INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA - CAMPUS FLORIANÓPOLIS
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL-MECÂNICA
CURSO SUPERIOR DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECATRÔNICA
FELIPE GADENS PORTES
PROJETO DE GUARDA-SOL FOTOVOLTAICO
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA - CAMPUS FLORIANÓPOLIS
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL-MECÂNICA
CURSO SUPERIOR DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECATRÔNICA
FELIPE GADENS PORTES
PROJETO DE GUARDA-SOL FOTOVOLTAICO
Trabalho de Conclusão de Curso submetido ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de
Santa Catarina como parte dos
requisitos para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecatrônica. Professor Orientador: Jean Paulo Rodrigues, Dr.
Gadens Portes, Felipe PROJETO
PROJETO DE
PROJETO DE GUARDA-SOL
PROJETO DE GUARDA-SOL FOTOVOLTAICO PROJETO DE GUARDA-SOL FOTOVOLTAICO /
PROJETO DE GUARDA-SOL FOTOVOLTAICO / Felipe PROJETO DE GUARDA-SOL FOTOVOLTAICO / Felipe
PROJETO DE GUARDA-SOL FOTOVOLTAICO / Felipe Gadens Portes
Portes ;
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Portes ; orientação de Jean Paulo
Portes ; orientação de Jean Paulo Rodrigues. Portes ; orientação de Jean Paulo Rodrigues. -
Portes ; orientação de Jean Paulo Rodrigues. - Florianópolis, SC, SC, 2020. 158 p. Trabalho Trabalho de Trabalho de Conclusão Trabalho de Conclusão de
Trabalho de Conclusão de Curso
Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) -
Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) - Instituto
Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) - Instituto Federal de
de Santa
de Santa Catarina,
de Santa Catarina, Câmpus
de Santa Catarina, Câmpus Florianópolis.
de Santa Catarina, Câmpus Florianópolis. Bacharelado em
em Engenharia
em Engenharia Mecatrônica.
em Engenharia Mecatrônica. Departamento Acadêmico
Acadêmico de
Acadêmico de Metal
Acadêmico de Metal Mecânica. Inclui Referências. 1. 1. Energia 1. Energia fotovoltaica. 1. Energia fotovoltaica. 1. Energia fotovoltaica. 2.
1. Energia fotovoltaica. 2. Guarda-Sol. 1. Energia fotovoltaica. 2. Guarda-Sol. 1. Energia fotovoltaica. 2. Guarda-Sol. 3.
1. Energia fotovoltaica. 2. Guarda-Sol. 3. Projeto de
de Guarda de Guarda Sol
de Guarda Sol Fotovoltaico. de Guarda Sol Fotovoltaico. I.
de Guarda Sol Fotovoltaico. I. Paulo
de Guarda Sol Fotovoltaico. I. Paulo Rodrigues,
de Guarda Sol Fotovoltaico. I. Paulo Rodrigues, Jean. II.
II. Instituto
II. Instituto Federal II. Instituto Federal de
II. Instituto Federal de Santa
II. Instituto Federal de Santa Catarina.
II. Instituto Federal de Santa Catarina. Departamento Acadêmico
Acadêmico de
Acadêmico de Metal
Acadêmico de Metal Mecânica. Acadêmico de Metal Mecânica. III.
NSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA
CAMPUS FLORIANÓPOLIS
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL-MECÂNICA
CURSO SUPERIOR DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECATRÔNICA
PROJETO DE GUARDA-SOL FOTOVOLTAICO
FELIPE GADENS PORTES
Este trabalho foi julgado adequado para obtenção do Título de Bacharel em Engenharia Mecatrônica e aprovado na sua forma final pela banca examinadora do Curso Superior de Graduação em Engenharia Mecatrônica do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina
Florianópolis, 12 de dezembro de 2019 Banca examinadora:
__________________________________ Jean Paulo Rodrigues
(Presidente da banca)
__________________________________ Adriano Regis, Me. Eng.
(Membro da banca)
________________________________ Francisco Edson Nogueira de Melo Me. Eng.
Agradecimentos
Gostaria de agradecer primeiramente a mim, pela determinação de seguir em frente, pela força de vontade em vencer, por não ouvir todas às vezes que me disseram que eu não seria capaz, a cada obstáculo, cada falha, cada aprendizado, cada degrau, cada tropeço, cada evolução e superação que tive todos os dias longe das minhas raízes, da minha família e dos meus amigos.
Em segundo lugar agradecer a Deus, por ter me dado forças para nunca desistir dos meus sonhos, por sempre me guiar quando tudo pareceu estar perdido, por estar sempre presente em cada dificuldade nesses anos acadêmicos.
Agradecer à minha mãe por sempre acreditar em mim, por sempre me apoiar, por sempre me dar liberdade para seguir minhas escolhas.
Ao meu pai por cada ensinamento, por cada conselho, por cada ajuda recebida desde que iniciei a faculdade.
Ao meu irmão por me inserir no mundo tecnológico, ensinar-me o princípio de tudo e me dar direção.
E a todos aqueles que de alguma forma se propuseram a me ajudar, meu muito obrigado! Em especial aos professores Cynthia e Aurélio por terem me dado chance para um novo começo e ao professor Jean pela orientação durante o meu TCC.
“Tudo é energia e isso é tudo que há,
sintonize a frequência que você deseja e essa
é a realidade que você terá, não tem como
ser diferente, isso não é filosofia, é física.”
RESUMO
O presente trabalho tem como propósito desenvolver um guarda-sol fotovoltaico, utilizando materiais de baixo custo para sua construção.
Para a realização deste projeto, utilizou-se dos princípios da
metodologia de desenvolvimento de produto, empregando
conhecimentos de eletrônica, mecânica e programação, adquiridos durante o curso de engenharia mecatrônica, para se concretizar a integração de módulos do projeto.
Do módulo eletrônico, composto de painéis fotovoltaicos, bateria e gerenciador de carga, que serão complementados e ajustados mecanicamente em um guarda sol comum, extraíram-se dados para verificar seus desempenhos em situação real de funcionamento, buscando a validação da possível comercialização do produto.
Palavras-chave: Guarda-sol. Fotovoltaico. Desenvolvimento de produto. Integração de módulos. Mecatrônica
ABSTRACT
The present study aims at developing a photovoltaic parasol, using low cost materials for its construction.
For the realization of this project, the principles of product development methodology, and the knowledge of electronics, mechanics, and programming were used. All which were acquired during the mechatronic engineering course, to achieve the integration of the modules.
The electronic module, composed of photovoltaic modules, battery, and load driver, will be complemented, and mechanically adjusted to a common umbrella. From the electronic module, data was extracted from real operating situations to verify its performance and seeking to validate the possible commercialization of the product.
Keywords: Parasol. Photovoltaic. Product development. Module integration. Mechatronics.
