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Sistema de monitoração e controle para aquecedor solar

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Academic year: 2021

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃO

COMISSÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

E DE COMPUTAÇÃO

DEPARTAMENTO DE ELETRÔNICA E MICROELETRÔNICA

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO ACADÊMICO

Sistema de Monitoração e Controle para

Aquecedor Solar

Autor: João Luiz Florio

Orientador: Prof. Dr.José Antônio Siqueira Dias

Banca Examinadora:

______________________________________________

Prof. Dr. José Antônio Siqueira Dias

Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação DEMIC – UNICAMP

________________________________________

Prof. Dr. Elnatan Chagas Ferreira

Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação DEMIC – UNICAMP

________________________________________________

Prof. Dr. Nivaldo V. Serran J.B. Campinas Ltda. ________________________________________________ Campinas, 06 de julho de 2010

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FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA

BIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - BAE - UNICAMP

F664s

Florio, João Luiz

Sistema de monitoração e controle para aquecedor solar / João Luiz Florio. --Campinas, SP: [s.n.], 2010. Orientador: José Antonio Siqueira Dias.

Dissertação de Mestrado - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação.

1. Aquecimento solar. 2. Microcontroladores. 3. Abastecimento de água quente. 4. Energia solar térmica. I. Dias, José Antonio Siqueira . II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação. III. Título.

Título em Inglês: Electronic system of supervision and control for solar heater Palavras-chave em Inglês: Solar heating, Microcontrolers, Hot water, Solar

thermal

Área de concentração: Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica Titulação: Mestre em Engenharia Elétrica

Banca examinadora: Elnatan Chagas Ferreira, Nivaldo Vicençotto Serran Data da defesa: 06/07/2010

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Dedicatória

A todos os professores que fazem ou fizeram de suas vidas um exemplo de amor ao ensinar. Entre todos eles, uma especial lembrança ao meu pai, também mestre, que tomou pelas mãos muitos pequenos e ajudou a transformá-los desde muito cedo em homens íntegros. A esses, cujo trabalho persiste com dedicação sem esperar pelo reconhecimento ou pela valorização de tão sublime tarefa, dedico com muita honra este trabalho.

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Agradecimentos

Aos meus pais, que nunca deixaram de saber me apontar os caminhos do bem, Aos meus professores que me ajudaram a trilhar esses caminhos,

Ao meu orientador, Prof. Dr. José Antonio Siqueira Dias, ao qual desde já sou profundamente grato pelo crédito no meu trabalho e a quem, acima de tudo, dedico minha admiração pelo seu profundo conhecimento e pela maneira simples e direta pela qual disponibiliza esse conhecimento aos alunos que dele necessitam,

A minha família, Lucas, Matheus e em especial à minha esposa, Sueli, A Cristo Senhor , que reuniu tudo acima e me deu como prova de seu amor.

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Resumo

FLORIO, João Luiz, Sistema de Monitoração e Controle para Aquecedor Solar, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, Universidade Estadual de Campinas – DEMIC , 2009. p. Dissertação (Mestrado).

Mais de 90% dos sistemas de aquecimento de água por energia solar instalados no Brasil (número superior a 700.00 instalações) são do tipo convencional por circulação passiva. Esse tipo de instalação apresenta boa performance, aliada à simplicidade de funcionamento .Considerando-se que aproximadamente 8% da energia consumida em nosso país é para o aquecimento de água residencial , trata-se de uma excelente alternativa ecológica de economia de energia.

Em períodos de baixa insolação , o usuário pode contar com um aquecimento auxiliar através de um resistor instalado no interior do reservatório (boiler).Nesta situação a temperatura da água até atingir o valor de desligamento do termostato de segurança do sistema.Não havendo o acompanhamento da temperatura, o sistema entra num regime de funcionamento de sucessivos períodos e aquecimento e resfriamento (por perdas de calor), até que o usuário lembre-se de desligar o disjuntor. Este trabalho apresenta uma solução economicamente viável de se melhorar essa situação, fazendo-se uso da eletrônica microcontrolada. Assim, pode-se monitorar o aquecimento da água pelo resistor auxiliar através de sensores do tipo NTC , propiciando uma economia de até 25% na conta mensal, além de outras comodidades .

Possuindo três modos de operação : temporizado (atua como timer), termostato (termostato ajustável pelo painel) e programado (o usuário determina o momento de uso e a temperatura desejada da água) , o sistema é constituído por console de controle e unidade de potência. O sistema é de fácil instalação, constituindo uma alternativa viável para se melhorar significativamente a performance dos sistemas atuais.

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Palavras Chave

- Aquecimento solar, coletores solares, microcontroladores em controle de aquecimento, sistema de monitoração e controle microcontrolados, dispositivos auxiliares em sistemas de aquecimento de água por energia solar.

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Abstract

FLORIO, João Luiz, Eletronic System of Supervision and Control for Solar Heater , Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, Universidade Estadual de Campinas – DEMIC , 2009. 80p. Dissertação (Mestrado).

Over 90% of heating water by solar energy installed in Brazil today (more than 700,000 facilities ) are of the conventional type passive thermosyphon. This type of installation has good performance and the simplicity of operation. Considering that approximately 8% of energy consumed in our country is for heating domestic water, this is an excellent alternative of ecological energy saving.

In periods of low insolation, the user can rely on an auxiliary heating through a resistor installed inside the tank (boiler), powered through a circuit breaker. In this situation, with no one monitoring , the water temperature rises until it reaches the value of shutting down the

thermostat's security system, which in most cases is set at 55 ° C. Without the monitoring of temperature, the system enters a regime of operation of successive periods of heating and cooling (for heat loss), until the user remember to turn off the breaker. This paper presents an

economically viable solution to improve that, by making use of electronics microcontroller. Thus, one can monitor the water heating aid through the resistor sensor NTC, providing savings of up to 25% on the monthly bill, and other amenities.

With three modes of operation: timer (operates as a timer), thermostat (panel adjustable thermostat ) and programmed (the user determines the time of use and temperature of the water), the system consists of the control console and power unit. The system is easy to install, providing a viable alternative to significantly improve the performance of current systems.

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Key Words

- Solar Heating, solar collectors, microcontrollers in heating control, system of microcontrolled supervision and control, devices auxiliary in systems of water heating with solar energy.

