CÂMPUS CURITIBA
ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
ANA FLAVIA DOS REIS
DENIS RODRIGO HAMERSCHMIDT
GABRIEL BORMIO ROCHA
POSICIONADOR DE PAINEL FOTOVOLTAICO AUTOMÁTICO
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
CURITIBA 2017
ANA FLAVIA DOS REIS
DENIS RODRIGO HAMERSCHMIDT
GABRIEL BORMIO ROCHA
POSICIONADOR DE PAINEL FOTOVOLTAICO AUTOMÁTICO
Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado à disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso 2, do curso de Engenharia de Controle
e Automação do Departamento Acadêmico de
Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) como requisito para obtenção do título de Engenheiro de Controle e Automação.
Orientador: Prof. Dr. Elder Oroski
Coorientador: Prof. Dr. Miraldo Matuichuk
CURITIBA 2017
A folha de aprovação assinada encontra-se na Coordenação do Curso de Engenharia de Controle e Automação.
POSICIONADOR DE PAINEL FOTOVOLTAICO AUTOMÁTICO
Este Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação foi julgado e aprovado como requisito parcial para a obtenção do Título de Engenheiro De Controle e Automação, do curso de Engenharia de Controle e Automação do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR).Curitiba, 06 de Dezembro de 2017.
____________________________________ Prof. Paulo Sergio Walenia, Esp.
Coordenador de Curso Engenharia de Controle e Automação
____________________________________ Prof. Marcelo de Oliveira Rosa, Dr.
Responsável pelos Trabalhos de Conclusão de Curso de Engenharia de Controle e Automação do DAELT
ORIENTAÇÃO BANCA EXAMINADORA
______________________________________ Elder Oroski, Dr.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná Orientador
______________________________________ Miraldo Matuichuk, Dr.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná Co-Orientador
_____________________________________ Jair Urbanetz Junior, Dr.
UTFPR
_____________________________________ Miraldo Matuichuk, Dr.
UTFPR
_____________________________________ Rafael Fontes Souto, Dr.
AGRADECIMENTOS
A Deus, pela Graça do Sol.
Aos nossos pais, por todas as renúncias feitas em nome da nossa formação. Em especial ao pai da Ana Flávia, Sr. Décio Reis, que nos auxiliou na construção das mesas para os ensaios realizados.
À Rahel Pfaff, namorada do Denis, pelo auxílio e paciência durante os ensaios das nossas apresentações.
Ao nosso orientador, Prof. Dr. Elder Oroski, pelo suporte, correções e incentivos durante o trabalho.
Aos professores integrantes da banca examinadora, por dedicarem seu tempo à nossa avaliação. Em especial ao Prof. Dr. Miraldo Matuichuk, pela disponibilização do laboratório de mecânica e valiosa ajuda na construção da estrutura mecânica do protótipo.
À equipe da modelaria UTFPR, em nome do Sr. Francisco Ferreira dos Santos, pelo auxílio nas questões relativas à marcenaria.
Ao Prof. Dr. Paulo Cézar Stadzisz pela confiança no empréstimo de equipamentos e à toda equipe do Laboratório de Inovação Tecnológica da UTFPR pela cordialidade.
Por fim, a todos que contribuíram direta ou indiretamente para que esse trabalho fosse realizado, os nossos sinceros agradecimentos.
REIS, A. F.; HAMERSCHMIDT, D. R.; ROCHA, G. B.; POSICIONADOR DE PAINEL FOTOVOLTAICO AUTOMÁTICO. 121 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia de Controle e Automação). Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2017.
O projeto trata do desenvolvimento de um protótipo de posicionador para módulo fotovoltaico com dois graus de liberdade realizado com apenas uma fonte de torque, de forma que o eixo do atuador utilizado está diretamente acoplado ao mecanismo de 4 barras responsável pela variação da elevação do protótipo e a transmissão deste movimento ao eixo de azimute, que é realizada através de um conjunto de engrenagens. O sistema mecânico é controlado por um dispositivo de entradas e saídas reconfigurável, a MyRIO, e a programação desta controladora é desenvolvida em Software LabVIEW. A malha do sistema é fechada através de um acelerômetro utilizado como inclinômetro que, portanto, realimenta o sistema com o ângulo de elevação do módulo. O controle implementado é feito por um controlador PID. Visa-se, por fim, atestar a viabilidade do sistema através da comparação de suas aquisições de geração de energia com as de um módulo fotovoltaico fixo.
ABSTRACT
REIS, A. F.; HAMERSCHMIDT, D. R.; ROCHA, G. B.; POSICIONADOR DE PAINEL FOTOVOLTAICO AUTOMÁTICO. 121 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia de Controle e Automação). Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2017.
The project deals with the development of a prototype of positioner for photovoltaic module with two degrees of freedom with only one source of torque, so that the axis of the actuator used is directly coupled to the mechanism of 4 bars responsible for the variation of the elevation of the prototype and the transmission of this movement to the azimuth axis, which is performed through a set of gears. The mechanical system is controlled by a reconfigurable input and output device, MyRIO, and the programming of this controller is developed in LabVIEW Software. The system loop is closed by an accelerometer used as an inclinometer which, therefore, feeds the system with the elevation angle of the module. The implemented control is done by a PID controller. Finally, it is intended to prove the feasibility of the system by comparing its energy generation acquisitions with those of a fixed photovoltaic module.
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FIGURA 1 Expectativa de Geração de Energia Mundial: Ano 1995. . . 19 –
FIGURA 2 Expectativa de Geração de Energia Mundial: Ano 2025. . . 20 –
FIGURA 3 Expectativa de Geração de Energia Mundial: Ano 2050. . . 20 –
FIGURA 4 Componentes da radiação solar: direta, difusa e refletida. . . 21 –
FIGURA 5 Capacidade Mundial e Adições anuais em Energia Solar Fotovoltaica,
2006-2016. . . 23 –
FIGURA 6 Capacidade e adições anuais da Energia Solar Fotovoltaica, 10 principais
países, 2016. . . 24 –
FIGURA 7 Oferta Interna de Energia Elétrica. . . 24 –
FIGURA 8 Oferta Interna de Energia Elétrica - 2015 (%). . . 25 –
FIGURA 9 Mapa Fotovoltaico do Brasil - Média Diária Anual. . . 25 –
FIGURA 10 Mapa Fotovoltaico do Estado do Paraná - Total anual no Plano Inclinado. 26
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FIGURA 11 Classificação das células fotovoltaicas em termos dos materiais utilizados. 27
–
FIGURA 12 Circuito equivalente da célula fotovoltaica. . . 28 –
FIGURA 13 Hierarquia dos componentes de um sistema fotovoltaico. . . 29 –
FIGURA 14 Rastreador solar passivo utilizando dois cilindros idênticos com fluido sob
pressão parcial. . . 31 –
FIGURA 15 Princípio de equilíbrio de iluminação utilizando uma barreira de
sombreamento. . . 31 –
FIGURA 16 Esquema de um rastreador utilizando células fotovoltaicas bifaciais. . . 32
–
FIGURA 17 Rastreador de eixo horizontal . . . 33 –
FIGURA 18 Rastreador de eixo vertical e rastreador polar respectivamente. . . 33 –
FIGURA 19 Rastreador azimute/elevação (esquerda) e rastreador polar/equatorial
(direita). . . 34 –
FIGURA 20 Ângulos de azimute e elevação vistos por um observador no ponto Q. . . 34
–
FIGURA 21 Elevação e Azimute a partir da UTFPR Campus Centro. . . 35 –
FIGURA 22 ângulos α e β relacionandos à aceleração gravitacional e o plano cartesiano
do rastreador solar. . . 36 –
FIGURA 23 Malha de controle rastreador solar. . . 37 –
FIGURA 24 Controle PID de um processo. . . 37 –
FIGURA 25 mostra a disposição e as funções da NI myRIO-1900 . . . 39 –
FIGURA 26 (a) Pacote do sistema integrado NI myRIO 1900, incluindo NI myRIO 1900,
conector MPX, acessórios, fonte de alimentação e cabos. (b) Arquitetura reconfigurável de entradas e saídas da NI myRIO 1900. Baseia-se em quatro componentes: um processador, um FPGA reconfigurável, entradas e saídas, e software de design gráfico. . . 39 –