SUMÁRIO
RESUMO...7 ABSTRACT...8 SUMÁRIO...9 1 INTRODUÇÃO...11 1.1 Objetivo Principal...12 1.2 Objetivos Específicos...12 1.3 Justificativa e Relevância...13 2 REVISÃO BIBLIOGRáFICA...13 2.1 Radiação Solar...14 2.2 Energia Fotovoltaica...15 2.2.1 Efeito Fotovoltaico...15 2.3 Painéis Fotovoltaicos...16 2.3.1 Curva V x I...16 2.4 Baterias...17 2.4.1 Baterias de Lítio-Íon...182.4.2 Baterias de Lítio-Polímero (Li-Po)...18
2.5 Controladores de Carga...20
2.6 Energia Fotovoltaica em Smartphones...21
3 MATERIAIS E MÉTODOS...21 3.1 Metodologia de Projeto...21 3.2 Projeto Informacional...22 3.2.1 Definição do Problema...22 3.2.2 Mercado...22 3.2.3 Benchmark...23 3.2.4 Requisitos de Projeto...25 3.2.5 Definição do Produto...26 3.3 Projeto Conceitual...26 3.3.1 Função Global...26 3.3.2 Síntese Funcional...27 3.3.3 Matriz Morfológica...28
3.3.4 Avaliação da Matriz Morfológica...28
3.5 Configuração do Produto...31
3.5.1 Módulo Eletrônico...32
4 ENSAIOS EXPERIMENTAIS...41
4.1 Integração do Módulo Eletrônico...42
4.1.1 Resultados Experimentais do Protótipo...46
5 CONCLUSÃO...61
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...62
APÊNDICE A–Teste com painel solar Yalousi e 1 bateria Litio-Po...66
A.1 Teste com alta irradiância solar e alta temperatura -manhã...70
A.2 Teste com alta irradiância solar e alta temperatura –manhã e tarde..76
A.3 Teste com baixa irradiância solar e baixa temperatura...81
A.4 Teste com baixa irradiância solar e alta temperatura...88
A.5 Teste com alta irradiância solar, alta temperatura e inconstância do céu entre nuvens...92
A.6 Teste com alta irradiância solar, baixa temperatura e nebulosidade...97
APÊNDICE B–Teste com painel solar UsinaInfo e 3 baterias de lítio-íon....102
B.1 Teste com alta irradiância solar e baixa temperatura...107
B.2 Teste com alta irradiância solar e alta temperatura...113
B.3 Teste com baixa irradiância solar e baixa temperatura...119
APÊNDICE C – Teste com painel solar UsinaInfo e 2 baterias de lítio-po em paralelo...125
C.1 Teste com baixa irradiância e baixa temperatura...130
APÊNDICE D– Sugestão de circuito para automação das medições...136
D.1 Script registrador de corrente...141
D.2 Script registrador de tensão...143
ApÊndice F –Módulo Estrutural...146
F.1 PowerBank...146
F.2 Haste Central...147
F.3 Fixação do Módulo Fotovoltaico...147
1
INTRODUÇÃO
Com a demanda crescente por energia elétrica de fontes renováveis, a
energia solar fotovoltaica se apresenta como uma das fontes mais promissoras na atualidade [1].
As circunstâncias atuais levam a um grande desafio para as fontes não
renováveis de energia, causando mais necessidade de energia renovável. As características comuns da energia renovável, exceto a hidroeletricidade, são baixa densidade de energia e alta dispersão de recursos. Além disso, as energias eólica, solar e oceânica são recursos estocásticos e intermitentes, mas a energia solar está disponível em grande quantidade quase em todos os estratos do mundo e é uma fonte renovável de energia eficaz [2].
Visto a crescente utilização de dispositivos eletrônicos e a necessidade
de que estes precisam de ainda mais energia para que perdurem suas funcionalidades, é de grande valia se projetar um produto com um sistema fotovoltaicoque será adaptadona mecânica de umguarda-sol comum, visto que autilização deste produto ocorre em locais com difícil acessoàrede elétrica, nos ofertando um potencial energético pouco explorado, onde surge aoportunidade de desenvolver um produto que englobe a proteção dos raios solares com a captação deenergia renovável,buscando a seleção de componentesque sejam de baixo custo, para que seja um produto de fácil acesso.
Os principais componentes deste sistema são:
- Painéis fotovoltaicos, que irão converter a energia solar em energia
elétrica, serão avaliados sobre a quantidade de energia solar absorvida eenergia elétrica gerada.
- Bateria interna, que irá armazenar a carga absorvida pelas placas
solares, esta será avaliada sobre a sua capacidade de armazenamento e tempo de carga e descarga.
-Gerenciadorde carga, que irá controlar as entradas e saídas de energia
através de um circuito eletrônico dedicado, este será avaliado conforme sua capacidade em fornecer energiapara dispositivos externos.
- Guarda-sol com adaptações mecânicas para suporte do sistema
Logo, não somente existem questões de adaptações mecânicas a serem
aprendidas, mas principalmente integração de módulos eletrônicos para observar e analisar o comportamento de seus componentes individualmente e como um todo.
1.1
Objetivo Principal
Desenvolver um protótipo de guarda-sol fotovoltaico que disponha de uma
saída com capacidadesuficiente para carregar dispositivos eletrônicos externos, projetando um produto com baixo custo e disponibilizando energia renovável em áreas de lazer que não possuam acesso fácil à rede elétrica.
Apesar dos componentes escolhidos possuírem valor nominal de
referência do fabricante, na prática a capacidade de geração do painel fotovoltaico e armazenamento da bateria não chegam a estes valores, pois em condições reais, estes desempenhos dependem defatores como intensidade da radiação solar e temperatura ambiente que influenciam diretamente no desempenho dopainel solar fotovoltaico e estado da bateria. Isto reforça a importância desta pesquisa no ensaio de diversas situações práticas para o projeto do guarda sol.
1.2
Objetivos Específicos
- Quantificar a potênciadas placas fotovoltaicas;
- Definir o sistema eletrônico para gerenciamento de carga; - Analisar o tempo de carga e descarga dabateria;
- Tratar osdados para comprovar aviabilidadedo produto; - Validar se o produto é ou não viável para comercialização.
2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Este capítulo apresentará os conceitos básicos e definições relacionados à radiação solar, painéis fotovoltaicos, baterias e gerenciamento de energia, para entendimento de alguns fenômenos envolvidos no desenvolvimento do protótipo, e sobre a energia fotovoltaica aplicada em smartphones, visto que este será o principal produto eletrônico a ser carregado pelo projeto.
1.3
Justificativa e
Relevância
É possível encontrar formas de uso de sistemas fotovoltaicos para carga
de equipamentos eletrônicos de forma muito variada. Ao realizar pesquisas durante o desenvolvimento do pré-projeto do Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) nota-se que existem sistemas de carregamento fotovoltaicos que são utilizados como acessórios ou estações de carregamento, porém busca-se materiais técnicos (TCC, dissertação, artigos e experimentos) com estudos para quantificar a capacidade de geração dos painéis fotovoltaicos, capacidade de armazenagem de cargae tempo de descargada bateria,assim comoanálise da energia disponibilizada ao usuário, custo do investimento e possíveis manutenções destes sistemas autônomos de baixo consumo, e então, reunir comprovações, dados e informações para o desenvolvimento do produto piloto.
Desta feita, propõe-se integrar ospainéisfotovoltaicos, banco de baterias,
circuitos e adaptações mecânicas para realizar ensaios quantitativos e viabilidade econômica, contribuindo através de técnicas desenvolvidas para analisar o real desempenhode cada componente do protótipo.
2.1 Radiação Solar
A radiação solar incidente no topo da atmosfera terrestre varia basicamente com a latitude, a declinação solar, ângulo horário e a excentricidade da órbita terrestre, fatores que, por sua vez, dependem dos movimentos de rotação, que fazem com que um local receba os raios solares com inclinação diferente ao longo do dia, e dos movimentos de translação ao redor do sol, onde a terra está sempre recebendo radiação [3].
A radiação solar é distribuída por um amplo espectro de amplitude não uniforme com a forma típica de um sino, como é típico do espectro de um corpo negro com o qual a fonte solar é modelada. Portanto, não está concentrado em uma única frequência. O máximo de radiação é focado na faixa de radiação ou luz visível com um pico a 500 nm fora da atmosfera da Terra, de acordo com a lei de Wien, que corresponde à cor verde ciano.
A banda de radiação fotossinteticamente ativa oscila entre 400 e 700 nm, corresponde à radiação visível e é equivalente a 41% da radiação total. Dentro da radiação fotossinteticamente ativa existem sub-bandas com radiação:
• azul-violeta (400-490 nm)
• verde (490-560 nm)
• amarelo (560-590 nm)
• vermelho alaranjado (590-700 nm)
Ao atravessar a atmosfera, a radiação solar é sujeita a fenômenos de reflexão, refração, absorção e difusão pelos vários gases atmosféricos em um grau variável, dependendo da frequência. Consequentemente, o solo do espectro solar é irregular comparado ao detectado nos limiares externos da atmosfera com a presença de bandas típicas de absorção ou reflexão.