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Índice

CAPÍTULO 1 1.1 INTRODUÇÃO ... 1 1.2 OBJETIVOSDO TRABALHO ... 7 CAPÍTULO 2 ... 8 2.1 A ENERGIA SOLAR ... 8

2.2 CONCEPÇÃO BÁSICA DE UM SISTEMA DE AQUECIMENTO DE ÁGUA POR ENERGIA SOLAR ... 12

2.3 PRINCIPAIS CONFIGURAÇÕES DO SISTEMA DE AQUECIMENTO DE ÁGUA COM ENERGIA SOLAR ... 15

2.3.1 Sistema passivo direto ... 15

2.3.2 Princípio de Funcionamento – Termossifão ... 16

2.3.3 Sistema ativo direto ... 18

2.3.4 Princípio de Funcionamento – Circulação forçada ... 19

2.4 ASPECTOS POSITIVOS DO SISTEMA DE AQUECIMENTO POR ENERGIA SOLAR ... 20

2.5 ASPECTOS NEGATIVOS DO SISTEMA DE AQUECIMENTO POR ENERGIA SOLAR ... 21

2.6 MELHORIAS PROPOSTAS NESTE TRABALHO ... 22

3.1.1 Concepção do hardware ... 25

3.1.2 Circuito eletrônico ... 25

3.1.3 Circuito de entrada dos sensores ... 28

3.1.4 Filtros passa Baixa 2ª. Ordem ... 30

3.1.5 Microcontrolador ... 30

3.1.6 IHM ... 31

3.1.7 Acionamentos ... 31

3.1.8 Relógio de tempo real ... 32

3.1.9 Memória EEPROM externa ... 32

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MODOS DE OPERAÇÃO ... 32

3.2.1 Modo Temporizado ... 33

3.2.2 Modo termostato ... 33

3.2.3 Modo programado ... 33

IMPLEMENTAÇÃODOPROTÓTIPO ... 34

INSTALAÇÃONUM SISTEMADE AQUECIMENTO SOLARDE TESTES ... 36

CAPÍTULO 4 ... 39

4.1 DESENVOLVIMENTODOPROJETODEFINITIVO ... 39

4.1.1 Especificação das caixas ... 40

4.1.2Implementação do Hardware ... 41

4.2 IMPLEMENTAÇÃODOSOFTWARE ... 42

CAPÍTULO 5 ... 43

5.1 LEVANTAMENTO DOS DADOS EXPERIMENTAIS NOS DOIS TIPOS DE INSTALAÇÕES ... 43

5.1.1 Ciclo de aquecimento ... 44

5.1.2 Ciclos de resfriamento normal (à noite ou com muito baixa insolação) ... 45

Seguem os gráficos obtidos nos dois tipos de boiler (600 e 200 litros) ... 45

5.1.3 Ciclos de resfriamento forçado (banho) ... 47

5.2 METODOLOGIA DE CÁLCULO DOS PARÂMETROS DE SOFTWARE ... 48

5.2.1- MODO TEMPORIZADO ... 48

5.3 RESULTADOS OBTIDOS ... 51

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 59

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Lista de Figuras e Gráficos

Figura 1 - Instalação Fotovoltaica (Alstadt – Alemanha) Figura 2 - Variação da intensidade de radiação com a latitude

Figura 3 - Posição e inclinação do eixo terrestre em cada estação do ano Figura 4 - Declinação Magnética e posicionamento correto do coletor solar Figura 5 - Reservatório térmico solar clássico comercial (GET)

Figura 6 - Componentes do SAS comercial (GET)

Figura 7 - Esquema de instalação de um sistema direto passivo com fonte de

energia auxiliar interna ao reservatório de armazenamento de água quente. Figura 8 - Esquema de instalação de um sistema direto passivo com fonte de

energia auxiliar externa ao reservatório de armazenamento de água quente. Figura 9 - Componentes da instalação de um termossifão comercial

Figura 10 - Esquema simplificado de um sistema ativo direto

Figura 11 - Componentes da instalação do SAS – circulação forçada Figura 12 - Circuito de instalação do sistema

Figura 13 - Unidade de Potência

Figura 14 - Arquitetura da unidade de potência Figura 15 - Circuito de entrada do sistema Figura 16 - Filtro passa baixa 2ª ordem

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Figura 17 - Plataforma de testes

Figura 18 - Sistema de aquecimento solar de testes Figura 19 - Instalação dos sensores NTC no Boiler

Figura 20 - Instalação dos sensores NTC nas placas coletoras Figura 21 - Conexões entre as partes do sistema

Figura 22- Caixa Usinada Figura 23- Console

Figura 24- Unidade de Potência Figura 25- Fluxograma de Software Figura 26- Bancada de testes

Gráfico 1- Ciclo de aquecimento boiler 600 litros Gráfico 2- Ciclo de aquecimento boiler 200 litros Gráfico 3- Perda de calor normal boiler 600 litros Gráfico 4- Perda de calor normal boiler 200 litros

Gráfico 5- Variação do coeficiente de resfriamento normal x temperatura Gráfico 6- Perda de calor – banho – boiler 600 litros

Gráfico 7- Perda de calor – banho – boiler 200 litros Gráfico 8- Volume x Velocidade de aquecimento Gráfico 9- Volume relativo x Horas

Gráfico 10- Aquecimento modo convencional boiler 200 litros Gráfico 11- Aquecimento modo programado boiler 200 litros Gráfico 12- Aquecimento modo convencional boiler 600 litros Gráfico 13- Aquecimento modo programado boiler 600 litros

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Lista de Tabelas

Tabela 1 Composição setorial do consumo de eletricidade no país Tabela 2 Resultados obtidos – leitura de temperaturas

Tabela 3 Resultados obtidos - acionamento no modo programável – boiler 200 litros Tabela 4 Resultados obtidos – acionamento no modo programável – boiler 600 litros

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Nomenclaturas

CEMIG: Companhia Energética de Minas Gerais

ABRAVI: Associação Brasileira de Refrigeração, Ar condicionado, Ventilação e Aquecimento ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas

GET: Marca comercial (Global Energy Telecom – Cambe – PR)

ELETROBRAS: Empresa de capital aberto, controlada pelo governo brasileiro na área de energia S.A.S: Sistema de Aquecimento Solar

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Capítulo 1

1.1 Introdução

Cada vez mais, a sociedade volta os olhos para os custos financeiros e principalmente ambientais da produção de energia. O que até alguns anos atrás era considerado irrelevante, no contexto da utilização da energia e da degradação provocada ao meio ambiente para a sua geração, hoje é considerado fundamental. Assim, produtos e serviços que demandem alto consumo de energia e alta taxa de degradação ambiental, são rejeitados por uma sociedade cada dia mais bem informada e preocupada com os custos daí advindos. Produtos necessitam ter um padrão de conformidade ecológica para terem sucesso no mercado.

No Brasil, a fonte energética convencional mais utilizada são os combustíveis fósseis. Em relação aos combustíveis fósseis existem inúmeros problemas de utilização, tais como:

• crescimento da emissão de CO, CO2, NO, NO2, SO2 e outros compostos na atmosfera;

• riscos da poluição ambiental devido à produção, transporte e utilização; • crescente elevação do custo;

• esgotamento das reservas energéticas.

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Embora seja uma fonte renovável, encontra dificuldades de expansão no contexto brasileiro em virtude de:

• demanda de grandes recursos de investimentos financeiros; • impactos ambientais provocados pela construção das usinas;

• decomposição possível da vegetação submersa dando origem a gases

como o metano que tem impacto no chamado "efeito estufa" causador de mudanças climáticas. Segundo a ELETROBRÁS (2001), as usinas hidro-elétricas são responsáveis por 95% da energia elétrica gerada no país. As características físicas e geográficas do Brasil foram determinantes para a implantação de um parque gerador de energia elétrica de base predominantemente hidráulica. Como cerca de 25% de todo o potencial hidrelétrico conhecido correspondem a usinas em operação e em construção, estima-se que, pelo menos nas duas próximas décadas, as fontes hidráulicas continuarão a desempenhar importante papel no atendimento à crescente demanda de energia elétrica.

A realidade vivida nos anos 90 foi o crescimento de consumo de eletricidade sem o devido aumento da produção interna de eletricidade.