FIGURA 27 Eixo sem-fim simples conectado a uma engrenagem. . . 40 –
rastreador solar do tipo polar com um eixo. . . 41 –
FIGURA 29 Protótipo de rastreador solar de um eixo. . . 41 –
FIGURA 30 Caixa de redução. . . 42 –
FIGURA 31 Atuadores lineares responsáveis pelo movimento de elevação em algumas
aplicações de rastreamento solar. . . 42 –
FIGURA 32 Sistema de rastreamento solar de dois eixos utilizando atuadores
independentes em várias configurações. . . 43 –
FIGURA 33 Sistema de rastreamento solar de dois eixos com atuador linear circulado. 44
–
FIGURA 34 Sistema de rastreamento solar de dois eixos com dois motores elétricos. . 44
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FIGURA 35 Desenho do protótipo desenvolvido para a validação do sistema. . . 45
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FIGURA 36 Mecanismo de 4 barras. . . 46 –
FIGURA 37 Sistema de transmissão de movimento unidirecional manivela-biela. . . 47
–
FIGURA 38 Protótipo de validação do sistema. . . 47 –
FIGURA 39 Curva para eixo do motor variando 360o. . . 50 –
FIGURA 40 Dimensionamento do sistema de elevação. . . 51 –
FIGURA 41 Servo motor JX Servo PDI-6221MG. . . 52 –
FIGURA 42 Estrutura de sustentação. . . 54 –
FIGURA 43 Mecanismo de 4 barras. . . 55 –
FIGURA 44 Engrenagens cônicas de polipropileno. . . 56 –
FIGURA 45 Coroas dentadas e corrente. . . 56 –
FIGURA 46 Eixo principal de transmissão de movimento. . . 57 –
FIGURA 47 Bucha de acoplamento entre servo motor e eixo principal. . . 57 –
FIGURA 48 Eixo secundário de transmissão. . . 58 –
FIGURA 49 Disco de aço ABNT 1045 para fixação da coroa dentada. . . 59 –
FIGURA 50 Disco para regulagem da posição do eixo de transmissão secundário. . . 59
–
FIGURA 51 Disco de polipropileno para fixação da coroa dentada. . . 60 –
FIGURA 52 Bucha de nylon para alocação do rolamento do giro da parte superior. . . . 60
–
FIGURA 53 Eixos roscados rosca métrica M8. . . 61 –
FIGURA 54 Acelerômetro MMA7361. . . 62 –
FIGURA 55 Pinagem Acelerômetro MMA7361. . . 62 –
FIGURA 56 Curva de Operação do Acelerômetro obtida em ensaio. . . 64 –
FIGURA 57 Modelo e Curva de Operação do Acelerômetro. . . 65 –
FIGURA 58 Curva do protótipo real para o ensaio em malha aberta. . . 67 –
FIGURA 59 Regressão por MMQ e Curva do protótipo real. . . 68 –
FIGURA 60 Curva simulada no projeto e Regressão por MMQ. . . 68 –
FIGURA 61 Resposta ao degrau do sistema em malha fechada. . . 70 –
FIGURA 62 Curva característica corrente x tensão do módulo fotovoltaico. . . 70 –
FIGURA 63 Divisor de tensão construído. . . 71 –
FIGURA 64 Ruído Branco Uniforme em LabVIEW. . . 72 –
FIGURA 65 Ruído Branco Uniforme Aplicado no Ensaio. . . 73 –
FIGURA 66 (a) Modelo de Hammerstein e (b) Modelo de Wiener . . . 73 –
FIGURA 67 Modelo de Hammerstein-Wiener. . . 74 –
FIGURA 68 Não-linearidades da entrada e saída do modelo. . . 75 –
FIGURA 69 Comparativo entre modelo e protótipo real. . . 75 –
FIGURA 70 Ensaio com aquisições de corrente pelos amperímetros e tensão pela
MyRIO. . . 77 –
LISTA DE TABELAS
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TABELA 1 Comprimento das estruturas do protótipo. . . 50 –
TABELA 2 Parâmetros PID sintonizados. . . 69 –
TABELA 3 Não-linearidades da entrada, θ2, e saída, θ4, do modelo . . . 74
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CC Corrente Contínua
EPE Empresa de Pesquisa Energética
INMET Instituto Nacional de Meteorologia
INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
LIT Laboratório de Inovações Tecnológicas
MDF Medium Density Fiberboard
MicroER Renewable Energy Microgeneration Management System
MPPT Maximum Power Point Tracking
MSE Mean Squared Error
NI National Instruments
PID Proporcional, Integral e Derivativo
UNSEGED United Nations Solar Energy Group
UTFPR Universidade Tecnológica Federal do Paraná
VI Virtual Instrument
SES Sistema Eletrônico Especializado
SWERA Solar Wind Energy Resources Assessment
SubVI Sub Virtual Instrument
CC EPE INMET INPE LIT MDF MicroER MPPT MSE NI PID UNSEGED UTFPR VI SES SWERA SubVI
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO . . . 13 1.1 DELIMITAÇÃO DO TEMA . . . 14 1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS . . . 14 1.3 OBJETIVOS . . . 15 1.3.1 Objetivo Geral . . . 15 1.3.2 Objetivos Específicos . . . 15 1.4 JUSTIFICATIVA . . . 15
1.5 DESCRIÇÃO DO PROJETO MICROER . . . 16
1.6 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS . . . 17 1.7 ESTRUTURA DO TRABALHO . . . 18 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA . . . 19 2.1 ENERGIA RENOVÁVEL . . . 19 2.2 RADIAÇÃO SOLAR . . . 21 2.3 A TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA . . . 22
2.3.1 A Tecnologia Fotovoltaica no Mundo . . . 22
2.3.2 A Tecnologia Fotovoltaica no Brasil . . . 24
2.3.3 Potencial Fotovoltaico do Estado do Paraná . . . 26
2.4 COMPONENTES DO SISTEMA FOTOVOLTAICO . . . 27
2.4.1 Célula Fotovoltaica . . . 27
2.4.1.1 Circuito Elétrico Equivalente de uma Célula Fotovoltaica . . . 28
2.4.2 Módulo Fotovoltaico . . . 28
2.5 RASTREADORES SOLARES . . . 29
2.6 TIPOS DE RASTREADORES SOLARES . . . 30
2.6.1 Classificação Quanto ao Tipo de Controle . . . 30
2.6.2 Classificação Quanto à Estratégia de Rastreamento . . . 32
2.7 DADOS DE ENTRADA DO SISTEMA DE CONTROLE . . . 34
2.8 SENSORES . . . 35
2.9 MALHA DE CONTROLE . . . 37
2.10 SOFTWARE LABVIEW . . . 38
2.10.1NI myRIO-1900 . . . 38
2.11 CONJUNTOS ELETROMECÂNICOS PARA A MOVIMENTAÇÃO DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS . . . 40
2.11.1Sistema com um atuador e um grau de liberdade . . . 40
2.11.2Sistema com dois atuadores e dois graus de liberdade . . . 42
3 PROJETO E CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO . . . 45
3.1 DESCRIÇÃO DO PROJETO MECÂNICO E CONSTRUÇÃO . . . 45
3.2 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA . . . 48
3.2.1 Processo Construtivo da Estrutura Mecânica . . . 52
3.2.1.1 Estrutura de Sustentação . . . 52
3.2.1.2 Estrutura de Transmissão de Movimento . . . 55
3.3.3 Cálculo do Erro Médio Quadrático do Modelo do Acelerômetro . . . 65
4 VALIDAÇÃO, CONTROLE E IDENTIFICAÇÃO DO SISTEMA . . . 66
4.1 COMPARATIVO ENTRE O SISTEMA MECÂNICO SIMULADO E REAL . . . 66
4.2 FECHAMENTO DA MALHA DE CONTROLE EM LABVIEW . . . 69
4.3 ANÁLISE DA CURVA DE CARGA DO MÓDULO FOTOVOLTAICO . . . 70
4.4 IDENTIFICAÇÃO DO SISTEMA . . . 71
4.4.1 Ruído Branco . . . 72
4.4.2 Obtenção do Modelo do Sistema . . . 73
4.4.3 Obtenção da MSE do modelo . . . 75
5 AQUISIÇÃO E ANÁLISE DA CURVA DE POTÊNCIA . . . 76
5.0.1 Análise das Aquisições . . . 78
5.0.2 Análise dos Custos . . . 79
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS . . . 80
6.1 TRABALHOS FUTUROS . . . 81
REFERÊNCIAS . . . 83
ANEXO A: DATASHEET DO ACELERÔMETRO MMA7361 . . . 87
APÊNDICE A: DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE ELEVAÇÃO . . . 98
APÊNDICE B: CÓDIGO DESENVOLVIDO EM LABVIEW PARA O ENSAIO EM MALHA ABERTA . . . 102
APÊNDICE C: CÓDIGO DESENVOLVIDO EM LABVIEW PARA O ENSAIO EM MALHA FECHADA . . . 109
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1 INTRODUÇÃO
Com uma crescente demanda energética e o com a crescente preocupação das autoridades com questões ambientais, novos conceitos e novas tecnologias para obtenção de energia vêm sendo estudados. Nesse contexto, conforme consta em EPE (2014), a capacidade de geração elétrica fotovoltaica instalada no Brasil aumentou em 200% entre os anos de 2013 e 2014.
O crescimento da capacidade de geração elétrica fotovoltaica instalada no Brasil aconteceu principalmente pela energia solar se apresentar como uma ótima alternativa, visto que entre suas vantagens estão:
• Simplicidade de instalação; • Facilidade de expansão;
• Elevado grau de confiabilidade do sistema;
• Redução das perdas por transmissão de energia devido à proximidade entre geração e consumo;
• Pouca necessidade de manutenção.