Em média, a Terra recebe 1.366 W / m² (constante solar) do Sol. Isso está relacionado aos limiares da atmosfera e ao plano perpendicular aos raios solares recebidos: é, portanto, necessário levar em consideração que a radiação solar na Terra atinge um limite esférico por 1.440 minutos por dia, diminuindo em 75%. A atmosfera, por sua vez, filtra os raios do Sol em certa medida, como cada corpo, causando um reflexo e uma dispersão de raios, devido ao seu albedo, às próprias nuvens e gases atmosféricos e também uma absorção que causa um aumento de temperatura, como resultado da qual emite radiação em qualquer
direção. No entanto, essa absorção é modesta na faixa de luz visível, tornando-a trtornando-ansptornando-arente à luz soltornando-ar direttornando-a.
Aproximadamente metade da radiação solar passa pela atmosfera sem alteração. A radiação que faz isso é chamada de radiação líquida. Metade da radiação líquida finalmente contribui para a evaporação das massas de água, portanto, a energia solar disponível é aproximadamente um quarto da energia total emitida.
A estratosfera absorve os raios ultravioletas incluídos na faixa de 200-300 nm, graças ao ozônio, a troposfera absorve e difunde o infravermelho graças ao vapor de água e ao CO 2 . A ação filtrante das bandas nos comprimentos de
onda ultravioleta quase letais é essencial para o desenvolvimento da vida.[4]
2.2 Energia Fotovoltaica
A energia solar fotovoltaica é definida como a energia gerada através da conversão direta da radiação solar em eletricidade. Isto se dá por meio de um dispositivo conhecido como célula fotovoltaica, a qual atua utilizando o princípio do efeito fotoelétrico ou fotovoltaico [5].
2.2.1 Efeito Fotovoltaico
“O termo fotovoltaico consiste na transformação direta da luz em energia elétrica em corrente contínua (CC)” [6].
O efeito fotovoltaico baseia-se na propriedade de alguns materiais encontrados na natureza denominados de semicondutores. Este efeito foi descoberto por Alexandre Edmond Becquerel, em 1839, quando verificou uma diferença de potencial entre dois eletrodos inseridos em uma solução ácida exposta à luz. Este efeito voltou a ser verificado em 1876, por W. G. Adams e R. E. Day, perceberam o efeito fotovoltaico através de um dispositivo baseado em selênio. Charles Fitts construiu um primeiro dispositivo prático para a produção de eletricidade a partir da luz. [7].
2.3 Painéis Fotovoltaicos
O princípio de funcionamento é simples na sua essência. Painéis de silício cristalino apropriadamente processados, quando expostos à luz geram uma diferença de potencial elétrico. Em uma placa, várias células solares sobrepostas em lâminas delgadas de silício cristalino são interconectadas apropriadamente para se obter a tensão e corrente desejada. Ao ser exposta à luz, a placa irá produzir eletricidade em corrente contínua que pode ser usada diretamente ou armazenada em baterias para uso posterior [8].
As características da célula solar sob diferentes níveis de iluminação podem variar, a corrente gerada pela luz é proporcional ao fluxo de fótons com energia. Aumentando a irradiância aumenta-se, na mesma proporção, o fluxo de fótons que, por sua vez, gera uma corrente proporcionalmente maior. Consequentemente, a corrente de curto-circuito de uma célula solar é diretamente proporcional à irradiância [6].
2.3.1 Curva V x I
A curva V x I traz uma série de informações importantes a respeito dos painéis fotovoltaicos. Com ela informações de como as células ou módulos funcionam sob diferentes condições de insolação, temperatura e carga podem ser obtidas. Seu formato depende da tecnologia de célula ou módulo utilizado e quão mais quadrada ela for, maior será o rendimento [9].
Através desta curva alguns parâmetros importantes podem ser obtidos como os valores de corrente de curto-circuito (ICC), tensão de circuito aberto (VCA), potência máxima produzida pela célula (PMP), etc. Alguns destes parâmetros são mostrados na Fig. 1 que traz uma curva I x V de uma célula solar e suas descrições seguem abaixo.
Normas internacionais como ASTM, IEEE, ABNT, estabelecem padrões para caracterização dos painéis fotovoltaicos; entre eles citamos: temperatura constante de 25 graus Celsius, irradiância de 1000 watts por metro quadrado, com espectro equivalente ao da radiação solar, com uma massa de ar 1,5 (AM 1,5). A curva característica representa o relacionamento entre a corrente e a tensão de um painel fotovoltaico [10].
Fig. 1 – Curva VxI de um painel fotovoltaico. Fonte: Adaptado de Pinho e Galdino (2014), [7].
2.4 Baterias
As baterias são associações em série ou paralelo de células unitárias, o que permite obter os valores de tensões ou correntes elétricas desejados. Uma bateria, permite acumular energia, conservá-la e restituí-la mais tarde. Assim, uma bateria representa uma fonte autônoma de energia. Existem duas categorias principais de baterias: baterias primárias e baterias secundárias. As baterias primárias são aquelas que não podem ser recarregadas. Produzem a sua energia a partir de uma reação eletroquímica, geralmente irreversível, o que as inutiliza. As combinações mais utilizadas nas baterias primárias são: alcalina, carbono zinco ou cloro-zinco, lítio, óxido de prata, zinco-ar ou mercúrio. As baterias secundárias são aquelas que podem ser recarregadas por uma fonte de alimentação externa. Uma bateria secundária pode ser carregada e descarregada muitas vezes [11].
Por se tratar de um componente em nosso projeto que exige especificamente baterias recarregáveis, não entraremos em detalhes sobre os princípios básicos de baterias primárias, focando diretamente na factibilidade do custo benefício envolvido implicitamente no desenvolvimento do produto, para que possamos analisar as possíveis opções e darmos seguimento para nossas decisões na seleção de componentes, abaixo descreveremos alguns tipos de baterias recarregáveis.
2.4.1 Baterias de Lítio-Íon
Essas são as baterias com maior custo de produção e precisam de uma construção com muita segurança para não haver maiores riscos com acidentes, pois utiliza o lítio que possui potencial eletroquímico elevado e possui grande densidade de energia por peso mesmo sendo o metal mais leve utilizado em baterias, onde suas principais aplicações são adversas de aparelhos eletrônicos como notebooks e smartphones.
É a tecnologia mais recente e está tendo um rápido crescimento. Uma vantagem desta tecnologia é que não existe um ciclo programado e faz com que a bateria não exija manutenção. Além disso, a autodescarga é muito menor se comparada com as baterias de NiCd e NiMh.
Uma célula de Li-Íon, conforme ilustrada na Fig. 2 causam menos danos quando descartadas em comparação com as baterias de chumbo-acido.
Fig. 2 – Bateria de Li-Ion Fonte: Rontek
Porém apesar das vantagens presentes nestas baterias elas também possuem limitações pois exigem de um circuito de proteção para evitar sobrecarga e também não possuem corrente de descarga moderada conforme a aplicação e a alta temperatura quando ocorre o abuso da célula pode causar dano físico, pois o eletrólito é altamente inflamável [12].
2.4.2 Baterias de Lítio-Polímero (Li-Po)
Baterias de Li-Po possuem diversas ligas químicas como li-cobalto, NMC, li-fosfato e li-manganês, mas a maioria das baterias lítio-polímero são construídas com à base de cobalto. As quais oferecem uma energia especifica mais elevada e podem ser construídas de maneira mais finas do que as de Li-íon, o que reduz seu peso em 20% pois são envolvidas em uma bolsa flexível e com isso pode ser construída de diversas maneiras, podendo se adequar em smartphones e tabletes com mais facilidade. Quanto a segurança das células de
Li-Po também exige um circuito de proteção e o acúmulo de gás podem fazer com que algumas células inchem.
A bateria de lítio-polímero pela sua embalagem, conforme ilustra a Fig. 3, pode ser menos durável do que a bateria de Li-Íon com sua embalagem cilíndrica.
Fig. 3 – Bateria de Lítio-polímero (Li-Po). Fonte: RONTEK, 2018.
Possuem espessura reduzida e formatos flexíveis com peso leve, em relação a segurança é mais resistente a sobrecarga e no caso de aumento de pressão a célula começa a inchar. Porém apesar das vantagens possuem também limitações como a densidade baixa de energia e contagem de ciclos reduzida quando comparadas às de Li-íon. [13]
2.5 Controladores de Carga
Controlador de carga é um componente instalado entre o painel fotovoltaico e o banco de bateria que tem como função gerenciar e controlar as entradas e saídas de energia nos sistemas fotovoltaicos, fazendo com que as baterias sejam carregadas e descarregadas conforme sua aplicação. Possuem entrada para receber a energia solar convertida em energia elétrica dos painéis fotovoltaicos e saídas para as baterias com carga continua.