As condições limites de fornecimento de eletricidade, a falta de recursos financeiros, juntamente com o esgotamento de potenciais hídricos a preços compatíveis, conduziram o governo a estabelecer estratégias que buscassem alternativas. Estas alternativas estão esboçadas em estudos como, por exemplo, o Plano 2015.

Infelizmente, apesar de todos os alertas e projetos de expansão do setor elétrico, no ano de 2001 a história do país ficou marcada por uma grande crise energética. O governo federal teve que tornar medidas drásticas de racionalização, as quais atingiram todos os setores da sociedade.

Diante da situação apresentada, a necessidade do aquecimento de água para diversas finalidades, também no Brasil, passou a despertar a atenção das entidades envolvidas com a

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geração e distribuição de energia convencional, dos projetistas e gerenciadores de sistemas prediais. Os primeiros preocupam-se com a redução da demanda no horário de ponta, ou seja, nos momentos em que o consumo pode ultrapassar a capacidade instalada. Os dois últimos têm buscado otimizar os sistemas para redução do gasto com energia. A Tabela 1.1. mostra a composição setorial do consumo de eletricidade no país.

Tabela 1 Composição setorial do consumo de eletricidade no país

Há de se considerar ainda que o consumo com aquecimento da água representa uma parcela substancial da energia consumida. Em habitações de interesse social, 32% do total da

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Isto justifica o desenvolvimento de meios para otimizar o uso e incentivar o aproveitamento de outras fontes energéticas.

Em um estudo de otimização do uso da energia em residências japonesas, Udagawa; Kimura (1997) reduziram o gasto da energia consumida em mais de 50%, implantando os seguintes sistemas: aquecimento solar para a água, geração de energia elétrica por células foto-voltaicas e isolamento térmico das paredes externas.

Na Alemanha, recente programa de governo permite a instalação de células foto-voltaicas nas residências, com a garantia de compra da energia pela concessionária (Fig. 1).

Fig. 1

Em nosso país, também têm sido realizados esforços para tornar mais racional o uso e a utilização de fontes alternativas de energia. Bezerra (1998) tem desenvolvido vários trabalhos com a aplicação da energia solar, inclusive para as atividades agrícolas. Prado (1991) demonstra a necessidade do gerenciamento da demanda e o consumo de energia elétrica para aquecimento de água através do chuveiro elétrico em habitações de interesse social. Petrucci (1998) desenvolveu um modelo para previsão do comportamento de aquecedores de acumulação a gás em sistemas prediais de água quente, que possibilita melhores resultados no dimensionamento e no desempenho em relação aos métodos existentes.

A energia solar é uma alternativa altamente interessante, uma vez que apresenta grande potencial de utilização no país, além de ser uma fonte energética renovável, limpa, ilimitada e

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disponível em todo território nacional. Algumas concessionárias de energia elétrica do país, como a COMPANHIA ENERGÉTICA DE MINAS GERAIS - CEMIG, já possuem programas com incentivo de aquecimento solar de água para edificações residenciais multifamiliar.

“O sol não é uma nova forma de energia. A sua utilização na produção de calor e potência por vários métodos novos constitui uma nova maneira de proporcionar à humanidade os benefícios de uma energia que tem a idade do mundo” (Bezerra ,1998, p. 9).

Contudo, a maior barreira enfrentada na difusão do aproveitamento da energia solar consiste no investimento inicial em equipamentos e instalações que é relativamente alto se comparado com sistemas convencionais. Em contrapartida o custo de operação e manutenção é mínimo, sendo quantificada por Healey (1997) de aproximadamente 12% do custo da instalação do sistema ao longo de toda a vida útil considerada de 20 anos.

Outro fator que tem restringido o uso é a pouca confiabilidade no sistema por parte do usuário. Com a finalidade de tornar mais difundido estes sistemas, Tsilingiris (1997) propõe o estabelecimento de uma garantia para o usuário. O autor ilustra duas possibilidades. A primeira é a reposição do investimento do usuário pelos projetistas e fabricantes caso não sinta satisfeito. A segunda opção, muito interessante, é a terceirização do fornecimento de água quente, ou seja, empresas especializadas ficariam responsáveis pelo projeto, construção, financiamento e manutenção; o usuário pagaria a energia economizada. Esta proposta transfere os riscos econômico e técnico do usuário para uma companhia especializada em serviço de aproveitamento de energia solar.

Os avanços tecnológicos nos sistemas de aquecimento com energia solar têm sido possibilitados, principalmente, conforme Almanza et al. (1997), pelos avanços dos conhecimentos dos materiais como, por exemplo, espelhos de maior reflectância e superfícies seletivas com melhores propriedades óticas. A difusão destes conhecimentos também é

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importante para incentivar o uso de materiais eficientes. Uma das mais bem sucedidas iniciativas nesse contexto, foi a disseminação maciça do uso dos sistemas residenciais de aquecimento de água por energia solar. Essa tecnologia teve sua implantação comercial há cerca de 20 anos atrás em Israel e tal é o seu sucesso que muitas cidades hoje dão um substancial incentivo às novas construções que utilizem esse dispositivo, tanto no Brasil como no exterior.

Cheng; Lui (1999, p. E1- 2) relacionaram o uso doméstico da água e o consumo de energia afirmando que “economizar água é equivalente a economizar energia”.

Inúmeros projetos têm sido continuamente apresentados, desde sistemas populares com custo mínimo, como sistemas sofisticados utilizando coletores de quartzo. No Brasil, são inúmeras as empresas fabricantes de sistemas de aquecimento solar, congregadas pela ABRAVI (Associação Brasileira de Refrigeração, Ar condicionado, Ventilação e Aquecimento).

Tradicionalmente os sistemas de aquecimento com energia solar são compostos por coletores solares, reservatório de armazenamento de fluido aquecido, fonte auxiliar de energia e um sub-sistema de distribuição do fluido aquecido. A necessidade de um reservatório de armazenamento se deve ao fato de que a demanda por fluido aquecido não coincide, na maiorias da aplicações, com o período de oferta do mesmo. Em aplicações residenciais, o consumo de água quente ocorre principalmente das 18 às 20 horas, mas a geração de água quente ocorre durante o dia.

O sistema de aquecimento de água com energia solar pode ser classificado segundo o fluido que está sendo aquecida a placa coletora. Se o fluido aquecido pela placa coletora é o que será consumido, então se denomina que este sistema é direto. Caso a placa coletora aqueça um determinado fluído e, este transfira o calor recebido ao fluido que será consumido, tem-se então um sistema de aquecimento indireto. O sistema de aquecimento com energia solar pode ser classificado também segundo o tipo de circulação do fluido entre os coletores e o

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reservatório de armazenamento térmico. Quando a circulação da água se promove exclusivamente pela diferença de densidade, o sistema de aquecimento é conhecido como um sistema passivo ou por termossifão. Quando a circulação a água é feito por uma bomba, o sistema de aquecimento de água com energia solar é referido como um sistema ativo ou um sistema por bombeamento.

1.2 Objetivos do Trabalho

O presente trabalho objetiva implementar uma série de melhorias sobre um de aquecimento de água por energia solar do tipo termosifão, convencional (somente com um termostato como elemento de supervisão de temperatura), fazendo uso da eletrônica digital microcontrolada. As melhorias dizem respeito à facilitação da instalação, monitoração de temperatura e economia de energia. Este último aspecto é conseguido tanto no modo termostato do dispositivo (que possui 3 modos) quanto no modo programado. Consegue-se uma melhoria significativa de performance do sistema, resultando em economia de energia , principalmente nos períodos de baixa insolação.