Além disso, os sistemas fotovoltaicos são fontes silenciosas e não poluentes de geração de energia elétrica (CARRIJO et al., 2010).
Em uma comparação entre os fatores naturais que influenciam a utilização desta tecnologia no âmbito mundial, o Brasil é um país privilegiado, visto que sua localização geográfica resulta em uma grande radiação solar em grande parte de seu território e ao longo do ano. O Paraná, por exemplo, possui um potencial de geração fotovoltaica superior às localidades com maior capacidade instalada na Europa (TIEPOLO et al., 2014).
Sistemas de posicionamento de painéis fotovoltaicos, utilizando sensores e
o custo. A exemplo disso, a aplicação feita em Marinescu e Marinescu (2006), apresentada na Conferência Internacional da IEEE em 2006, demonstrou que um sistema de rastreamento solar com um grau de liberdade pode aumentar em 20% a produção de eletricidade, enquanto um sistema com dois graus de liberdade pode aumentar em 40% a produção de eletricidade.
Neste cenário, este trabalho versa sobre a instalação de um módulo fotovoltaico com posicionador na cidade de Curitiba, capital do estado do Paraná.
1.1 DELIMITAÇÃO DO TEMA
O posicionamento automático dos painéis fotovoltaicos a partir de coordenadas solares pré-definidas permite aumentar a eficiência do sistema (PRINSLOO; DOBSON, 2014). Considerando uma unidade de microgeração de energia, regulamentada pela Resolução Normativa 687/2015 da ANEEL como sistema de potência menor ou igual a 75kW (ANEEL, 2015), a implementação desta otimização deve ser feita de modo que um sistema de controle de baixo custo seja capaz de captar a maior incidência solar possível.
O presente trabalho é delimitado no estudo e desenvolvimento de um protótipo de posicionador para módulo fotovoltaico que, em sua construção posterior em maiores dimensões, será aplicado ao projeto de um sistema eletrônico especializado para monitorar e gerenciar a produção, armazenamento e consumo de energia renovável em uma unidade de microgeração no Laboratório de Inovações Tecnológicas (LIT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) e financiado, em partes, pela empresa National Instruments.
1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS
A obtenção de energia elétrica através de painéis fotovoltaicos é uma alternativa para a diversificação da matriz energética brasileira. Apesar disso, esta tecnologia é relativamente cara e, certamente, sua competitividade é primeiramente governada por sua performance e estabilidade (LUQUE; HEGEDUS, 2011).
Segundo Chogueur et al. (2015), o rastreamento solar pode ser economicamente benéfico à sistemas se os custos complementares com os mecanismos rastreadores (motores, circuitos, manutenção, etc.) forem mais baixos que o novo custo global, visto que a produção de energia do sistema móvel é maior que a do sistema fixo.
Sendo assim, qual será o melhor método para alcançar um rastreamento solar adequado
15
utilizando apenas uma fonte de torque? Quais variáveis a serem consideradas para este
rastreamento e quais os sensores a serem utilizados? Qual método de controle será o mais eficiente?
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo Geral
Desenvolver um sistema de posicionamento de um módulo fotovoltaico com dois graus de liberdade, utilizando apenas uma fonte de torque, por meio de um mecanismo controlado a partir de coordenadas de elevação e azimute, previamente definidas.
1.3.2 Objetivos Específicos
• Elaborar uma revisão bibliográfica sobre a utilização de geração fotovoltaica;
• Estudar o potencial fotovoltaico do Estado do Paraná a partir de referências teóricas; • Analisar o método de controle para o desenvolvimento do sistema de posicionamento de
um módulo fotovoltaico a partir de coordenadas solares previamente definidas;
• Utilizando apenas uma fonte de torque, desenvolver um método para construir um posicionador para módulo fotovoltaico com dois graus de liberdade, realizando, assim, os movimentos de elevação e azimute;
• Utilizar os controladores, sensores e software (LabVIEW) da National Instruments, concedidos à UTFPR como parte do projeto de desenvolvimento de um Sistema Eletrônico Especializado (SES) para monitorar e gerenciar a produção, armazenamento e consumo de energia renovável em uma unidade de microgeração, na elaboração e construção do posicionador do módulo fotovoltaico;
• Fazer um comparativo entre a geração fotovoltaica com e sem a aplicação de um posicionamento controlado do módulo fotovoltaico.
1.4 JUSTIFICATIVA
A microgeração de energias renováveis é uma forma alternativa de complementar a produção energética brasileira. Esta, por ser essencialmente hidroelétrica e baseada em
combustíveis fósseis, necessita de um sistema de distribuição custoso e tem sua produção afetada por variáveis de difícil controle como, por exemplo, a variação pluviométrica.
Neste contexto, a energia fotovoltaica possibilita uma geração energética mais geograficamente distribuída, melhorando os índices de disponibilidade da matriz brasileira e reduzindo seus custos (VALLÊRA; BRITO, 2006). O aumento na demanda por novos estudos que permitam avanços técnicos e tecnológicos para a melhor utilização destas fontes de energia é evidente no Brasil e no mundo e, sendo assim, é necessário evoluir o conhecimento sobre o tema e capacitar mais profissionais para atuarem nesta área.
O presente projeto é parte de uma proposta de desenvolvimento de pesquisa tecnológica em gerenciamento e otimização de unidades de microgeração de energia renovável, aplicado no Laboratório de Inovação da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) e financiado, em partes, pela empresa National Instruments. O objetivo principal é conceber e desenvolver um Sistema Eletrônico Especializado para monitorar e gerenciar a produção,
armazenamento e consumo de energia renovável em uma unidade de microgeração. Seu
desenvolvimento busca possibilitar ao usuário final definir seu perfil de consumo preferido e, assim, ajustar dinamicamente o consumo de acordo com a disponibilidade energética oferecida pela unidade.
Em aspectos gerais, o projeto terá grande contribuição de caráter tecnológico e permitirá aos pesquisadores participantes interagir com a indústria e com novas tecnologias de gerenciamento energético, tendo envolvimento com diversas áreas de interesse da engenharia como Identificação de Sistemas, Sistemas Embarcados e Controle de Sistemas.
Do ponto de vista específico da aplicação deste trabalho de conclusão de curso, dentre os equipamentos e interfaces integradas, o desenvolvimento do posicionador para o módulo fotovoltaico é justificado pela busca por uma maior eficiência de geração. Para tanto, o monitoramento e gerenciamento do painel por meio do rastreamento solar possibilitará a otimização da captação de energia solar e, por consequência, um aumento na produção energética. A implementação deste recurso permitirá um estudo comparativo entre geração fotovoltaica com e sem a aplicação posicionamento controlado, bem como possíveis contribuições no âmbito da teoria de Controle.
1.5 DESCRIÇÃO DO PROJETO MICROER
Este trabalho é inserido em um projeto de desenvolvimento de uma bancada laboratorial de microgeração de energia renovável para pesquisas sobre controle e
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gerenciamento energético realizado no Laboratório de Inovações Tecnológicas (LIT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) e intitulado Renewable Energy
Microgeneration Management System(MicroER).
O projeto proposto se insere na problemática da geração de energia renovável, notadamente da microgeração de energia como forma de complementar a produção
hidroelétrica e baseada em combustíveis fósseis no Brasil. O projeto prevê, através da
construção de uma Bancada Laboratorial especializada, o domínio das técnicas de projeto, integração e gerenciamento dos diferentes módulos necessários para a microgeração de energias renováveis, em uma visão sistêmica.
O MicroER visa a integração dos diferentes módulos de um sistema de microgeração de energia, particularmente os módulos associados ao armazenamento, conversão, monitoração, gerenciamento de carga e gerenciamento ambiental e, assim, ter uma contribuição e caráter tecnológico na forma de um projeto técnico de referência e da construção de uma unidade de microgeração de energia renovável.
A parcela de contribuição deste trabalho para o projeto MicroER é referente à construção do protótipo de um sistema de posicionamento de um módulo fotovoltaico e apresentação de seus resultados experimentais para que, posteriormente, esta estrutura possa ser desenvolvida em maiores escalas.
1.6 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
• 1. Revisão bibliográfica e estado da arte:
A. Elaborar uma revisão bibliográfica sobre a utilização de geração fotovoltaica; B. Estudar os principais métodos de controle a fim de selecionar o que melhor se encaixe ao projeto.
• 2. Análise e escolha dos materiais gerais:
A. Avaliar os sensores, atuadores e controladores fornecidos pela National Instruments;
B. Escolher os dispositivos que melhor se adequarem ao Sistema Fotovoltaico; C. Estudar a implementação de sistemas mecânicos e elementos de transmissão. • 3. Desenvolvimento da malha de controle de posicionamento do módulo fotovoltaico
A. Implementar o método de controle dentre os ofertados pelo software, levando em consideração a simplicidade e a eficiência do método.