Atualmente os controladores mais modernos utilizam métodos para que a bateria possa atingir sua carga máxima como PWM – Pulse With Modulation ou modulação por pulsos, que mantêm a carga máxima na bateria e minimiza a sulfatação por meio de pulsos de tensão e alta frequência, ou ainda a tecnologia MPPT – Maximum Power Point Tracking, que extrai a máxima potência do painel solar através da alteração de sua tensão de operação para maximizar a potência de saída, onde a reposição dos 20% ou 30% finais do carregamento das baterias requerem circuitos mais complexos para que isto ocorra corretamente.
Os circuitos internos dos controladores variam, mas a maioria se referencia nos valores de tensão para controlar a intensidade de corrente que flui para as baterias, na medida em que se aproxima da sua carga máxima. Geralmente possuem um sistema de proteção contra corrente reversa onde desconecta os painéis fotovoltaicos para prevenir perda de carga das baterias nos painéis solares durante a noite. Possuem um gerenciamento de descarga fazendo o desligamento das baterias quando os valores de tensão estão abaixo de valores seguros e sua interface de monitoramento ocorre geralmente através de LEDs ou alarmes de advertência.
Apresentam um sistema de compensação de temperatura que são necessários quando as baterias são instaladas em uma área não climatizada. A tensão de carga é ajustada em função da temperatura ambiente [14].
Exemplificando os controladores de carga disponíveis no mercado temos o DDY-908-1, que será apresentado com maiores detalhes no módulo eletrônico definido neste relatório nos ensaios experimentais. Também temos o HT4056, que é um carregador linear de corrente continua para baterias de lítio-íon, o de modelo XH-M601 que possui como diferencial um display de sete segmentos para visualização dos estados de carga e descarga em que a bateria se encontra
assim como o JSH300B, que é um controlador de carga chinês que possui descarga rápida para as saídas USB.
2.6 Energia Fotovoltaica em Smartphones
Em geral, é necessária muita experiência para o design de acessórios para dispositivos portáteis, como smartphones. A cadeia de desenvolvimento de produtos exige especialistas, ambos, em software e engenharia de hardware. É também por isso que, carregadores fotovoltaicos são relativamente caros no momento em comparação com a quantidade de energia fornecida para o usuário. No entanto, essa pressão no esforço e nos custos de desenvolvimento levanta a questão, quais componentes do sistema precisam ser projetado em software e quais em hardware. Software e/ou hardware simplificados podem diminuir o desempenho e funcionalidade de acessórios. Além disso, se o hardware disponível do telefone móvel mudar, o aplicativo executado no smartphone, não funciona corretamente mais. Da mesma forma, pode ser que um determinado hardware não seja compatível com telefones móveis de diferentes fabricantes (tradução nossa) [15].
3
MATERIAIS E MÉTODOS
O Guarda-Sol Fotovoltaico proposto no presente trabalho será desenvolvido com o método de integração de módulos, sendo eles: um banco de baterias, um circuito controlador de carga e um painel fotovoltaico.
Para validar a concepção do produto proposto, iremos adaptar esse sistema eletrônico, na mecânica de um guarda-sol já existente e desenvolver adaptações para que o resultado seja um produto inovador e de baixo custo.
3.1 Metodologia de Projeto
Para desenvolvimento do produto empregaram-se dos princípios de alguns conhecimentos da metodologia de projeto utilizada na unidade curricular de Desenvolvimento de Produto. Iniciando com o projeto informacional, cujo objetivo é determinar especificações do produto. Posteriormente, o projeto conceitual, onde se obtém uma estrutura funcional e as alternativas que serão
avaliadas. Então, para que tome forma o produto tem-se o projeto preliminar, onde uma configuração básica do produto é gerada, que auxilia nas decisões.
3.2 Projeto Informacional
O projeto informacional é a primeira fase do desenvolvimento de um produto e é onde as características desejadas para o produto são definidas. [16] O projeto informacional aqui definido consiste no desenvolvimento de um guarda sol fotovoltaico, onde reuniram-se informações sobre o problema a ser solucionado, assim como sobre a finalidade do produto. Também são abordados os anseios dos usuários, respeitando as limitações da empresa a fim de obter uma lista de requisitos que se tornará uma lista de especificações de projeto.
3.2.1 Definição do Problema
Gerar energia elétrica em locais de lazer que não possuam fácil acesso à rede distribuidora, para que se possua ainda mais energia de reserva para aparelhos eletrônicos. Como solução a este problema, será projetado um Guarda-Sol que possua um sistema fotovoltaico para conversão da energia solar em energia elétrica e armazená-la em um banco de baterias para posteriormente ofertá-la aos usuários.
3.2.2 Mercado
O mercado de energia fotovoltaica está em constante expansão. Esta energia é cada vez mais presente no nosso dia a dia auxiliando na produção de energia limpa e renovável para utilização em lugares onde, ainda não se tenha acesso à rede elétrica.
Atualmente o domínio desse tipo de tecnologia é exercido principalmente por empresas internacionais que têm produtos semelhantes e com custos bem acessíveis. Porém, esta tecnologia ainda é pouco conhecida no Brasil, o que facilita a expansão deste produto, busca-se um produto de baixo custo e boa confiabilidade para que se possa atingir o mercado atual.
A partir disso foi feita uma análise do mercado atual para se conhecer as vantagens e desvantagens de cada concorrente, para assim comparar o que tem sido desenvolvido na área, a fim de otimizar o produto e reduzir seu custo.
Com isso, espera-se que o protótipo do produto ofereça baixo custo para competir no mercado e que tenha um bom carregamento de aparelhos externos.
3.2.3 Benchmark
Dentre os concorrentes nacionais e internacionais que foram considerados como competitivos estão: ECObarraca [17], SOLPROX sunbrella [18] e Sinohere [19].
A empresa ECO BARRACA oferece um produto de baixo custo e que pode ser utilizado como acessório no guarda-sol, utilizando de um painel fotovoltaico com conexão USB. Este produto faz o carregamento direto dos dispositivos eletrônicos. Porém, tem a desvantagem de não ofertar a energia necessária para os dispositivos caso a condição climática não seja favorável, tendo pouca capacidade de carregamento em dias de baixa incidência solar.
Especificações da placa fotovoltaica: - Dimensões: 18cm L, 44cm Altura. - Potência: 6,75W.
Fig. 4- Guarda sol ECOBARRACA [17] Fonte: ecobarraca.com.br
A empresa Sinohere Sunbrella, de Zheijang na China, oferece ao usuário um guarda sol que possui entradas USB ligadas diretamente ao painel solar, e
possui somente uma placa solar com baixa eficiência, o que não possibilita carregar aparelhos eletrônicos efetivamente em dias nublados. Este produto possui LEDs de iluminação e o fornecedor não nos dá detalhes sobre o desempenho das placas fotovoltaicas.
Fig. 5 – Guarda sol Sinohere [19]. Fonte: alibaba.com
O último concorrente é a empresa SOLPROX, que oferta um guarda sol que também possui LEDs para iluminação e um banco de baterias de lítio-íon de 2000mAh para armazenamento da energia. O produto oferece duas entradas USB acopladas a haste central do guarda-sol, que são alimentadas pela bateria interna.
Fig. 6 – Guarda Sol SOLPROX [18]. Fonte: amazon.com
Eco Barraca Sinohere SolProx
Painel fotovoltaico Eficiente Eficiente Eficiente
Controlador de carga Eficiente Eficiente Eficiente
Bateria Não possui Não possui Lítio-íon 2000mAh
Proteção UV Moderada Baixa Alta
Quadro 1 - Comparativo entre os possíveis concorrentes. Fonte: Elaboração própria.