Com esses objetivos e as implementações necessárias para alcançá-los, o projeto como um todo foi submetido ao CNPQ, recebendo uma bolsa auxílio para o seu desenvolvimento. A evolução natural foi a transformação da idéia em produto o, que vem ocorrendo através da empresa Kenntech Tecnologia Eletrônica , de propriedade do autor. De idéia a um primeiro protótipo, passou-se por todas as etapas de desenvolvimento de um aparelho eletrônico, cuja síntese compõe este trabalho. A esse processo atribuí-se normalmente o título de Engenharia de Produto.

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Capítulo 2

2.1 A Energia Solar

O sol gera e irradia energia eletromagnética com um vasto espectro, do qual a luz visível é apenas uma pequena faixa. Contudo, essa pequena faixa do espectro é responsável pela maior parte do calor produzido. Uma porção menor do calor gerado oriunda da banda da onda longa do infravermelho do espectro e também de uma pequena fração do final da ultravioleta. Todavia, esse último segmento do espectro nunca atinge os coletores solares, pois a radiação é absorvida pela atmosfera.

A energia recebida, por unidade de tempo, em uma área unitária perpendicular à direção da propagação da luz e medida à metade da distância entre o sol e a terra é chamada de constante solar. Segundo Duffie ; Beckman (1991), esta energia é em média cerca

de 1300W/m2.

A radiação que atinge um determinado ponto na superfície terrestre não é igual à constante solar, pois sofre na sua trajetória as seguintes influências:

• Latitude: A proporção que a latitude aumenta, a área da superfície terrestre que a mesma radiação atinge é maior, resultando em uma menor concentração de radiação, conforme Figura 2.

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• Estações do ano: O movimento de translação da terra em torno do sol, responsável pelas estações do ano, descreve uma órbita elíptica plana. O eixo de rotação da terra em volta de si mesmo não coincide com o eixo da elipse, possuindo uma defasagem de 230 27’, ver Figura 3. Desta forma, por um período do ano o planeta expõe mais o hemisfério Sul à luz solar e por outro período ele expõe mais o hemisfério Norte;

• A hora do dia: A cada hora do dia os raios solares atingem uma dada superfície sob diferentes ângulos;

• Condições do céu: A quantidade de nuvens que recobrem o céu interferem na radiação que atinge a superfície terrestre;

Condições atmosféricas: Dias enfumaçados, nublados ou poluídos alteram a radiação disponível. Entretanto, segundo Hudson; Markell (1985), este fator exerça reduzida influência porque a radiação que atinge a superfície terrestre é formada por radiação direta e difusa. Conforme os autores, em dia claros, 10% da radiação que chega à superfície terrestre é difusa. Contudo, em dias nublados a radiação difusa é, freqüentemente, toda radiação disponível.

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Fig. 2 - Variação da intensidade de radiação com a latitude. ( Fonte: Hudson; Markell (1985))

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Figura 3 - Posição e inclinação do eixo terrestre em cada estação do ano. Fonte:Hudson; Markell (1985).

Para posicionar corretamente os coletores solares, precisa-se determinar onde há maior incidência de radiação solar durante todo o ano, garantindo assim um bom funcionamento principalmente no inverno.

Como o Brasil possui praticamente todo o território no hemisfério sul, o Sol estará na maioria do ano sempre no Norte, daí a necessidade de instalação dos coletores solares na face do telhado orientado para o Norte Geográfico ou com o menor desvio possível. Desvios de até 30° tanto para o Leste (Nordeste) quanto para o Oeste (Noroeste) são aceitáveis Figura 4.

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Figura 4 - Declinação Magnética e posicionamento correto do coletor solar

Para verificar corretamente a orientação do Norte Geográfico, utiliza-se uma bússola, que por sua vez, indicará a orientação do Norte Magnético e posicione 20° a direita que é a declinação magnética para o estado de São Paulo, por exemplo. Uma alternativa é consultar uma planta ou mapa onde existe a identificação do Norte Geográfico e alguma referência de posicionamento da sua rua ou divisa do seu lote.

2.2 Concepção básica de um sistema de aquecimento de água por energia solar

Um sistema basicamente é constituído de :

-Placas coletoras de energia: painéis construídos em chapas de alumínio pintadas ou anodizadas de preto, condutores de água de cobre fixados ou soldados sobre as chapas e terminações para conexão de um painel ao outro. Como cobertura do conjunto, geralmente vidro canelado;

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-Reservatório d’água (boiler), com capacidades compreendidas entre 100 e 1000 litros, construído geralmente de alumínio, com isolação térmica e terminações de cano (em cobre) para as conexões de entrada e saída d’água;

-Elemento resistivo de aquecimento: resistor blindado, geralmente com Potência de 2500 a 7000 W, utilizado para aquecer a água caso não haja suficiente energia solar (períodos de chuva, tempo encoberto, etc).

-Elemento sensor de temperatura (termostato): dispositivo eletro-mecânico baseado nas diferentes deformações sofridas por um par bimetálico e conseqüente corte no circuito de alimentação do resistor de aquecimento. Permite que se estabeleça através de um ajuste manual (parafuso) a temperatura de desligamento. Apresenta uma histerese da ordem de 5 graus e atua ao redor de 50 graus Celsius.

Opcionalmente (geralmente com um custo elevado ao consumidor) pode ter ainda: termômetro para monitorar a temperatura da água no interior do Boiler, termômetro para temperatura ambiente, bomba de circulação forçada, válvulas anti-congelamento, acionadores via chave estática e controlador de temperatura .

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Figura 5- Reservatório térmico solar clássico comercial (GET)

Componentes:

1) Revestimento externo em chapa de alumínio 2) Reservatório interno em chapa de aço inox 3) Isolamento térmico em poliuretano (PU) 4)Tampas laterais em plástico de engenharia 5) Retorno dos coletores

6) Alimentação de água fria

7) Pés de apoio em poliuretano injetado 8) Consumo e respiro

9) Sistema de Aquecimento Auxiliar com resistência blindada e termostato pré-regulado.

10) Saída para os coletores solares

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2.3 Principais configurações do sistema de aquecimento de água com energia

solar

O aquecimento da água utilizada no abastecimento pode ser feito diretamente no coletor ou de forma indireta. Neste último caso um fluido refrigerante recebe calor no coletor e o transfere à água em um trocador de calor. A circulação da água ou do fluido nos coletores pode se feito por termossifão ou por um sistema de bombeamento. A diferença de densidade devido à variação de temperatura entre os coletores e o reservatório provoca um movimento no fluido chamado de termossifão.

Quando o fluxo é dado por termossifonagem, o sistema é classificado como passivo, quando o fluxo é promovido por bombeamento, é denominado sistema ativo.

2.3.1 Sistema passivo direto

Este é o mais utilizado no aquecimento para fins domésticos por ser simples seu funcionamento. A Figura 7 ilustra um sistema com um único reservatório onde a fonte auxiliar de energia esta dentro da mesma; enquanto a Figura 8 ilustra um sistema com dois reservatórios de água quente, no qual o segundo é um aquecedor auxiliar ligado em série.