• 4. Realização e aquisição de dados de entrada
A. Utilizar dados de elevação e azimute previamente definidos fornecidos para posicionamento do módulo fotovoltaico.
• 5. Construção do protótipo:
A. Implementar os elementos mecânicos de transmissão. • 6. Coleta de dados:
A. Coletar dados do sistema fotovoltaico com posicionamento automático e um sistema fotovoltaico fixo;
B. Analisar e comparar os dados dos dois sistemas.
1.7 ESTRUTURA DO TRABALHO
O presente estudo será trabalhado e discutido nos seguintes capítulos:
• Capítulo 1 - Introdução, tema, delimitação do tema, problemas e premissas, objetivo geral, objetivos específicos, justificativa, procedimentos metodológicos e estrutura do trabalho;
• Capítulo 2 - Embasamento teórico sobre os métodos de controle aplicáveis ao sistema fotovoltaico, a situação dos sensores, atuadores e software a ser utilizado;
• Capítulo 3 - Desenvolvimento prático abordando o projeto e a construção da estrutura mecânica do módulo fotovoltaico e a descrição do sensor utilizado;
• Capítulo 4 - Validação do mecanismo, fechamento da malha de controle e identificação do sistema construído;
• Capítulo 5 - Apresentação dos resultados e discussões sobre o ensaio realizado, confrontando os dados coletados com os esperados;
• Capítulo 6 - Considerações finais quanto aos resultados da modelagem do sistema e ao desempenho do sistema de posicionamento automático e de um sistema fixo.
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2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 ENERGIA RENOVÁVEL
As energias renováveis são provenientes de ciclos naturais de conversão da radiação solar, fonte primária de quase toda energia disponível na Terra, são praticamente inesgotáveis e não alteram o balanço térmico do planeta (PACHECO, 2006).
Conforme consta no livro Aldabó (2002), estudos feitos pelo Nations Solar Energy
Group for Environment and Development (UNSEGED) e apresentados na Conferência das
Nações Unidas Para o Desenvolvimento e Meio Ambiente, mostraram uma perspectiva gráfica do cenário energético mundial dos próximos 50 anos. Esta perspectiva é apresentada nas figuras 1, 2 e 3:
Figura 1: Expectativa de Geração de Energia Mundial: Ano 1995. Fonte: (ALDABÓ, 2002).
Figura 2: Expectativa de Geração de Energia Mundial: Ano 2025. Fonte: (ALDABÓ, 2002).
Figura 3: Expectativa de Geração de Energia Mundial: Ano 2050. Fonte: (ALDABÓ, 2002).
Percebe-se que as energias renováveis e geotérmica são, segundo este estudo, as que terão maior crescimento na geração.
No âmbito nacional, segundo cálculo feito pelo Ministério de Minas e Energia do Brasil, no ano de 2026, a estimativa de consumo de energia elétrica no Brasil é de 744 TWh/ano (MME, 2017). Em 2015, conforme consta em EPE (2015), foram produzidos no Brasil 581,5 TWh e, deste total, a geração hidroelétrica respondeu por 359,7 TWh. Nesta perspectiva, considerando apenas a fonte hidroelétrica, esta deverá obter um aumento de aproximadamente 45% para atender à demanda futura.
O horizonte de consumo da energia elétrica no Brasil motiva a busca por uma diversificação da matriz energética, ou seja, por diferentes energias que ajudem a suprir a
21
demanda da população, o que justifica os estudos e pesquisas referentes às energias geradas a partir da força dos ventos, da captação de luz solar e até mesmo de matéria orgânica.
Estas fontes energéticas ganham ainda mais foco quando esta crescente demanda energética é aliada à busca pela diminuição do consumo de combustíveis fósseis, seja pelo compromisso com questões ambientais ou, novamente, pela preocupação com um possível esgotamento no futuro.
2.2 RADIAÇÃO SOLAR
A radiação recebida na Terra provém do Sol, a estrela central do sistema solar. A energia gerada pelo Sol é irradiada para o universo na forma de radiações eletromagnéticas. A maior parte da vida neste planeta está relacionada à existência desta estrela, pois esta depende da luz e de sua energia (RIFKIN, 2003).
A radiação total, que é a incidente sobre uma superfície inclinada, a exemplo da atmosfera terrestre, inclui as duas componentes: direta e difusa. Além destas componentes, há mais uma parcela devida à radiação refletida na superfície e nos elementos do entorno, que é função do albedo do local (VIANA, 2010). Conforme a NBR 10899 (NBR, 2006), o albedo é o índice relativo à fração da energia solar, recebida em uma unidade de área, devida à refletância dos arredores e do solo onde está instalado um dispositivo. Estas componentes podem ser melhor entendidas na figura 4:
Figura 4: Componentes da radiação solar: direta, difusa e refletida. Fonte: (VIANA, 2010).
Valores como a média diária, mensal e anual de irradiação são levadas em consideração para a análise de geração fotovoltaica de uma determinada posição geográfica (ALMEIDA, 2012).
2.3 A TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA
Ao longo da história, várias foram as utilizações da energia solar, desde a iluminação natural dos ambientes, reflexão e concentração da radiação através de espelhos para iluminação e aquecimento de água, e mais recentemente para geração de energia elétrica (TIEPOLO, 2015) A energia solar fotovoltaica é gerada através da conversão direta da luz solar em eletricidade. Esta conversão é realizada através do Efeito Fotovoltaico, observado por Edmond
Bequerel em 1839. Se estabeleceu uma diferença de potencial nas extremidades de uma
estrutura semicondutora, quando incidia uma luz sobre ela (NASCIMENTO, 2004).
Várias foram as descobertas da microeletrônica e os desenvolvimentos científicos do Século XX, dentre estas estão:
• O advento da física quântica;
• A teoria de bandas e semicondutores;
• As técnicas de purificação e dopagem aplicadas a transistores.
Estas descobertas impulsionaram os estudos da tecnologia fotovoltaica e possibilitaram a apresentação da primeira célula fotovoltaica usando silício, no ano de 1954, pelos pesquisadores Calvin Fuller, Gerald Pearson e Daryl Chapin. Tinha apenas dois centímetros quadrados de área e uma eficiência de 6%, gerando 5 mW de potência elétrica (VALLÊRA; BRITO, 2006).
2.3.1 A Tecnologia Fotovoltaica no Mundo
O setor elétrico teve seu maior aumento anual de capacidade de geração de todos os tempos no ano de 2015, com um crescimento significativo em todas as regiões. As energias eólica e solar fotovoltaica apresentaram adições recordes pelo segundo ano consecutivo, respondendo por cerca de 77% das novas instalações (REN21, 2016).
O mercado de energia solar fotovoltaica cresceu aproximadamente 25% no ano de 2016 em relação a 2015, com um aumento recorde de 75 GW, elevando o total global para 303
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GW. Este aumento também foi observado nos anos anteriores. Do ano de 2006 em diante esta capacidade mais que dobrou a cada dois anos. Nos anos de 2010 a 2013 foram adicionados em torno de 30 GW a cada ano, em 2013 esta adição aumentou para 38 GW, em 2014 para 40 GW e em 2015 para 51 GW (REN21, 2017). Este crescimento é demonstrado graficamente na figura 5:
Figura 5: Capacidade Mundial e Adições anuais em Energia Solar Fotovoltaica, 2006-2016. Fonte: (REN21, 2017).
Segundo o artigo Renewable Energy Policy Network for the 21st Century do autor Burrett et al. (2009), os países com maior capacidade instalada de energia solar fotovoltaica são: China, que teve um aumento em 34,5 GW instalados em 2016 e terminou este ano com aproximadamente 78 GW instalados, à frente do Japão, que com a adição de 8,6 GW instalados no ano de 2016 atingiu aproximadamente 42 GW e Alemanha, que com a adição de 1,5 GW, somou aproximadamente 41 GW em 2016. Conforme apresentado graficamente na figura 6:
Figura 6: Capacidade e adições anuais da Energia Solar Fotovoltaica, 10 principais países, 2016. Fonte: (REN21, 2017).
2.3.2 A Tecnologia Fotovoltaica no Brasil
No Brasil, a maior parte da energia elétrica provém de fonte hidroelétrica. A
oferta interna de energia elétrica gerada a partir de energia solar teve um crescimento de aproximadamente 267% entre os anos de 2014 e 2015, passando de 16 GWh para 59 GWh gerados. Apesar deste ter um crescimento expressivo, esta fonte ainda é pouco significativa na matriz nacional, visto que a geração total somou 615.908 GWh (MME, 2016), incluindo a importação, conforme conteúdo da figura 7:
Figura 7: Oferta Interna de Energia Elétrica. Fonte: (MME, 2016).
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A figura 8 ilustra a matriz da Oferta Interna de Energia Elétrica Brasileira por meio de gráficos, evidenciando a pequena parcela da geração solar:
Figura 8: Oferta Interna de Energia Elétrica - 2015 (%). Fonte: (MME, 2016).