Observa-se que há um nicho de mercado muito claro para a oferta do produto em território nacional. Visto que ainda não existem produtos dentro do país que ofertem o armazenamento de energia, e nem desempenho suficiente dos painéis fotovoltaicos para atender os requisitos de projeto, com isso a proposta de desenvolver o produto fica ainda mais evidente.
3.2.4 Requisitos de Projeto
Considerando a aplicação deste produto, foram levantados os requisitos de projeto, que foram baseados nas necessidades e expectativas dos clientes, além da expansão futura do mercado consumidor. Eles servem para determinar as especificações do produto, que são:
• Baixo custo
O produto tem como objetivo apresentar o menor valor para seu desenvolvimento, utilizando materiais de baixo custo.
• Capacidade de fornecimento de energia
O produto tem por finalidade ofertar capacidade de carga suficiente para carregar dispositivos eletrônicos externos até mesmo em dias nublados, e que seja durável.
• Peso
O produto deve apresentar uma massa de valor baixo para que se facilite seu transporte, oferecendo assim um produto leve para os usuários.
• Segurança
O produto deverá operar de modo seguro, não oferecendo riscos de choque elétrico, esmagamento, mutilação e incêndio. Assim deverá haver um revestimento dos fios elétricos com material isolante, e dispositivos de proteção
nas hastes do guarda sol, evitando lesões corporais do operador, garantindo que que não lhe cause danos. Além disso o guarda-sol irá operar em tensão baixa, evitando o risco de choques elétricos.
O material de revestimento da lona deverá apresentar no mínimo 60% de fator de proteção UV, oferecendo proteção ao consumidor.
3.2.5 Definição do Produto
De acordo com os requisitos iniciais, os estudos do problema e as pesquisas de concorrência definiu-se o produto a ser desenvolvido. Este será um sistema de captação de energia solar, armazenamento de energia em bateria e fornecimento para o usuário. O Produto deverá seguir os requisitos anteriores levantados pelos usuários.
3.3 Projeto Conceitual
De acordo com Carpes [16], o projeto conceitual tem por finalidade gerar os conceitos ou princípios de soluções viáveis para o produto. Assim, o problema relacionado com o conceito do produto é analisado, definido e dividido em partes. Esta etapa de projeto visa a desenvolver a síntese funcional do produto, para desta forma obter um conjunto de alternativas viáveis para solucionar o problema proposto pelo projeto informacional. No qual consiste na matriz morfológica, o resultado será um conjunto de alternativas viáveis capazes de oferecer soluções parciais para as subfunções do produto.
A função principal, também chamada função global do produto é captar energia proveniente do sol, armazená-la e disponibilizá-la aos usuários.
3.3.1 Função Global
Para melhor entender o fluxo de funcionamento do produto é necessário desenvolver a função global, a Fig. 7 a seguir mostra as entradas e saídas do processo.
Fig. 7 – Função global Fonte: Elaboração própria.
Com a função global definida, pode se dividir o produto em subfunções que atendam a sua necessidade principal. As subfunções formam um processo que é necessário para a função global e são definidas perguntando como a função global irá funcionar, definindo assim a síntese funcional.
3.3.2 Síntese Funcional
A síntese funcional visa a determinar todas as possíveis subfunções do produto para que se busquem alternativas de projeto que as satisfarão. A Fig. 8 mostra a síntese funcional do produto.
Fig. 8 – Síntese funcional Fonte: Elaboração própria.
3.3.3 Matriz Morfológica
Com base nos dados da síntese funcional, montou-se a matriz morfológica do produto, conforme o Quadro 2 abaixo, onde foram listadas alternativas para realizar as funções propostas anteriormente.
Subfunção Alternativa A Alternativa B Alternativa C Alternativa D
Absorção solar
Painel monocristalínico
Painel policristalínico
Painel Silício Amorfo Painel laminado PET
Armazenamento de energia
Bateria Lítio-íon Bateria Li-Po
Sem bateria Bateria estacionaria Controle de carga DDY9081 T4056 XH-M601 SJH300B Material de recobrimento
Nylon Algodão Lona
Poliester
Quadro 2 – Matriz morfológica.
3.3.4 Avaliação da Matriz Morfológica
Para avaliar as alternativas propostas anteriormente faz-se necessário o uso de critérios de seleção, estes serão baseados nos resultados obtidos anteriormente, selecionando suas futuras subfunções mais adequadas ao projeto.
Nessa etapa foi feito uma análise de cada alternativa encontrada na matriz morfológica avaliando quatro critérios: baixo custo, capacidade de fornecimento de energia, peso e segurança.
Os critérios de economia e capacidade são os mais importantes para a criação de um produto barato que gere maiores lucros para a empresa e que supra as necessidades do usuário, evitando problemas quanto a qualidade e custos para empresa.
Já os critérios de peso e segurança foram avaliados para garantir um produto que oferte energia renovável sem oferecer riscos, sendo um produto fácil de transportar, tornando seu uso confiável.
Feitas as pesquisas para coletar as informações necessárias sobre cada decisão de projeto, fez-se um quadro avaliativo com notas de 0 a 10 para cada alternativa, onde 0 para o menos adequado e 10 para o mais apropriado. Em seguida foram somadas as notas para que se chegasse a uma decisão, conforme descritos no Quadro 3, Quadro 4, Quadro 5, e Quadro 6 abaixo.
Absorção de energia solar Total
Alternativas Baixo custo Capacidade Peso Segurança
Monocristalino 7 10 8 10 35
Policristalino 8 8 8 10 34
Silício amorfo 7 7 8 10 32
Laminado PET 10 5 10 10 35
Quadro 3 – Alternativas para absorção solar Fonte: Elaboração própria.
Armazenamento de energia Total
Alternativas Baixo custo Capacidade Peso Segurança
Lítio-íon 8 9 8 8 33
Lítio-po 9 8 9 9 35
Sem bateria 10 0 10 10 30
Estacionária 9 10 0 10 29
Quadro 4 – Alternativas para armazenamento de energia Fonte: Elaboração própria.
Controle de carga Total
Alternativas Baixo custo Capacidade Peso Segurança
DDY9081 10 8 8 10 36
TP4056 9 8 8 10 35
XH-M601 8 7 8 10 33
JSH300B 8 8 8 10 34
Quadro 5 – Alternativas para controle de carga. Fonte: Elaboração própria.
Material de cobertura do guarda-sol Total
Alternativas Baixo custo Capacidade Peso Segurança
Nylon 10 5 5 5 25
Algodão 9 8 7 7 31
Lona 8 9 8 8 33
Fibra sintética 8 10 10 10 38
Quadro 6 – Alternativas para definição do material. Fonte: Elaboração própria.
• Conceitos
Com as notas definidas, foram desenvolvidos dois conceitos de produto utilizando as alternativas com melhores desempenhos na avaliação.
Os conceitos definidos podem ser observados no Quadro 7 a seguir.
Subfunção Conceito A Conceito B
Absorção solar Laminado PET Monocristalino
Armazenamento Lítio-Po Lítio-íon
Controle de carga DDY9081 DDY9081
Material de revestimento Fibra sintética Lona
Quadro 7 – Definição dos conceitos. Fonte: Elaboração própria.
Realizou-se testes para observar seus comportamentos reais para ambos os conceitos, buscando qual é realmente o mais apropriado para o produto, levando em consideração os requisitos e as alternativas levantadas até o momento e a partir dos testes, conforme constam os resultados experimentais em anexo nos
apêndices deste relatório, avaliou-se que um novo conceito foi definido como o mais apropriado. As definições de projeto estão descritas no Quadro 8 a seguir.
Subfunção Alternativas selecionadas
Absorção solar Monocristalino
Armazenamento Duas baterias de Lítio-Po em paralelo
Controle de carga DDY9081
Material Fibra sintética
Quadro 8 – Definições de projeto
3.4 Projeto Preliminar
Esta etapa do projeto tem como objetivo apresentar a configuração do produto utilizando o que já foi definido anteriormente nas etapas informacional e conceitual.
Como o produto já possui uma estética definida por padrão, pode-se elaborar o painel do produto, conforme ilustra a Fig. 9 a seguir, que possui informações importantes para complementar o conceito do projeto utilizando imagens dos concorrentes e palavras chaves que são pertinentes no seu desenvolvimento.