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Figura 7 - Esquema de instalação de um sistema direto passivo com fonte de energia auxiliar interna ao reservatório de armazenamento de água quente.

Figura 8 - Esquema de instalação de um sistema direto passivo com fonte de energia auxiliar externa ao reservatório de armazenamento de água quente.

2.3.2 Princípio de Funcionamento – Termossifão

O Boiler é alimentado através do circuito de água residencial e se mantém sempre cheio. Captada pela parte inferior do boiler, a água circula pelos coletores, retirando o calor acumulado nas placas (principalmente por condução térmica). Esta água, agora aquecida, retorna ao boiler

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daí para o interior do boiler, constituindo assim um circuito fechado onde cada vez a água se

aquece mais, tentando o equilíbrio térmico com a superfície das placas). Em dias de muito sol,

principalmente em regiões de latitude conveniente, a temperatura chega facilmente à casa dos 60 graus Celsius ou mais. A Figura 9 ilustra um exemplo de termossifão comercial.

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2.3.3 Sistema ativo direto

Neste sistema a circulação da água é feita por uma bomba, por isso o reservatório pode estar situado em qualquer posição em relação aos coletores (Figura 10). A bomba é acionada por um controle termostático diferencial. O controle possui sensores conectados ao tanque e ao coletor que reportam a temperatura de ambos.

Quando a diferença de temperatura entre a parte superior do coletor e o reservatório atinge um valor preestabelecido a bomba é acionada. O desligamento da bomba é efetuado quando esta diferença de temperatura torna-se pequena ou quando a água do reservatório alcança a temperatura desejada. A proteção contra o congelamento pode ser feita pelo acionamento da bomba que irá recircular a água quente, quando a temperatura externa atingir um valor crítico. A proteção ao congelamento também pode ser efetuada pela drenagem da água dos coletores.

O sistema ativo em relação ao passivo ganha uma flexibilidade quanto à localização do tanque na edificação, porém os custos aumentam por apresentar mais dispositivos como: bombas, sensores e controles.

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2.3.4 Princípio de Funcionamento – Circulação forçada

O sistema por circulação forçada proporciona um rendimento térmico 30% melhor que o termossifão. A circulação da água não ocorre sozinha e sim por auxílio de uma micro bomba instalada no circuito e um controlador eletrônico inteligente com sensores de diferencial de temperatura. O reservatório térmico solar poderá ser instalado abaixo dos coletores solares, como também a uma distância superior a 5 metros, viabilizando principalmente obras de grande porte. Embora nesse tipo de instalação haja a dependência da eletricidade (110 ou 220 V) e a necessidade de alguma inspeção e manutenção da micro bomba, as vantagens proporcionadas por um aquecedor solar, como também o melhor rendimento e maior facilidade de instalação, compensam a sua implantação. A Figura 11 ilustra um sistema de circulação forçada comercial.

O controlador eletrônico proporciona o controle e gerenciamento total do sistema de aquecimento solar. Permitindo, por exemplo, o monitoramento da produção de água quente, a programação de até 4 diferentes horários e por tempo determinado do sistema de aquecimento auxiliar, podendo ser elétrico ou elétrico/gás automaticamente, praticamente eliminando uma possível falta de água quente. Permite ainda, também em 4 diferentes horários e por tempo determinado, a circulação da água quente na rede de distribuição, mantendo assim as redes aquecidas e o uso sempre imediato da água quente. Para as regiões onde existe o risco de geadas e, como conseqüência o congelamento e danos nos coletores solares, possui um eficiente sistema anti-congelamento, protegendo os coletores contra congelamento.

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Figura 11 - Componentes da instalação do SAS – circulação forçada

2.4 Aspectos positivos do sistema de aquecimento por energia solar

O sistema realmente permite uma grande economia de energia, no caso de uma instalação elétrica residencial, considerando-se que o maior consumo é provocado pelo chuveiro elétrico, que apresenta, entre outras deficiências, um rendimento muito baixo. Essa economia, além do contexto financeiro para o usuário, é propagada num contexto muito maior: usinas hidro-elétricas

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suprem a necessidade, sem a necessidade de novas construções para atender esse consumo específico: muitos kilômetros quadrados de área inundada são poupados, muitos hectares de floresta (ainda que reflorestada), muito carvão ou toneladas de óleo combustível são poupados,

no caso de geração de energia em usinas termo-elétricas, muitas toneladas de CO2 deixam de ser

lançadas à atmosfera, contribuindo para a diminuição do efeito estufa. Enfim, trata-se de um sistema absolutamente limpo, ecologicamente correto e eficiente.

2.5 Aspectos negativos do sistema de aquecimento por energia solar

Ainda que de maneira geral o sistema por mais simples que seja, já apresente benefícios

econômicose ao meio ambiente (muitos sistemas rudimentares, mas funcionais, são constituídos

de mangueiras dispostas sobre a laje de casas), existem falhas que de certa formam anulam suas principais virtudes. Nesse sentido, vale observar o que ocorre no sistema quando sucessivos dias de chuva ou de céu nublado impossibilitam o aquecimento da água: esta lentamente se resfria, perdendo calor pelas paredes do boiler, pelas placas e pelos condutores (vale lembrar que a isolação térmica do sistema é na maioria das vezes precária, principalmente quando seus dutos são embutidos nas paredes).

Baixando de cerca de 55°C (geralmente o estipulado para o termostato), este liga a corrente pelo resistor. São aproximadamente 12 A num sistema de média capacidade (600 litros de volume da água), perfazendo 2500W de consumo de energia. Sem que haja uma intervenção sobre esse tipo de operação, sucessivos ciclos de ligamento-desligamento do resistor se sucederão. Assim, a água esquentará pelo resistor e se resfriará pelas perdas térmicas do sistema. Muitos Kw de potência serão desperdiçados nesse modo.

Existe a possibilidade de se desligar o sistema pelo disjuntor do quadro de força da residência. Ocorre que, geralmente para se ter água quente de manhã, liga-se o boiler à noite.

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Novos ciclos de liga e desliga se repetem, que findam quando alguém se lembra de desligar o sistema novamente pelo disjuntor. Assim, a economia gerada no período de insolação é rapidamente consumida nos dias sem sol.

Outro aspecto ainda pouco explorado pelos fabricantes do sistema, é que a instalação do mesmo requer a passagem de fios e cabos, ainda que os mais simples. Se incorporarmos ao sistema algumas facilidades básicas (como por exemplo, a visualização da temperatura da água), essa fiação se torna bastante complicada, pois devemos considerar a ligação de sensores (normalmente NTC) através de dutos (na maioria das vezes já com outros condutores) do Boiler ou coletores até o display. Facilidades como sistema anti-congelamento, circulação forçada de água, monitoramento de temperatura da água e ambiente, faz a instalação muito custosa de forma a impedir sua oferta ao cliente (que assim permanece no sistema convencional, com as deficiências acima descritas).

Nosso trabalho vem propor um novo modelo de sistema, sem fugir de sua estrutura convencional (placas coletoras e boiler), porém, disponibilizando facilidades ao usuário, sem prejuízo da simplicidade de instalação. Muito pelo contrário, propondo uma redução significativa nas conexões e estabelecendo a possibilidade de se monitorar a sua performance.