Apesar da fonte de energia solar ser pouco expressiva na Oferta Interna de Energia elétrica brasileira, o Mapa Fotovoltaico do Brasil apresentado na figura 9 mostra que o território possui um grande potencial fotovoltaico.
Figura 9: Mapa Fotovoltaico do Brasil - Média Diária Anual. Fonte: (RÜTHER, 2004).
Os dados do mapa fotovoltaico da figura 9 estão na unidade [kWh/kWp.dia] e, portanto, apresentam a média anual do total diário de energia elétrica, em [kWh], que pode ser gerado a cada 1 [kWp] de potência energética instalada.
2.3.3 Potencial Fotovoltaico do Estado do Paraná
O potencial fotovoltaico do Paraná foi analisado no estudo de (TIEPOLO, 2015). Em seu trabalho, foram analisados os dados obtidos no projeto Solar Wind Energy Resources
Assessment (SWERA) do Atlas Brasileiro de Energia Solar, disponibilizado pelo Instituto
Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). Este estudo rendeu o Mapa Fotovoltaico do Estado do Paraná - Total anual, apresentado na figura 10:
Figura 10: Mapa Fotovoltaico do Estado do Paraná - Total anual no Plano Inclinado. Fonte: (TIEPOLO, 2015).
Segundo Tiepolo (2015), o estudo comparativo entre o Mapa Fotovoltaico do Paraná e o da Europa, que foi a região com maior capacidade fotovoltaica instalada no ano de 2015, mostra que o Paraná apresenta valores de potencial de geração superiores.
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2.4 COMPONENTES DO SISTEMA FOTOVOLTAICO
2.4.1 Célula Fotovoltaica
A conversão da energia solar em energia elétrica acontece, primariamente, nas células fotovoltaicas, dispositivos que utilizam da conversão de energia solar em eletricidade (ALMEIDA, 2012).
O desenvolvimento da tecnologia fotovoltaica se deve em grande parte ao aperfeiçoamento dos materiais utilizados na fabricação das células (COELHO et al., 2008). A figura 11 classifica as células de acordo com o material utilizado na fabricação:
Figura 11: Classificação das células fotovoltaicas em termos dos materiais utilizados. Fonte: (COELHO et al., 2008).
O gráfico da eficiência das tecnologias em células fotovoltaicas, coletadas pelo Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL), mostra que a eficiência das células de silício monocristalino e policristalino situa-se entre 15-20% e 13-16%, respectivamente, enquanto as células de filmes finos têm eficiência entre 6-12% (NREL, 2017).
aumentou significativamente em 2016, com um aumento de até 29% em comparação com o ano de 2015. Estimou-se que a produção de filmes finos aumentou em 11%, representando 6% da produção fotovotaica global em 2015.
2.4.1.1 Circuito Elétrico Equivalente de uma Célula Fotovoltaica
O circuito elétrico simplificado de uma célula fotovoltaica é apresentado na figura 12:
Figura 12: Circuito equivalente da célula fotovoltaica. Fonte: Adaptado de Casaro e Martins (2008).
A corrente Icel é gerada por conta do efeito fotoelétrico causado pela energia luminosa incidente (G), dada em [W /m2]. Esta corrente, portanto, é proporcional à radiação. Vcel é
a tensão de saída da célula. Rsh representa as perdas internas ou por correntes de fuga e Rs
representa as perdas causadas devido às quedas de tensão nos contatos metálicos (COELHO et al., 2008).
2.4.2 Módulo Fotovoltaico
Uma célula fotovoltaica apresenta uma tensão de saída muito baixa, ainda que esta esteja funcionando em sua máxima potência. Os módulos fotovoltaicos são constituídos da ligação série e/ou paralela de células fotovoltaicas, com o intuito de elevar a potência de saída (PATEL, 2005).
Quando a demanda de tensão de um sistema é muito elevada, estes módulos podem ser associados em série, compondo uma Série Fotovoltaica, ou em paralelo, compondo um arranjo fotovoltaico (ALMEIDA, 2012). Esta hierarquia é identificada na figura 13:
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Figura 13: Hierarquia dos componentes de um sistema fotovoltaico. Fonte: (ALMEIDA, 2012).
2.5 RASTREADORES SOLARES
A potência extraída por um módulo fotovoltaico depende da área que este está
recebendo a radiação solar direta (ARAÚJO, 2015). Dessa maneira, a máxima potência
será extraída quando o painel estiver posicionado perpendicularmente aos raios solares, maximizando a incidência dos mesmos. Nos painéis fotovoltaicos fixos, a radiação solar direta será perfeitamente perpendicular somente por um curto período ao longo do dia e em alguns dias do ano. Visando manter os painéis perpendiculares aos raios solares por um maior período, desenvolveram-se estudos em rastreadores solares.
No ano de 1962, Henry Finster construiu o primeiro rastreador solar composto por uma estrutura mecânica. Um ano depois, Saavedra apresentou um mecanismo de rastreamento utilizando um pireliômetro para auxiliar o controle de posicionamento (MOUSAZADEH et al., 2009).
Desde então várias estruturas de rastreamento têm sido propostas, com técnicas que visam o ganho de geração de energia em relação às estruturas físicas, bem como a eficiência do modelo de acordo com a região onde o módulo é instalado, além da viabilidade econômica do mesmo.
Segundo Kvasznicza e Elmer (2006), os sistemas de rastreamento solar devem possuir as seguintes características:
• Estrutura com uma ou duas colunas; • Movimento em um ou dois eixos; • Dispositivos de detecção de luz;
• Alimentação de energia autônoma ou auxiliar; • Seguidor de luz ou de trajetória pré-programada; • Movimento contínuo ou gradual.
Visando uma maior eficiência na conversão de energia, várias técnicas de extração de máxima potência dos painéis fotovoltaicos (MPPT – Maximum Power Point Tracking) são empregadas na construção destes sistemas. Várias são as técnicas que podem ser empregadas. Um estudo aprimorado e a aplicação desses métodos pode render em uma importante melhora no rendimento do sistema (BRITO et al., 2010).
2.6 TIPOS DE RASTREADORES SOLARES
2.6.1 Classificação Quanto ao Tipo de Controle
Existem dois grupos básicos na classificação dos rastreadores: passivos e ativos. Os passivos utilizam-se das características de dilatação térmica ou da transferência de massa entre dois pontos para movimentar os módulos fotovoltaicos, fazendo-os acompanhar o trajeto do sol. Já os ativos utilizam atuadores para impor movimento ao módulo fotovoltaico. Estes atuadores podem ser de natureza hidráulica ou eletromecânica, que empregam motores elétricos para a movimentação do painel (ARAÚJO, 2015). A figura 14 mostra um exemplo de rastreador solar passivo:
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Figura 14: Rastreador solar passivo utilizando dois cilindros idênticos com fluido sob pressão parcial.
Fonte: (CLIFFORD; EASTWOOD, 2004).
Segundo Mousazadeh et al. (2009), os rastreadores ativos podem ainda ser divididos entre os que utilizam microprocessadores e sensores eletro-ópticos, os que se baseiam na hora e data local e os que utilizam células solares bifaciais, podendo ainda haver a combinação destes três sistemas.
Rastreadores que utilizam microprocessadores e sensores eletro-ópticos analisam a diferença de iluminação entre os sensores e enviam um sinal para que o motor seja acionado e o painel se mova, de modo que essa diferença seja equilibrada. Esse princípio pode ser visto na figura 15:
Figura 15: Princípio de equilíbrio de iluminação utilizando uma barreira de sombreamento. Fonte: (MOUSAZADEH et al., 2009).
Rastreadores que utilizam células fotovoltaicas auxiliares funcionam de maneira que o acúmulo de energia solar recebido em uma face desta célula possa acionar um motor DC que mude a orientação da estrutura de maneira a diminuir o ângulo γ, mostrado na figura 16, e, por consequência, alinhar os painéis maiores perpendicularmente ao sol. Este funcionamento é explicado no trabalho de Mousazadeh et al. (2009) e Poulek e Libra (2000).
Figura 16: Esquema de um rastreador utilizando células fotovoltaicas bifaciais. Fonte: (POULEK; LIBRA, 2000).
Rastreadores baseados em “hora e data” calculam a posição do sol a partir de formulações em algoritmos que tomam por base a hora, a data e a posição geográfica do local onde o módulo fotovoltaico é fixado (MOUSAZADEH et al., 2009). Os algoritmos, então, fornecem a elevação e o azimute e o controlador envia sinais para acionar o motor e posicionar o módulo. Esta informação é comparada com a posição do mesmo obtida pelo acelerômetro, funcionando como inclinômetro, e obtém-se o erro de rastreamento necessário para o posicionamento do rastreador (ARAÚJO, 2015).
2.6.2 Classificação Quanto à Estratégia de Rastreamento
Os rastreadores solares também podem classificados quanto a estratégia de rastreamento e, dessa maneira, podem apresentar um ou dois eixos de liberdade. Com apenas um eixo, o rastreador pode ter orientação polar, norte-sul ou leste-oeste, como é analisado em Oliveira (2008). Alguns exemplos são mostrados nas figuras 17 e 18:
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Figura 17: Rastreador de eixo horizontal Fonte: (OLIVEIRA, 2008).