Fig. 9 - Painel do produto. Fonte: Elaboração própria.
3.5 Configuração do Produto
Projetou-se o guarda-sol fotovoltaico com integração de módulos eletrônicos adaptados na mecânica de um guarda-sol comum. As escolhas
tiveram em vista o barateamento do produto, pois os componentes selecionados foram de baixo custo. A seguir serão definidos os módulos do produto.
3.5.1 Módulo Eletrônico
O módulo eletrônico possui a principal função do produto, pois com ele diferencia-se o projeto de um guarda-sol comum. O principal requisito deste trabalho foi de possuir componentes de baixo custo, por isto escolheu-se utilizar componentes eletrônicos de baixa qualidade para iniciar com os testes e a coleta de dados. Caso a escolha não demonstre bons resultados, posteriormente serão selecionados novos componentes com custos um pouco mais elevados e com melhores qualidades para validar a viabilidade da comercialização. O sistema é composto pelos seguintes componentes exemplificados na Fig. 10.
a) Painel fotovoltaico b) Gerenciador de carga c) Bateria
Fig. 10 – Componentes do módulo eletrônico. Fonte: Elaboração própria.
3.5.1.1 Painel Fotovoltaico
Os painéis fotovoltaicos são componentes eletrônicos que ao serem expostos a luz do sol passam a converter a energia solar em energia elétrica, estes componentes possuem diversas características especificas referente ao grau de pureza do silício utilizado e disposição nas suas construções internas. Neste trabalho temos o objetivo de quantificar a potência gerada pelo painel a fim de obter-se o menor custo de investimento para ele.
Entre os painéis disponíveis no mercado selecionamos inicialmente o painel fotovoltaico policristalino, construído em material reciclável PET (uma vez que um dos objetivos é se obter um produto sustentável) de modelo 107-6 da marca chinesa Yaluosi, como ilustra a Fig. 11, com dados nominais de 5V/130mA. Tal modelo possui baixo valor de custo e é do mesmo fornecedor da bateria de Lítio-Po e o gerenciador de carga, o que o torna uma ótima opção para o produto, visto a facilidade de adquiri-lo comercialmente.
Fig. 11 – Painel fotovoltaico Yalousi 5V/130mA Fonte: Elaboração própria.
Inicialmente testou-se o painel fotovoltaico individualmente, onde ao aplicar o método de MPPT (Máximo Power Point Track) com variação de carga resistiva notou-se que não havia uma proporcionalidade no aumento da potência com o número de painéis adicionados em paralelo, onde esperava-se quadriplicar a
potência ao adicionarmos 4 painéis em paralelo, tal fato ocorre devido a carga aplicada ser linear, não obtendo os resultados esperados, conforme constam os dados descritos no apêndice F, e então ao conectar o painel ao gerenciador de carga obteve-se os resultados reais com maior geração da potência, havendo assim a proporcionalidade devido a carga aplicada não ser linear, e então passou-se aos testes seguintes.
Mas por fim, notou-se que mesmo adicionando quatro painéis em paralelo a potência gerada ainda é pouca para suprir as necessidades do projeto conforme demonstram os resultados experimentais no apêndice A.
Decidiu-se então, fazer uma nova pesquisa de painéis com maior geração de potência, buscando assim um melhor custo-benefício devido ao requisito do projeto de se obter um produto com baixo custo e qualidade.
Feita uma nova pesquisa de fornecedores encontramos no fornecedor UsinaInfo [20] um painel fotovoltaico com características nominais de 5V/500mAh, conforme ilustra a Fig. 12 a seguir, com o valor de custo de cem reais (R$100,00).
Ao receber o módulo realizou-se os mesmos testes e técnicas de MPPT utilizados no painel da Yalousi, para observar graficamente as suas características reais, onde concluiu-se também que os resultados não condizem com a realidade, conforme constam os resultados no apêndice F, pois o método utiliza carga linear para o teste. E então ao conectar este painel em conjunto com os demais componentes do sistema obteve-se resultados satisfatórios, devido a capacidade de corrente fornecida, onde analisou-se seu potencial de geração de energia.
Observou-se que o painel da UsinaInfo produziu o triplo de corrente quando comparado ao da Yalousi, o que valida sua aquisição, pois com apenas um painel teve-se três vezes mais corrente gerada do que a associação em paralelo de quatro peças do painel anterior e ocupou-se aproximadamente a mesma área. Tais resultados são descritos e discutidos em maiores detalhes a seguir neste relatório.
Fig. 12 – Painel fotovoltaico 5V/500mAh. Fonte:usinainfo.com [20].
3.5.1.2 Controlador de Carga
Este é o componente eletrônico responsável pelo gerenciamento das entradas e saídas de energia do sistema, que através de um circuito integrado tem a função de gerenciar a carga proveniente do sol absorvida pelo painel fotovoltaico e armazená-la no banco de baterias, ofertando posteriormente ou conjuntamente esta carga para o usuário via portas de saída USB. Estes são selecionados a partir do custo, da quantidade de saídas USB, tempo de descarga de energia para a bateria interna e tempo de oferta de energia para carregamento de dispositivos eletrônicos externos.
Neste trabalho iremos analisar o dimensionamento e as limitações de um gerenciador de carga de modelo DDY-908-1 chinês da marca Yalousi, que utiliza um circuito integrado de gerenciamento de energia monolítico, de descrição HT4936S, que opera com um compartilhamento avançado de porta de carga e descarga e retificação síncrona. O circuito básico de funcionamento deste circuito é ilustrado pela Fig. 13 a seguir.
Fig. 13 – Circuito básico do módulo gerenciador de energia com o CI HT4936S [24]. Fonte: Imagem da internet.
Este módulo, conforme ilustra a Fig. 14, já possui duas saídas USB integradas, uma entrada microUSB para carregar a bateria interna com fontes externas 5V, para que o usuário possa também efetuar o carregamento do guarda-sol diretamente na rede elétrica, o que oferta a possibilidade de desacoplamento do sistema fotovoltaico para que seja utilizado também como um PowerBank (termo utilizado em inglês que caracteriza um produto que possui um sistema de armazenamento de energia utilizado como carregador portátil), dando assim modularidade para maiores possibilidades de utilização do produto para o usuário.
Possui indicações por LEDs smd do estado da bateria, onde observou-se que os LEDs possuíam um circuito básico que foi alterado de 4 LEDs para 5, onde somente o primeiro LED foi duplicado no projeto, deixando assim o usuário acreditar que possui mais carga do que realmente está sendo ofertada.
Possui também um LED de alto brilho para iluminação, do qual os contatos podem servir como melhoria de projeto futuro utilizando os pinos de alimentação para iluminação do próprio guarda-sol em horários noturnos, estendendo assim o “dia de praia”.
Fig. 14 - Módulo gerenciador de energia com o CI HT4936S. Fonte: Elaboração própria.
3.5.1.3 Bateria
As baterias têm como função principal no produto armazenar energia, então ao selecionar as baterias para o desenvolvimento do protótipo deve-se atentar à capacidade de armazenamento e à quantidade de energia ofertada para o usuário, observando detalhadamente suas perdas e quantidade de energia armazenada e o seu tempo de descarregamento com carga.
Inicialmente a bateria selecionada para o protótipo do projeto foi a de Lítio-polímero (Li-Po) com capacidade nominal de 5000 mAh, conforme ilustra a Fig. 15, para compararmos os resultados obtidos nos testes de carregamento e descarregamento da bateria utilizamos o gráfico representado na Fig. 16 para que nos auxilie a entender os níveis de tensão em que a mesma opera.
Fig. 15 – Bateria Litio-Po Fonte: Elaboração própria.
Fig. 16 – Gráfico de descarregamento da bateria Li-Po [21].
Podemos espelhar o gráfico de descarregamento para observar suas características de carregamento. E então desta análise gráfica observa-se que ao se aproximar de 3,5V a bateria se apresenta descarregada (entre 0 e 20% de carga) e como capacidade máxima de carga a bateria se aproxima dos 4V (entre 80 e 100%). Iremos então analisar a faixa entre estes dois valores para sabermos a real potência fornecida.