2.6 Melhorias propostas neste trabalho

Basicamente as melhorias propostas são:

- programação dos horários de consumo de água quente: permite uma ativação do resistor no horário calculado de forma a oferecer água exatamente na temperatura, no momento de sua necessidade, sem ciclos de desperdícios de energia.

Dotando o sistema de sensores de temperatura (neste caso, NTC, pelo seu menor custo) e de um RTC (relógio de tempo real), é possível controlar os horários de acionamento do Boiler em

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função do horário previsto para o consumo d’água e da temperatura da mesma, através da potencialidade do microcontrolador. Nesta aplicação, optou-se pelo uso de um elemento da família PIC (Microchip), especificamente o PIC18F2455. A escolha recaiu sobre esse CI pelo seu baixo custo, facilidade de se encontrar no mercado nacional e sua capacidade de memória Flash. Além disso, o ambiente (IDE MPLAB) é bastante conhecido e conta com ferramentas poderosas de programação.

- facilitar a instalação do sistema (barateando seu custo), através da utilização de um módulo de potência instalado junto ao reservatório, com uma conexão entre console e módulo através de cabo manga com 7 vias.

Normalmente, os sistemas não possuem qualquer elemento de controle, sendo o mais “inteligente” dos recursos, o termostato. Nestes casos, não há qualquer supervisão tampouco informação sobre temperaturas e sobre a necessidade de acionamentos (como o sistema anti - congelamento ou o de circulação forçada de água. A única interface mais avançada do sistema é o disjuntor, que na maioria dos casos permanece ligado (motivo pelo qual o desperdício de energia se mantém permanentemente).

Dotar o sistema dessas melhorias parece ser o caminho mais razoável. A disponibilidade de tecnologia e mesmo o custo relativamente baixo para esse avanço esbarra, porém, em alguns problemas de natureza técnica e outros de natureza cultural do instalador. No lado técnico, em se tratando de uma instalação numa residência já preparada para receber o sistema de aquecimento, os problemas podem ser previstos e solucionados.

Na maioria das instalações, conforme relato de vários instaladores entrevistados, os problemas mais comuns são:

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- passagem de fios de comando e de potência nos conduítes. Nem sempre existe tal passagem e quando existe, é única. Dessa forma, cabos de energia e de comando andam juntos no interior do conduíte;

- chaveamento de potência diretamente no painel de controle (geralmente armário elétrico que acomoda temporizadores, termômetros e acionadores). A comutação de uma corrente relativamente alta (a potência do resistor interno ao Boiler pode chegar na casa do 6000W) causa transientes indesejáveis que se propagam ao longo da instalação e a razoável distância entre o armário elétrico e o Boiler significa um transito longo de muitos ampères ao longo da instalação. Esses problemas são de muito maior intensidade quando se trata então de residências antigas ou nas quais não foi previsto o emprego de um aquecedor solar.

- diversidade nos equipamentos alojados no armário elétrico e falta de padronização desses itens. Compõe o armário: pelo menos um contator, mostradores digitais de temperatura, temporizadores, chaves estáticas e elementos de conexão.

Os problemas de natureza cultural por parte do instalador são talvez maiores e de difícil solução, em se tratando de um sistema com as facilidades previstas (monitoração de temperaturas, controle sobre o Boiler, dispositivos de circulação forçada e anti-congelamento), mas com interligações via fios e cabos. Obviamente, um sistema completo vai exigir do instalador mais tempo de trabalho e um cuidado maior na instalação. Além disso, vai exigir uma profundidade maior no conhecimento do sistema, já que será o instalador que, além de efetuar o setup do mesmo, deverá ensiná-lo ao proprietário. Por outro lado, num sistema composto de elementos de sensoreamento e de acionamento, comparativamente ao convencional, a chance de ocorrer algum problema (varia em algum sensor, interferência eletromagnética etc) é bem maior.

Assim, é necessário se pensar nas melhorias, mas, paralelamente, na facilitação para os instaladores.

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Capítulo 3

3.1 Desenvolvimento do Projeto

3.1.1 Concepção do hardware

As linhas mestras no desenvolvimento do Hardware foram:

- permitir mais que o monitoramento de temperatura e sim a efetiva melhoria na performance do

sistema econseqüente economia de energia;

- concentração do maior número de informações no mesmo dispositivo (diminuir a diversidade de componentes no sistema): custo menor;

- facilidade de operação e clareza na apresentação dos valores medidos: somente 5 teclas de operação e display LCD para leitura de valores, configuração e programação;

- facilidade de instalação: separação do sistema em módulo de operação (console) e módulo de potencia (UP): evitar a passagem de fios de grosso calibre pelos conduítes (em geral finos e já super-carregados) e harmonizar a instalação do console com o ambiente .

3.1.2 Circuito eletrônico

Optou-se pela utilização de um sistema microcontrolado baseado na arquitetura Microchip PIC. Vale lembrar que o projeto visa a implementação comercial de um produto. Dessa forma, a estrutura do hardware deve ser a que apresente melhor custo-benefício, aliada à facilidade de se encontrar os componentes no mercado nacional e à grande disponibilidade de literatura e suporte local. Ainda, o fato do ambiente de desenvolvimento MPLAB ser do conhecimento de qualquer estudante possibilita fácil concepção e modificações no software se necessário. Outras opções foram consideradas, como por exemplo o microcontrolador MC9S08QE128 da Freescale. Esse dispositivo, aliado à sua grande diversidade de dispositivos internos (Timers, Conversores e Dispositivos de Comunicação) possui ainda uma característica singular: pode ser substituído pelo

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Microcontrolador V1 da família ColdFire sem que sejam necessárias alterações no hardware (mesma pinagem), porém com um performance de 32 bits. Problemas como disponibilidade no mercado local fizeram com que se optasse pela família Microchip 18F. No mais, foram utilizados dispositivos convencionais de mercado:

- RTC DS1302: relógio de tempo real com comunicação serial - Amplificadores operacionais tipo LM324 (filtros e proteções)

- Drivers, latchs (lógica digital): família 74LS TTLA figura 12 mostra o esquema eletrônico do sistema.

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Pode-se observar que os sinais provenientes dos dois sensores NTC (dois fios) passam por um filtro de 2ª. ordem e entram diretamente no microcontrolador através das entradas de conversão analógica. Isso por que, num dispositivo deste tipo uma resolução de 10 bits é mais que suficiente para os resultados pretendidos. Os filtros atenuam a interferência induzida nos condutores já que maioria das residências não há a previsão e instalação de sistemas de aquecimento solar e muito menos a passagem separada de condutores para sensores e para energia.

Observa-se ainda na Figura 13 a existência de um segundo elemento que faz a comutação dos elementos de potência. Denominado UP (Unidade de Potência), este circuito é alojado numa pequena caixa metálica, contendo no seu interior elementos semicondutores de comutação de potencia, notadamente TRIAC (TIC236), associados à elementos de isolação (MOC3021). A razão dessa concepção é a de se evitar longos condutores de cobre conduzindo correntes de até 20 Amperes ao longo da instalação elétrica da residência (que muitas vezes é antiga e não comporta a passagem de condutores como 4mm). A instalação da UP é feita próxima do Boiler, no forro da residência de modo a encurtar os condutores. O comando da UP é feito através de um cabo multivias (7x26AWG) que leva o sinal de comutação para os TRIACs (via chaveamento de reles internos à console) e traz os sinais dos NTCs. Fatores como custo e simplicidade e robustez de instalação sempre nortearam este projeto.