Figura 18: Rastreador de eixo vertical e rastreador polar respectivamente. Fonte: (POULEK; LIBRA, 2000).
Estes rastreadores apresentam um menor custo, porém, apresentam uma menor eficiência, devido o rastreamento ser realizado em apenas um sentido (LIRA, 2014).
Com dois eixos é possível construir um rastreador azimute/elevação - um eixo varia o azimute do módulo fotovoltaico e o outro varia a inclinação da superfície, ou um rastreador polar/equatorial - um eixo é inclinado de acordo com a latitude local e o ângulo de seguimento acompanha o ângulo horário e o outro eixo gira junto com o ângulo de declinação solar (PINTO et al., 2010), conforme mostrado na figura 19:
Figura 19: Rastreador azimute/elevação (esquerda) e rastreador polar/equatorial (direita). Fonte: (PINTO et al., 2010) e(ALATA et al., 2005).
2.7 DADOS DE ENTRADA DO SISTEMA DE CONTROLE
Para o caso do rastreador solar azimute/elevação, que é adaptado neste trabalho, a posição do sol é obtida através do sistema de coordenadas celestial, como é ilustrado na figura
20, em que θ2é o ângulo de azimute e θ4o ângulo de elevação (PRINSLOO; DOBSON, 2014).
Figura 20: Ângulos de azimute e elevação vistos por um observador no ponto Q. Fonte: (PRINSLOO; DOBSON, 2014).
A partir de dados da localização, data e hora de qualquer ponto no planeta, Reda e Andreas (2008) desenvolveram um dos algoritmos mais precisos de rastreamento da posição solar utilizando uma abordagem astronômica (PRINSLOO; DOBSON, 2014). Esse algoritmo é conhecido como NREL Solar Position Algorithm e calcula a posição do Sol, retornando
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valores de elevação e azimute, com uma incerteza de 0, 0003ono vértice e compensa mudanças
cósmicas do ano −2000 até o ano 6000 (REDA; ANDREAS, 2008). Dessa maneira foi possível compor a base de dados da entrada do controlador do rastreador solar.
A figura 21 mostra o azimute e a elevação do Sol vistos da UTFPR Campus Centro durante o ano de 2017.
Figura 21: Elevação e Azimute a partir da UTFPR Campus Centro. Fonte: (Sun Earth Tools, 2009), acessado em 01/06/2017.
2.8 SENSORES
O uso de sensor de posição, o acelerômetro, e o de campo magnético, o magnetômetro, pode ser útil para informar a real posição do painel solar (PRINSLOO; DOBSON, 2014). Estes sensores informam a aceleração gravitacional (Gx, Gy e Gz) que é relacionada aos eixos do
plano cartesiano do painel através dos ângulos α e β (STEPANOV et al., 2014), como mostra a figura 22.
Figura 22: ângulos α e β relacionandos à aceleração gravitacional e o plano cartesiano do rastreador solar.
Fonte: Adaptado de (STEPANOV et al., 2014).
Conforme abordado em Stepanov et al. (2014), estes ângulos podem ser obtidos a partir nas equações (1) e (2):
∠α = tan−1(q Gx G2 y+ G2z ), (1) ∠β = tan−1( Gy pG2 x+ G2z ). (2)
Os ângulos de elevação e azimute também podem ser calculados (STEPANOV et al., 2014):
∠θ2= ∠β , (3)
∠θ4= cos−1( ∠α
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2.9 MALHA DE CONTROLE
A malha de controle consiste em um controlador e algoritmos que implementam uma estratégia de controle. Algoritmos de rastreamento solar tipicamente incorporam uma estratégia de controle que é um híbrido entre controle de malha aberta e malha fechada (PRINSLOO; DOBSON, 2014).
O controle em malha fechada é importante para eliminar erros que resultam da variabilidade na instalação, montagem e calibração (AUTOMATION, 2012). A malha de controle implementada é apresentada na figura 23:
Figura 23: Malha de controle rastreador solar. Fonte: Autoria própria.
O controle PID é utilizado para correção do erro da posição do painel em relação aos ângulos de entrada. A escolha desse controlador se deve a sua facilidade de implementação e rápida resposta (PRINSLOO; DOBSON, 2014). Na figura 24 é visto o diagrama típico de um Controlador PID, onde Kpé o ganho proporcional, Tio tempo integral e Td o tempo derivativo
do processo a controlar (OGATA; SEVERO, 1998).
Figura 24: Controle PID de um processo. Fonte: (OGATA; SEVERO, 1998).
O algoritmo PID e toda a malha de controle do trabalho foram implementados utilizando o software LabVIEW.
2.10 SOFTWARE LABVIEW
O LabVIEW é um software de engenharia de sistemas criado para várias aplicações. Entre elas as que envolvam teste, medição e controle, com rápido acesso ao hardware e informações obtidas a partir dos dados. Este software, base da plataforma de projeto da National Instruments, utiliza uma linguagem de programação gráfica que usa ícones, em vez de linhas de texto, para criar aplicações. Assim, a programação é baseada em fluxo de dados, em que as informações ao serem processadas determinam a execução do código gráfico – diferente das linguagens de programação que são orientadas por texto (National Instruments, 2009).
Os códigos desenvolvidos em LabVIEW são intitulados instrumentos virtuais (VIs – Virtual Instruments). O ambiente LabVIEW é composto por três componentes principais, qualificados pela National Instruments como:
• Painel Frontal: aberto sempre que um VI é aberto ou criado, o painel frontal é a interface de usuário do VI. No Painel Frontal podem ser inseridos controles e indicadores numéricos, dessa forma, o usuário pode interagir com o código e ver os resultados nas saídas.
• Diagrama de Blocos: componente no qual é desenvolvida a programação;
• Painel de Conexões: necessário quando são utilizadas SubVIs. É um conjunto de
terminais correspondentes aos controles e indicadores do VI. Definem as entradas e saída que devem ser ligadas ao VI para que este possa ser utilizado como SubVI.
Utilizando o LabVIEW juntamente com a controladora, é possível usufruir dos recursos de controle dos módulos LabVIEW FPGA e LabVIEW Real-Time na realização de uma solução personalizada de rastreamento solar (PRINSLOO; DOBSON, 2014).
2.10.1 NI myRIO-1900
Segundo National Instruments (2013), a National Instruments myRIO-1900 é um dispositivo de entradas e saídas reconfigurável portátil que pode ser usado para projetar sistemas de controle, robótica e mecatrônica. Este dispositivo disponibiliza entradas e saídas analógicas (AI e AO), entradas e saídas digitais (DIO) e saída em tensão embarcados. Os conectores deste dispositivo para um computador são feitos por USB ou conexão sem fio. A figura 25 mostra a disposição e as funções da NI myRIO-1900:
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Figura 25: mostra a disposição e as funções da NI myRIO-1900 Fonte: (National Instruments, 2013), acessado em 11/08/2017.
A figura 26 mostra o pacote do sistema myRIO e sua arquitetura:
Figura 26: (a) Pacote do sistema integrado NI myRIO 1900, incluindo NI myRIO 1900, conector MPX, acessórios, fonte de alimentação e cabos. (b) Arquitetura reconfigurável de entradas e saídas da NI myRIO 1900. Baseia-se em quatro componentes: um processador, um FPGA reconfigurável, entradas e saídas, e software de design gráfico.
Visando a integração entre controlador, atuador e mecanismos, realizaram-se estudos dos conjuntos eletromecânicos que realizam a movimentação dos rastreadores solares.
2.11 CONJUNTOS ELETROMECÂNICOS PARA A MOVIMENTAÇÃO DE MÓDULOS
FOTOVOLTAICOS
Esta seção faz a revisão dos tipos de sistemas mecânicos que compõem os rastreadores solares mais comuns encontrados no estado da arte, focando nos tipos de atuadores e elementos do sistema de transmissão do movimento como: eixos, engrenagens, caixas de redução e outros elementos que compõem o sistema.
2.11.1 Sistema com um atuador e um grau de liberdade
O mecanismo descrito a seguir constitui um rastreador solar do tipo polar de um eixo, movido por uma engrenagem - conjunto de peças dentadas, conectada a um eixo sem-fim simples - parafuso roscado que transmite o movimento da engrenagem. A figura 27 apresenta um exemplo de eixo do tipo sem-fim simples conectado a uma engrenagem.
Figura 27: Eixo sem-fim simples conectado a uma engrenagem. Fonte: (PRINSLOO; DOBSON, 2014).
O eixo sem-fim simples é usado em muitas aplicações de rastreamento solar. Esta unidade de giro oferece inerentemente uma solução auto bloqueadora para o rastreamento solar e é apresentada pelos fabricantes como uma unidade com baixa contra ação (PRINSLOO; DOBSON, 2014).