Essa bateria foi utilizada somente nas primeiras etapas do projeto, onde se comprovou através dos testes descritos no apêndice A, que a mesma não possui
a capacidade de armazenamento suficiente para que se complete um ciclo de carga no smartphone.
A partir disso reavaliou-se a questão das baterias para o produto, pois a proposta do produto ser ecológico e possuir um impactante componente ambiental não dá credibilidade a sua concepção.
Decidiu-se então que as baterias propostas para o produto piloto seriam de lítio-íon (Lí-íon) recicladas de notebook, conforme ilustra a Fig. 17 ajudando assim na redução do impacto ambiental causado pelo mal descarte das mesmas, e ainda obtendo uma bateria com maior qualidade para o produto.
Fig. 17 – Bateria Litio-ion [22]
As caraterísticas técnicas destas baterias estão ilustradas na Fig. 18 a seguir, graficamente percebemos que a ao atingir a capacidade máxima a bateria aproximasse de 4,2V de tensão e para valores próximos de 3,5V a bateria apresenta baixa carga, por tratar-se de um bateria de lítio-íon não é recomendável descarregar a mesma por completo, para que não diminua sua vida útil.
Utilizamos estes valores para ter uma base de como o sistema deveria se comportar e para se comparar com os resultados reais obtidos.
Fig. 18 – Gráfico de descarregamento da bateria de lítio-íon [22].
Para que se aumente a capacidade do total de carga armazenada, conectaram-se três células desta bateria em paralelo, sendo que cada célula possui dados nominais de 4,2V / 2200mAh, resultou-se em um banco de baterias de dados nominais de 4,2V / 6600mAh.
Não é desejável associar baterias em paralelo, pois pode haver desequilíbrio de energia armazenada em cada uma delas. O desejável é procurar no mercado baterias de maior capacidade (Ah). Porém, em alguns casos a capacidade é padronizada para determinadas tecnologias de baterias. Por exemplo, em notebooks é comum ter baterias em paralelo, e visto isso, nesta monografia fez-se a reciclagem de três células de bateria de lítio-íon retiradas de um notebook, as quais foram conectadas em paralelo, e posteriormente utilizou-se 2 baterias de Li-Po das quais foram as mais apropriadas para o projeto.
Os resultados obtidos através dos testes de carga e descarga de ambas as escolhas estão descritos com maiores detalhes no apêndice B deste relatório.
Devido aos riscos de sobrecarga de ambas as tecnologias, recomendasse utilizar um circuito de proteção na bateria que limite o seu carregamento máximo em 4,3V, preservando assim a vida útil da mesma e evitando acidentes com sobrecarga e aquecimento, tal circuito é ilustrado pela Fig. 19 a seguir.
Fig. 19 – Circuito de proteção para bateria de lítio-íon 3,7V [23] Fonte: Aliexpress
4
ENSAIOS EXPERIMENTAIS
Neste capítulo discute-se os resultados obtidos através dos dados coletados dentre as etapas de testes efetuados para avaliar o comportamento dos componentes do módulo eletrônico, assim como observar seus desempenhos a partir de condições reais de ambiente.
Para a coleta de dados dos valores de irradiância utilizou-se o medidor de potência solar ICEL-sp2000, do qual obtém-se um referencial comparativo entre a potência solar das condições de ambiente e o comportamento do desempenho do módulo eletrônico.
Os dados de condições climáticas, temperatura e nebulosidade foram extraídos do aplicativo ClimaTempo, visto que o protótipo necessita exclusivamente destas condições estarem favoráveis para seu melhor desempenho.
Extraíram-se os dados elétricos em intervalos de 5 minutos utilizando um multímetro da marca ICEL de modelo V-6111TRUE RMS. Estas coletas foram realizadas em diversas situações climáticas, obtendo-se uma variedade de potência solar, temperatura ambiente, estação do ano e irradiância, para que se
obtivessem dados de situações reais em ambiente de utilização do produto, evitando as condições extremas , pois não faria sentido testar somente em dias de muito sol, sendo que o produto poderá ser utilizado em dias com nebulosidade, assim como em dias de baixo potencial solar, onde não seria um dia típico para frequentar a praia, tais dados constam nos resultados disponíveis nos apêndices A, B e C deste relatório. Neste capítulo apresentam-se somente uma etapa de teste que constitui o módulo eletrônico, pegando como exemplo uma situação intermediária das condições climáticas e que resultou satisfatoriamente para discussão.
𝑉 = 𝑅 𝑥 𝐼
Eq. 1 – Lei de ohm
Onde: V = Tensão R = Resistência I = Corrente
4.1
Integração
do
Módulo
Eletrônico
Passou-se a coletar os dados do protótipo com todos os componentes eletrônicos interligados, conforme ilustra aFig.20a seguir, inseriu-se noterminal negativo de cada componente do sistema, um resistor de baixo valor em série para que fosse medida a corrente, atravésde suatensão.
Para que nos facilitasse os cálculos e não produzisse queda de tensão
significativa, utilizou-se resistores shunt com valor de 1 ohm de resistência, e, através da lei de ohm descritapelaEq.1a seguir, chega-seao valor de corrente, que se iguala ao valor de tensão medida no resistor.
Fig. 20 – Esboço do módulo eletrônico com resistores shunt. Fonte: Elaboração própria.
Mediram-se os valores de corrente e tensão de cada componente do sistema eletrônico, que multiplicados obtém-se a potência; visto que a quantidade de energia é o resultado do produto entre a potência consumida em um intervalo de tempo, como exemplifica a Eq. 2 a seguir, o produto da potência obtida com o intervalo de tempo nos dará a quantidade de energia gerada durante o período total de teste.
∆𝐸 = 𝑃 𝑥 ∆𝑡
Eq. 2 – Quantidade de energia
Onde:
P = Potência em Watts
∆𝑡 = Intervalo de tempo em horas.
Adotou-se por padrão um intervalo de 5 minutos, ou 0,08333 horas, por medição em todas as etapas de testes, tais medidas de potência e tempo são multiplicadas entre si onde obtém-se a quantidade de energia fornecida durante este intervalo, e então é feita uma somatória destes valores, que nos concedem a quantidade total de energia transferida durante todo o tempo de funcionamento de teste do módulo eletrônico.
Calculou-se uma média percentual de perda entre os componentes do projeto conforme exemplifica a Eq. 3 a seguir, que através das entradas e saídas do sistema podemos nos aproximar de um valor de perda e então analisou-se a energia transferida entre os módulos.
%𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎 = 100 𝑥 ( 𝑃𝑓𝑜𝑟𝑛𝑒𝑐𝑒−𝑃𝑟𝑒𝑐𝑒𝑏𝑒 𝑃𝑓𝑜𝑟𝑛𝑒𝑐𝑒 )
Eq. 3 – Percentual de perda de energia.
Para analisar o comportamento real de cada componente do produto fizeram-se algumas etapas de testes. Sendo elas:
• 1ª etapa de teste: Rede elétrica e bateria interna
Essa etapa de teste nos fornece informações da capacidade de carga e de tempo de carregamento da bateria interna do produto até que sofra a queda de corrente, indicando seu carregamento total, quando ligada através do gerenciador de carga diretamente à rede elétrica com uma fonte padrão microUSB com valores nominais de 5V e 2A de saída.
• 2ª etapa de teste: Bateria interna e smartphone
Nesta etapa analisa-se o descarregamento da bateria interna do projeto, para uma carga não linear. Utilizou-se como carga um smartphone da marca Motorola de modelo E1, com dados nominais de 1980mAh de bateria, que foi conectado ao circuito desligado, este possui um circuito de carga interno, presente na maioria dos dispositivos eletrônicos, que tem como função controlar a carga e/ou sobrecarga do aparelho, por isso é importante citar qual dispositivo utilizou-se para o teste, pois existem uma infinidade de circuitos eletrônicos que variam o consumo de carga conforme sua aplicação e utilização.
Este procedimento nos dará dados da potência fornecida pela bateria interna do protótipo e dados de potência recebida pela bateria do smartphone desligado, visto que ambas as baterias e circuitos eletrônicos do produto e do smartphone, possuem perdas na transmissão de energia entre as baterias.