Na Figura 13 pode-se ver a UP.

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O esquema elétrico da Figura 14 ilustra a arquitetura UP.

Figura 14 - Arquitetura da unidade de potência

Uma descrição pormenorizada dos diversos circuitos do sistema é dada a seguir.

3.1.3 Circuito de entrada dos sensores

Trata-se de uma ponte de Weatstone cujos ramos são compostos por resistores fixos e pelo NTC (1 e 2, para cada ponte respectivamente). A decisão pelo uso do NTC foi baseada nos seguintes fatores: ligação via dois fios (economia nos conectores); custo baixo no mercado (comparativamente à PT100 ou sensores semicondutores); ausência de alimentação, aumentando a imunidade do circuito (não se conhece a priori os caminhos pelos quais passarão os condutores); pouca relevância no comprimento dos cabos (já que a resistência nominal do NTC é de 100K Ohms); facilidade mecânica de fixação, já que o NTC pode possuir diversos invólucros.

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Figura 15 - Circuito de entrada do sistema

A saída de tensão Vo é aplicada a um Amplificador Operacional convencional tipo LM324, na configuração não inversor. No circuito completo do produto pode-se observar diversos jumps. Isso permite que, numa outra aplicação do mesmo circuito com sensores a três fios (PT100), possa-se usar a mesma plataforma. Esse circuito possibilita a medida de dois pontos do sistema através de 2 NTCs ou dois PT100. É necessário se observar que fatores como essa universalidade de plataforma permite uma razoável economia no desenvolvimento de produtos.

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3.1.4 Filtros passa Baixa 2ª. Ordem

Para evitar os ruídos vindos do mundo exterior, utilizou-se um filtro cujo detalhe pode se visto na Figura 16. A configuração determina uma atenuação de 40 dB por década e a equação e sua saída é apresentada na fig 16.

Fig. 16 Filtro 2ª. Ordem

Mais uma vez, ao se escolher o LM324 (em substituição ao Amplificador Original da Fig.16, MCP601), buscou-se a economia na concepção já que o mesmo possui 4 AmpOps no seu interior (implementação dos amplificadores + filtros). Suas especificações atendem as necessidades da aplicação.

A saída no filtro é aplicada diretamente à uma entrada analógica do microcontrolador (PIC18F2455).

3.1.5 Microcontrolador

A conversão é feita a 10 bits de resolução, utilizando-se uma referencia interna de tensão,

numa taxa de 50 medições por segundo. A escolha deste microcontrolador deveu-se a alguns

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serial RS232 por uma USB. Optou-se assim por um modelo PIC que já possuísse essas facilidades. No decorrer do projeto porém, essa perspectiva perdeu força e no produto final,

embora esteja previsto no lay-out a interface serial, na prática ela não é utilizada. Ainda, os

24Kbytes de memória Flash do microcontrolador não permitem uma variedade muito grande de facilidades . Mas como todo o programa foi executado sobre este modelo de hardware, continuou-se a sua utilização. Seu clock é relativamente baixo (4 MHz) o que resulta em um ciclo de máquina de 1 micro segundo. Como a velocidade de leitura é bem lenta (temperatura), esses valores estão plenamente aceitáveis.

3.1.6 IHM

A interface com o operador é feita através de 5 teclas do tipo touch, disponibilizadas através de um Latch TTL tipo LS373. A opção também foi o resultado de uma análise custo benefício embora mecanicamente as teclas desse tipo dêem sempre um pouco de trabalho em função de altura necessária para que fiquem rente à etiqueta de cobertura. Uma rotina simples de debounce foi implementada para absorver os ruídos por ela gerados. O display é um LCD convencional com back-light 2 linhas por 16 colunas. As informações apresentadas dependem de cada modo de operação ou de configuração. Na prática, esse tipo de interface mostrou-se muito interessante. O objetivo, porém, é a redução do mesmo (desta vez, paradoxalmente, quanto menor, mais caro)

para que o conjunto todo , incluindo fonte de alimentação caibam dentro de uma caixa padrão

4x4 e para que todo o sistema possa ser embutido na parede, sem fios aparentes.

3.1.7 Acionamentos

Dois relescomandadospor transistores compõe as saídas de potencia do circuito. Cada rele

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mesmos não passa de alguns poucos miliamperes já que os mesmos irão sensibilizar os optoacopladores no estágio de potencia (UP). Circuitos de snubber foram previstos para as saídas.

3.1.8 Relógio de tempo real

Optou-se pelo modelo DS1302 (Maxxim-Dallas), pela disponibilidade da época. Não possui uma comunicação padrão (SPI ou I2C), por isso foi desenvolvido um driver específico para esse componente, que não pode dessa forma compartilhar dos barramentos. Possui cristal próprio e bateria o que assegura operação segura mesmo sem alimentação ou sem supervisão do microcontrolador. Trata-se de um dos componentes mais importantes do circuito já que irá determinar os momentos de acionamento e desligamento da UP.

3.1.9 Memória EEPROM externa

Está prevista a possibilidade de armazenamento dos dados colhidos pelos sensores numa EEPROM não volátil externa (grande capacidade ). Novamente, a universalidade de aplicação faz prever na PCI diversos periféricos que não necessariamente serão utilizados nesta versão do sistema, mas que possibilitam o emprego da plataforma em outros tipos de dispositivos .

3.1.10 Fonte de alimentação

Todo o circuito requer as tensão de 5V ou 12V. Os 5V são necessários para os componentes digitais e os 12V para os analógicos e reles.

Modos de operação

O sistema permite ao usuário 3 modos de operação: - Modo temporizado;

-Modo Termostato; -Modo programável;

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3.2.1 Modo Temporizado

No modo temporizado, o sistema irá acionar uma saída, independentemente da temperatura da água no interior do Boiler, por um tempo determinado. Esse é o modo mais rudimentar de operação do sistema. Deve-se ponderar porém, que nem mesmo essa facilidade se apresenta na maioria dos sistema comercializados (possuem unicamente um termostato). Ainda que simples, esse modo já pode significar uma substancial economia de energia ao usuário. Isso por que na maioria das vezes, o acionamento do aquecimento elétrico auxiliar é ligado através de disjuntores na caixa de disjuntor da residência. O sistema entra então em regime de liga e desliga (ao se atingir o máximo de temperatura permitida pelo termostato, geralmente 55 graus Celsius).

3.2.2 Modo termostato

No modo termostato, o sistema funciona como um termostato eletrônico no qual se pode especificar a temperatura desejada da água, independente do horário de utilização e do tempo de acionamento. Isso torna-se interessante quando o consumo de água é elevado e não há tempo de aquecimento através da energia solar. Períodos de consumo elevado ou em instalações que devam prover água quente constante requerem um estudo melhor do balanço energético e a adoção de soluções alternativas (aquecedores a gás, p.ex). Neste caso, foi pensado sua aplicação em períodos esporádicos, como por exemplo, no caso de visitas e na necessidade de água quente para banho e limpeza doméstica. Ainda assim, a temperatura a ser estabelecida com certeza será menor que a do termostato convencional (55 graus Celsius).