No protótipo desenvolvido em Araújo (2015) o eixo sem-fim é conectado ao motor através de uma caixa de redução de velocidade - conjunto de engrenagens que transformam a velocidade do eixo de entrada em um aumento de torque no eixo de saída. O motor utilizado foi do tipo CC de 24 V empregado em sistemas de movimentação de cadeiras odontológicas. A
41
figura 28 ilustra o protótipo de rastreador descrito pelo autor. As dimensões deste protótipo são de, aproximadamente, 30 cm x 30 cm x 45 cm.
Figura 28: (a) Vista frontal e (b) Vista lateral do desenho de projeto do protótipo de rastreador solar do tipo polar com um eixo.
Fonte: (ARAÚJO, 2015).
A figura 29 apresenta o modelo construído do protótipo de dimensões reduzidas do rastreador solar do tipo polar com um eixo.
Figura 29: Protótipo de rastreador solar de um eixo. Fonte: (ARAÚJO, 2015).
De acordo com Araújo (2015), uma desvantagem deste projeto foi a introdução de uma folga - diferença entre as dimensões do furo e do eixo, na transmissão ocasionada pela caixa
de redução utilizada, baseada em um eixo sem-fim e uma engrenagem. A figura 30 exemplifica uma caixa de redução, normalmente utilizada em motores.
Figura 30: Caixa de redução. Fonte: (PRINSLOO; DOBSON, 2014).
As unidades de redução de rotação oferecem uma solução atrativa para aplicações de rastreamento solar. Esta transmissão de engrenagens transfere o movimento de rotação do eixo de alta velocidade para um eixo de velocidade lenta através de uma combinação de engrenagens (PRINSLOO; DOBSON, 2014).
2.11.2 Sistema com dois atuadores e dois graus de liberdade
Os atuadores lineares - dispositivos que convertem o movimento de rotação de um motor de baixa tensão de corrente contínua em um movimento linear, são comumente empregados em projetos de sistemas de posicionamento de módulos fotovoltaicos com um ou dois graus de liberdade. Projetos com apenas um grau de liberdade não possuem grande complexidade e, segundo Oliveira (2008), são de montagem robusta e baixa manutenção, porém seu uso é restrito, uma vez que não apresenta um ganho importante para estações com dias curtos. A figura 31 ilustra dois modelos de atuadores lineares.
Figura 31: Atuadores lineares responsáveis pelo movimento de elevação em algumas aplicações de rastreamento solar.
43
O sistema composto por dois atuadores possui, na maioria das vezes, um motor elétrico e um atuador linear, além de um conjunto de engrenagens de transmissão e, quando necessário, uma caixa de redução para o motor elétrico. Neste sistema, o motor elétrico é responsável pela movimentação do azimute e o atuador linear pela elevação (PRINSLOO; DOBSON, 2014), como demonstrado na figura 32.
Figura 32: Sistema de rastreamento solar de dois eixos utilizando atuadores independentes em várias configurações.
Fonte: (PRINSLOO; DOBSON, 2014).
Para placas de captação de energia solar em formato parabólico, de acordo com Prinsloo e Dobson (2014), o sistema de rastreamento solar com dois atuadores requer unidades de movimento grandes e excessivamente caras para superar a carga suspensa da unidade de conversão de energia tanto no azimute como no ângulo de elevação. Isso indica que apesar de eficiente, este sistema possui um alto custo de implantação.
Outra opção para sistemas de rastreamento solar com dois atuadores e dois graus de movimento são os sistemas que utilizam placas planas de captação de energia fotovoltaicas (PRINSLOO; DOBSON, 2014). Dentre as configurações possíveis para o conjunto de atuadores deste sistema, estão: a combinação motor elétrico e atuador linear como ilustrado na figura 33 e a combinação de dois motores elétricos, como demonstrado na figura 34.
Figura 33: Sistema de rastreamento solar de dois eixos com atuador linear circulado. Fonte: (PRINSLOO; DOBSON, 2014), apud (SMA, 2014).
Figura 34: Sistema de rastreamento solar de dois eixos com dois motores elétricos. Fonte: (SANTOS et al., 2015).
Segundo Santos et al. (2015) o sistema de dois eixos com dois motores tem capacidade
para operar em diferentes regiões e possui diferentes modos de operação. Através de
controle utilizando sensores o módulo fotovoltaico pode ser posicionado de forma a atender às necessidades do usuário final.
Buscando um custo equivalente aos sistemas com um atuador e um eixo e visando manter a eficiência dos sistemas com dois atuadores e dois eixos, o rastreador solar desenvolvido neste trabalho consiste em um rastreador ativo com alimentação auxiliar, baseado em “hora e data”, possuindo um movimento gradual, com dois eixos do tipo azimute/elevação e utilizando somente um atuador, de maneira que o movimento dos mesmo é atrelado.
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3 PROJETO E CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO
3.1 DESCRIÇÃO DO PROJETO MECÂNICO E CONSTRUÇÃO
Para possibilitar o uso de uma fonte de torque para a movimentação de dois eixos, foi projetado um sistema de transmissão utilizando engrenagens.
O atuador do sistema gera um torque capaz de realizar o movimento de azimute e o movimento de inclinação do módulo fotovoltaico. Isso é possível devido à concepção deste sistema, baseada na transmissão do movimento a partir do acoplamento entre duas engrenagens cônicas, uma em cada grau de liberdade. Visando validar este projeto, o primeiro protótipo foi desenvolvido para uma manivela como fonte de torque, ou seja, acionado manualmente pelo usuário, como mostrado no desenho apresentado na figura 35:
Figura 35: Desenho do protótipo desenvolvido para a validação do sistema. Fonte: Desenvolvido pelos autores em Software AutoCAD.
Neste protótipo, o movimento de azimute é transmitido a partir de 2 conjuntos, conforme apresentado na figura 35. O primeiro conjunto é composto por duas engrenagens cônicas e tem a primeira delas, indicada por 1, acoplada ao eixo do atuador. O movimento do
atuador é transmitido em 90oà engrenagem 2, que está acoplada ao eixo do segundo conjunto
Por fim, a segunda coroa está fixada à base da estrutura. A relação entre as engrenagens cônicas e entre as coroas permite que o movimento rotacional do atuador seja transmitido ao eixo do protótipo, indicado em 4.
O movimento de inclinação é transmitido pelo eixo da fonte de torque para um mecanismo de quatro barras. Neste sistema, conforme mostrado na figura 36, a peça d é o suporte, geralmente estacionária. A peça a, acionadora do movimento, é a manivela e tem
seu movimento, θ2, transmitido à biela, peça b, de forma multiplicada. O resultado destes
movimentos é o movimento da peça c, θ4, denominada balancim (HAMILTON; OCVIRK,
1987).
Figura 36: Mecanismo de 4 barras. Fonte: Adaptado de Uicker et al. (2003).
O sistema que realiza o movimento de elevação desenvolvido no protótipo é semelhante ao demonstrado na figura 37, em que Gerardin et al. (2005) pretendeu transmitir um movimento unidirecional ao pistão a partir do movimento rotacional do eixo do motor, utilizando o conjunto manivela-biela.
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Figura 37: Sistema de transmissão de movimento unidirecional manivela-biela. Fonte: (GERARDIN et al., 2005).
Finalizada a construção do protótipo de validação da mecânica do sistema, pode-se atestar a possibilidade da utilização de apenas uma fonte de torque para a realização dos dois movimentos propostos, ângulos de elevação e azimute. O protótipo de validação construído é mostrado na figura 38:
Figura 38: Protótipo de validação do sistema. Fonte: Os Autores.
3.2 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA
As variações do azimute e elevação, que são traduzidos, respectivamente, no ângulo do eixo do motor e no ângulo do eixo do módulo fotovoltaico, podem ser relacionadas no mecanismo de 4 barras, apresentado na figura 36.
Segundo a descrição cinemática do mecanismo de 4 barras contida em Hamilton e Ocvirk (1987), o ângulo θ4, ângulo do eixo do módulo fotovoltaico, em função do ângulo θ2,
ângulo do eixo do motor, é obtido a partir das equações descritas de (5) até (11):
K1= d a; (5) K2= d c; (6) K3=a 2+ c2+ d2− b2 2 · a · c ; (7) A= cos θ2− K1− (K2· cos θ2) + K3; (8) B= −2 · senθ2; (9) C= K1− [(K2+ 1) · cos θ2] + K3; (10) θ4= 2 · arctg " −B −B 2− 4 · A ·C 2 · A 2# . (11)
E, para o protótipo desenvolvido neste trabalho, as variáveis que compõe estas equações são traduzidas nos seguintes ângulos e dimensões:
• θ2: azimute do módulo fotovoltaico em radianos;
• θ4: elevação do módulo fotovoltaico em radianos;
• a: Comprimento da manivela em milímetros; • b: Comprimento da biela em milímetros;
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• c: Distância entre o eixo da biela e o eixo do módulo fotovoltaico em milímetros; • d: Distância entre o eixo do protótipo e o eixo do módulo fotovoltaico em milímetros;
A partir dos estudos de Hamilton e Ocvirk (1987), realizou-se o dimensionamento do sistema de elevação desenvolvido em Matlab no algoritmo descrito no Apêndice A. Neste, é possível simular diferentes trajetórias do ângulo de elevação do módulo fotovoltaico em função da variação do ângulo do eixo do motor, tendo como parâmetros de entrada os comprimentos das peças a, b, c e d em milímetros.