Ao inverter a corrente de uma bateria é gerada uma queda ou um aumento de tensão quando a bateria está descarregando ou carregando devido a sua resistência interna, conforme ilustra a Fig. 21 a seguir.
armazena
bateria
+
V
bat -Icarga Idescarga Rsérie+
V
bat_int-Fig. 21 – Modelo elétrico equivalente de uma bateria. Fonte: Elaboração própria.
Por isto, para avaliar a tensão na célula interna da bateria é necessário avaliar a tensão que a bateria se encontra quando desconectada do circuito.
• 3ª etapa de teste: Painel fotovoltaico e bateria interna
Nesta condição de teste observa-se a real influência que o painel fotovoltaico possui no carregamento da bateria interna, sem conectar uma carga externa. A partir destes dados analisou-se o tempo de carregamento da bateria e a potência fornecida pelo painel fotovoltaico. Nota-se que seu melhor desempenho depende diretamente das condições de irradiância solar e temperatura ambiente, assim como o ângulo de incidência solar, sendo mais eficientes valores próximos ou iguais ao ângulo reto, perpendiculares ao plano do painel fotovoltaico.
• 4ª etapa de teste: Painel fotovoltaico, bateria interna e smartphone Por fim temos a real condição de teste do funcionamento do protótipo como um todo, simulando as condições de ambiente de trabalho que o produto irá atuar.
Analisou-se a potência fornecida à carga externa pelo painel fotovoltaico e pela bateria em conjunto, com o objetivo de gerar carga o suficiente para satisfazer as necessidades dos usuários, completando assim um ciclo de carga completo no smartphone, deixando-o com 100% de carga.
Então através destes cálculos já podemos observar se os componentes selecionados são satisfatórios ou não para sua utilização no produto. Tais dados serão discutidos com mais detalhes a seguir. A Fig. 22 a seguir ilustra a montagem do protótipo eletrônico que será adaptado no guarda-sol, assim como seus pontos de medição de cada componente.
Fig. 22 – Montagem do módulo eletrônico com resistores shunt. Fonte: elaboração própria.
4.1.1 Resultados Experimentais do Protótipo
A seguir apresentam-se e discutem-se os resultados das etapas de testes
realizadas com o painel fotovoltaico monocristalino da UsinaInfo, de dados nominais de 5V/500mA, agrupadocom duas baterias de Lítio-Po3,7V/5000mAh ligadas em paralelo, totalizando dados nominais de 3,7V/10000mAh, ligados em conjunto com o gerenciadorde carga selecionado.
Ressalta-se que nesta etapa de teste o medidor de potência solar
apresentou um mal funcionamento até que o mesmo deixou de funcionar, sendo assim para as últimas aquisições de dados não obtivemos os valores de irradiância solar parasecomparar com o comportamento do protótipo, mas para os demais testes apresentados nos apêndices A e B deste relatório pôde ser feita a medição e compreenderde como os componentes se comportam a partir dos valores medidos.
Porém como trata-se de uma medida essencial para o entendimento do funcionamento do protótipo os valores de irradiância solar foram extraídos diretamente do site da INMET (Instituto Nacional de Meteorologia), onde apresentasse no histórico de dados da estação de Florianópolis.
Importante também frisar que antes de interligar as baterias de Li-Po o valor de tensão de uma das baterias indicava 3,73V enquanto a outra indicava o valor de 3,95V, e se obteve o valor de 3,88V no equilíbrio das cargas ao conectar as duas em paralelo.
Rede Fonte Fornece Bateria Armazena Recebe Perda Intervalo Ener_out Ener_In Tensão (V) Corrente (A) Potência (W) Tensão (V) Corrente (A) Potência (W) Potência (%) t (h) (W.h) (W.h) 5,04 0,422 2,12688 3,9 0,403 1,5717 26,103024 0,0833333 0,130975 0,17724 5,05 0,42 2,121 3,94 0,401 1,57994 25,509665 0,0833333 0,1316617 0,17675 5,01 0,411 2,05911 3,95 0,392 1,5484 24,802463 0,0833333 0,1290333 0,1715925 4,98 0,417 2,07666 3,96 0,398 1,57608 24,105053 0,0833333 0,13134 0,173055 5,01 0,422 2,11422 3,97 0,403 1,59991 24,326229 0,0833333 0,1333258 0,176185 4,9 0,414 2,0286 3,98 0,395 1,5721 22,503204 0,0833333 0,1310083 0,16905 4,88 0,41 2,0008 3,98 0,391 1,55618 22,222111 0,0833333 0,1296817 0,16673333 5,04 0,409 2,06136 3,99 0,39 1,5561 24,511002 0,0833333 0,129675 0,17178 5,05 0,408 2,0604 3,99 0,389 1,55211 24,669482 0,0833333 0,1293425 0,1717 5,04 0,406 2,04624 4 0,387 1,548 24,34905 0,0833333 0,129 0,17052 5,04 0,405 2,0412 4 0,386 1,544 24,358221 0,0833333 0,1286667 0,1701 5,04 0,39 1,9656 4,01 0,371 1,48771 24,312678 0,0833333 0,1239758 0,1638 5,04 0,375 1,89 4,01 0,356 1,42756 24,467725 0,0833333 0,1189633 0,1575 5,01 0,366 1,83366 4,02 0,347 1,39494 23,925919 0,0833333 0,116245 0,152805 5,02 0,36 1,8072 4,02 0,341 1,37082 24,146746 0,0833333 0,114235 0,1506 5,01 0,355 1,77855 4,03 0,336 1,35408 23,866071 0,0833333 0,11284 0,1482125 4,98 0,345 1,7181 4,03 0,326 1,31378 23,532972 0,0833333 0,1094817 0,143175 4,99 0,012 0,05988 4,04 0,009 0,03636 39,278557 0,0833333 0,00303 0,00499
Quadro 9 – Carga das baterias internas utilizando a rede elétrica. Fonte: Elaboração própria.
4.1.1.1 Teste1-Cargautilizando a rede elétrica
Para aprimeira etapa de teste fizemos uma coleta de dados para analisar a
capacidade de armazenamento das 2 baterias de Li-Po ligadas em paralelo assim como o seu tempo de carregamento, utilizou-se uma fonte padrão microUSB de dados 5V/2A nominais, ligado diretamente à rede elétrica. Este procedimento nos deu os dados descritos no Quadro9a seguir.
Nos ensaios desta monografia, no pior dos casos, a queda de tensão em cima dos resistores Shunt, chega a cerca de 10%. Por exemplo, nesta primeira aquisição, com corrente de 0,422A a perda de potência no Shunt foi de 8,3%, ou seja, na verdade a potência de entrada é maior que os 2,13W da tabela, fazendo com que sem os Shunts a bateria interna será carregada mais rápido e com menos perda. A mesma consequência ocorrerá junto a bateria interna, pois com 0,403A no seu resistor Shunt a bateria interna deixa de receber 10,3% da potência de 1,57W.
Obteve-se, em tempo total de 1 hora e 30 minutos de teste, o carregamento completo das baterias, tal carregamento se sucedeu rapidamente devido às baterias já possuírem carga interna ao início do teste, e a partir destes dados tratados obtiveram-se os resultados de quantidade de energia de entrada de 2,8157W.h fornecida pela fonte conectada à rede elétrica e 2,1324W.h de quantidade de energia de saída recebida pela bateria interna do protótipo, com taxa de perda de energia de aproximadamente 25,05% devido a eletrônica embarcada e fugas de energia através de calor.
A partir destes dados pudemos gerar o gráfico ilustrado na Fig. 23 abaixo, que nos mostra o comportamento da potência pelo tempo.
Fig. 23 – Pin e Pout da carga nas baterias internas utilizando a rede elétrica. Fonte: elaboração própria.
A coleta de dados obteve o total de 18 aquisições, obtendo como última medida a queda de corrente devido a bateria ter sido carregada por completo, o que faz com que o gerenciador de carga se desligue para proteger a bateria interna de sobrecarga e aquecimento.
0 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 P o tênc ia (W ) Tempo (5 minutos)
