um eixo, e o terceiro painel (P3) com rotação de dois eixos. Para rotação dos eixos utilizou-se motores de baixa rotação (3 rpm) e alto torque (15kgf/cm) [70]. Os motores escolhidos foram os da empresa Akiyama Motors e seu modelo é AK510, ilustrado na Figura 3.18.
Figura 3.18: Motor de grua de baixa rotação. Fonte: Manual do fabricante [70].