O algoritmo referencia os ângulos θ2e θ4de acordo a figura 36, variando θ2no sentido
horário. A cada iteração, são utilizadas as equações de (5) a (11) para retornar o valor de θ4
equivalente em radianos. Em seguida, θ4 é convertido em graus. Por fim, são carregadas as
curvas do solstício de verão, do solstício de inverno e a média entre elas, obtidas a partir do
software Solar Position Algorithmem Sun Earth Tools (2009), para que se faça o comparativo
com a curva obtida na simulação.
As curvas são padronizadas com um ajuste do eixo das ordenadas considerando o
ângulo de elevação mínimo em 90o e máximo em 0o, e o eixo das abscissas para que a média
entre as curvas de solstício de verão e solstício de inverno inicie em 0o, tomando por referência o ângulo inicial do motor. Assim, o norte geográfico é referenciado no eixo das abscissas em 90o, o leste em 270o e o Oeste em 0o. Este ajuste é importante para a parametrização da curva simulada.
Fazendo o eixo do motor dar uma volta completa, ou seja, variando o ângulo θ2, de 0o
a 360o e combinando diversos valores das peças do mecanismo de 4 barras - a, b, c e d, foram obtidas várias curvas de resposta. A curva eleita como a que mais se aproximou da média entre as curvas do solstício de verão e de inverno contendo valores de peças possíveis de serem construídas é vista na figura 39.
Figura 39: Curva para eixo do motor variando 360o. Fonte: Os Autores - Desenvolvido em Software Matlab.
As curvas do solstício de inverno e de verão foram construídas a partir do software
Solar Position Algorithmobtendo a elevação e o azimute do amanhecer até o anoitecer em um
intervalo de 5 minutos, indo da direita para a esquerda na figura 39. Dessa maneira, a curva do solstício de verão contém mais pontos que a do solstício de inverno devido ao intervalo de tempo da primeira ser maior.
Para a curva simulada, os valores obtidos para comprimento da manivela, comprimento da biela, distância entre o eixo da biela e o eixo do módulo fotovoltaico e distância entre o eixo do protótipo e o eixo do módulo fotovoltaico são apresentados na tabela 1.
Tabela 1: Comprimento das estruturas do protótipo. Comprimento
a 68 mm
b 388 mm
c 152 mm
d 225 mm
Nota-se que a curva simulada e apresentada na figura 39 não é suave. Os pontos em que não há derivada ocorreram pois o dimensionamento dos comprimentos das peças gerou dois pontos mortos, pontos em que a linha de ação da força acionadora está na mesma direção da peça, causando travamentos no atuador. No caso deste mecanismo, estes pontos mortos
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ocorrerão quando a linha de ação da força acionadora, aplicada à peça a, estiver na mesma direção da peça c, conforme consta em Mabie e Ocvirk (1980).
A Lei de Grashof, de acordo com Norton (1999), ajuda a explicar o evento ocorrido na simulação, com a análise do tipo de movimento realizado pelo mecanismo de quatro barras: "Para que exista um movimento contínuo entre as barras, a soma da barra mais curta e a barra mais longa não pode ser maior que a soma das barras restantes". Ou seja, para que o motor dê uma volta completa, desta forma, fazendo a manivela realizar um movimento contínuo, a inequação (12) deve ser atendida:
a+ b < c + d. (12)
A solução encontrada para eliminar a ocorrência destes pontos mortos foi diminuir a variação do eixo do motor. A figura 40 mostra a curva obtida para o eixo do motor variando de 95oa 265o, ou seja, uma variação de 170o.
Figura 40: Dimensionamento do sistema de elevação. Fonte: Os Autores - Desenvolvido em Software Matlab.
O dimensionamento das engrenagens 1, 2, 3, e 4, representadas na figura 35, que realizam a transmissão do movimento do eixo do motor para o eixo fixo do protótipo é feito seguindo os resultados da simulação na figura 40. Dessa maneira, para que o protótipo
varie 170o em relação ao ângulo de azimute, mesma variação do eixo do motor, a relação de
Dadas todas as dimensões do protótipo, o servo motor da marca JX Servo modelo PDI-6221MG, apresentado na figura 41, foi escolhido para ser a fonte de torque do protótipo final.
Figura 41: Servo motor JX Servo PDI-6221MG. Fonte: (JX Servo, 2015), acessado em 12/08/2017.
Este motor possui um alcance máximo de 180o, uma velocidade de operação de 0,16
sec/60o e um torque de 17, 25 kg.cm quando alimentado com uma tensão de 6V. Possui as
dimensões 40, 5 mm x 20, 2 mm x 38 mm e 62 g (JX Servo, 2015), mostrando-se como uma boa opção por ter um baixo custo e alto torque perante os demais servos da categoria de micro servo motores.
3.2.1 Processo Construtivo da Estrutura Mecânica
Muitas das alterações realizadas no segundo protótipo em relação ao primeiro se deveram a identificações de problemas e dificuldades que existiram neste, adequação a modelagem matemática obtida durante os procedimentos de projeto do segundo e a simplificação do mecanismo em si.
3.2.1.1 Estrutura de Sustentação
A estrutura de sustentação foi fabricada em madeira, placa de fibra de média densidade - MDF Medium Density Fiberboard, quase que em sua totalidade. As peças de madeira foram cortadas, serradas, esquadrejadas, limadas, lixadas e foram feitas roscas para parafusos de rosca soberba, utilizados na fixação destas peças.
Dentre as peças de madeira integrantes da estrutura de sustentação do protótipo estão as indicadas na lista abaixo:
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• Base principal de sustentação do posicionador - 1;
• Anel de fixação entre base principal e bucha de nylon - 2; • Anel de sustentação entre bucha e eixo de giro do azimute - 3;
• Mancal em ‘U’ com rebaixe para rolamento de diâmetro interno 17 mm - 4; • Mancal com rebaixe para rolamento de diâmetro interno 1/200 - 5;
• Base da estrutura giratória superior - 6; • Laterais da estrutura giratória superior - 7;
• Haste fixada entre as laterais da estrutura giratória superior - 8; • Mancais de sustentação para o eixo principal de transmissão - 9; • Base de fixação do servo motor - 10;
• Base de fixação da placa fotovoltaica com o eixo roscado - 11; • Haste extensora - 12.
Figura 42: Estrutura de sustentação. Fonte: Os autores.
Outras peças do protótipo construídas em madeira, que fazem parte da transmissão, foram a biela e manivela, componentes do mecanismo de 4 barras, como é visto na figura 43 e com comprimentos definidos na tabela 1.
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Figura 43: Mecanismo de 4 barras. Fonte: Os autores.
3.2.1.2 Estrutura de Transmissão de Movimento
Após a construção da estrutura, inciou-se o processo de confecção das peças responsáveis pela transmissão do movimento da segunda versão do protótipo, partindo-se da modelagem matemática do conjunto de peças responsáveis pelo movimento de azimute.
Os elementos responsáveis pela transmissão de movimento que apresentaram um maior grau de complexidade de confecção, dentre os presentes neste projeto de posicionador solar, são as engrenagens e coroas dentadas. Levando-se isso em consideração, buscaram-se alternativas financeiramente viáveis e que atendessem às dimensões e definições de projeto.
Neste caso, as melhores alternativas encontradas foram engrenagens cônicas de polipropileno, figura 44, usualmente utilizadas em projetos de máquinas de pequeno porte, e engrenagens retas também de polipropileno, usualmente utilizadas em esteiras industriais. Estas segundas foram posteriormente substituídas por coroas dentadas e uma corrente, utilizadas em bicicletas, figura 45. Esta substituição se fez necessária devido a folga existente entre as engrenagens retas, quando estas são conectadas diretamente uma a outra. Folga que foi verificada durante a primeira montagem da segunda versão do protótipo deste projeto. Estas engrenagens, usualmente, não são utilizadas para transmissão direta de movimento.
Figura 44: Engrenagens cônicas de polipropileno. Fonte: Os autores.
Figura 45: Coroas dentadas e corrente. Fonte: Os autores.
O eixo principal do mecanismo de transmissão de movimento em material aço ABNT 1020, figura 46, foi usinado em torno mecânico. O diâmetro externo do eixo possui apenas uma medida, que foi estabelecida pelo diâmetro da furação da engrenagem cônica, fixada a ele. Seu comprimento foi determinado a partir da posição do servo motor e dos outros elementos de sustentação e de transmissão de movimento, como os mancais de sustentação deste eixo e à manivela e biela.