3.2.3 Modo programado

Neste modo o sistema apresenta sua melhor performance, já que evita a maior parte do disperdício de energia, comum na grande maioria dos sistemas. Através da configuração dos parâmetros do sistema (volume do boiler, potencia dissipada pelo resistor de aquecimento,

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rendimento do sistema – isolação térmica, temperatura da água inicial, temperatura da água desejada e horário de uso da água) o software irá calcular o momento propício para se acionar a UP, iniciando o aquecimento da água. Com isso, pode-se dispor da mesma no horário e na temperatura programadas, com uma otimização energética bastante razoável. Além disso, no sistema há a possibilidade de se prever dois horários, mas pode ser aumentado esse número em função da utilização. Convém novamente alertar que um sistema de aquecimento solar possui um tempo de armazenamento de energia bastante longo, principalmente em função das condições de solarização (observar a região na qual foi instalado o sistema). Assim, soluções alternativas devem ser consideradas quando o consumo de água é grande. Um banho normal com duração de 15 minutos gasta cerca de 250 Litros de água, utilizando-se ducha. Assim, um boiler convencional de média capacidade (600L) pode suprir dois banhos com sua temperatura inicial (o que na prática não ocorre pois, há entrada de água fria tão logo há a utilização da quente, baixando desde o primeiro litro a temperatura).

Implementação do protótipo

Utilizou-se uma plataforma padrão para se fazer os primeiros ensaios antes de se partir para uma PCI dedicada.

Essa plataforma apresenta:

- capacidade de conversão A/D de 10 ou 12 bits;

- 4 canais de conversão A/D 12 bits (MCP3204), com comunicação via I2C com o uControlador; - RTC e memória EEPROM de 32K (para implementação de DataLogger) ;

- LCD e Teclado como IHM; - 8 Reles de saída;

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A utilização de uma plataforma padrão facilita muito o trabalho de desenvolvimento, a medida que se desenvolvem drivers específicos para cada periférico (reunidos uma biblioteca) e numa aplicação, simplesmente junta-se um conjunto deles compondo o sistema final. Isso permite ainda uma economia substancial de tempo e a pesquisa então se volta para as particularidades da aplicação. No caso específico deste desenvolvimento, verificou-se que uma resolução de 12 bits seria exagerada, já que trabalha-se com precisão na ordem de 1° C.

Verificou-se ainda que a necessidade de processamento do Controlador é relativamente baixa, já que os dados são de natureza quase estática (temperatura). A Figura 17 ilustra a Plataforma de ensaios padrão.

Figura 17 - Plataforma de ensaios padrão

No caso da UP, foi necessária a construção de uma PCI dedicada, que serviu de base para o produto final.

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Instalação num Sistema de Aquecimento Solar de Testes

Para se implementar um ambiente de testes, foi comprado um sistema convencional de aquecimento solar, numa empresa fornecedora regularmente ao mercado. Esse sistema, composto de Boiler com capacidade de 200 l equipado com termostato (Tmax=55°C) e Resistor de Aquecimento (2500W – 220V) e duas placas coletoras, foi instalado na laje de cobertura da empresa, como pode ser visualizado na Figura 18.

Figura 18 - Sistema de aquecimento solar de testes

Optou-se por se montar o sistema numa plataforma móvel de forma a permitir total flexibilidade na movimentação do conjunto. Construiu-se ainda a estrutura de alvenaria para suportar uma caixa dágua secundária que alimenta o sistema. Optou-se por essa configuração pois, é a adotada na grande maioria das instalações residenciais, que já possuem caixa dágua geralmente no forro das casas numa altura propícia à circulação não forçada dágua. De modo a se testar todas as facilidades propostas no projeto, foi instalada uma pequena bomba para prover o

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fluxo de água de maneira suplementar. Essa bomba tem duas finalidades, no escopo geral de um sistema de monitoração e controle de um aquecedor solar:

-Aumentar a eficiência do sistema, já que o papel do termossifão é executado pela bomba;

- Circular a água pelos coletores sempre que a diferença de temperatura entre a água contida no reservatório e a água contida nos coletores seja superior a 5°C. Essa situação representa a possibilidade de congelamento dágua no interior dos dutos dos painéis coletores, extremamente danoso ao sistema, já que os danifica de maneira definitiva, implicando em gastos da ordem de

praticamente um novo sistema completo.

As Figuras 19 e 20 mostram a instalação dos sensores NTC no Boiler e nas placas coletoras.

Figura 19 - Instalação dos sensores NTC no Boiler

Figura 20 - Instalação dos sensores NTC nas placas coletoras As conexões entre as partes do sistema são mostradas no esquema da Figura 21.

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Figura 21 - Conexões entre as partes do sistema

Observa-se que existe somente um cabo tipo manga (7x26AWG) interligando o console de operação ao módulo de potência (que neste caso foi instalado internamente pelo motivo de que a

laje não possuir cobertura e assim o módulo estar desprotegido – Figura 2.17). Isso vem de

encontro à um dos objetivos básico do sistema que é o de facilitar a instalação do mesmo, permitindo a passagem de um único cabo através dos dutos (conduítes). Evidentemente, não se pode afirmar que isso resolva todos os problemas de fiação numa instalação de SAS. Casas antigas possuem conduítes super-ocupados, muitas de vezes de bitola muito reduzidas (1/2”).

Assim, muitas vezes a passagem de um cabo manga (ainda que de calibre total reduzido – cerca de 5mm) não é fácil. O ideal para a instalação deste tipo de sistema é a previsão da canalização necessária já na construção da casa. Projetos populares atuais já prevêem a utilização de SAS. Assim, todos os aspectos da instalação foram pensados, para permitir que o fabricante: - mesmo utilizando o sistema proposto (condensando diversos equipamentos num único), mantenha sua margem de lucro;

- adote o sistema pela sua robustez e facilidade de instalação (menor número de horas de instalação), aliado à seu custo;

- ofereça-o como diferencial aos seus clientes, que efetivamente economizarão dinheiro com sua instalação.

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Capítulo 4

4.1 Desenvolvimento do projeto definitivo

Considerando-se os resultados preliminares colhidos sobre o protótipo, passou-se à implementação do produto, na sua versão inicial baseada na arquitetura de hardware e software adotadas no protótipo. Vale lembrar que no transcorrer dessa migração (protótipo – produto) outras alterações foram feitas devido á detalhes construtivos do produto e a disponibilidade e ou custos de partes e componentes. Fundamentalmente, porém, pode-se dizer que 95% do determinado nos estudos iniciais no protótipo serão adotados no produto, no que diz respeito à sua concepção de hardware e software.

As etapas do produto (lote piloto por enquanto) foram:

- especificação do case (caixa de alojamento) do console e da UP e lay-out de etiquetas; - lay-out da PCI específica;

- prospecção dos fornecedores e compra dos componentes; - montagem de lote piloto;

-gravação do software nos chips;

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4.1.1 Especificação das caixas

Para a caixa do console, optou-se por um modelo plástico usinado. Essa tecnologia é relativamente nova em nosso país e apresenta um custo de produção compatível com as características do equipamento. Isso por que não há necessidade de molde de injeção, as peças são usinadas uma a uma.

A Figura 22 mostra a caixa usinada.

Figura 22 - Caixa usinada

No caso da UP, a preocupação maior foi com a rigidez e confiabilidade da mesma já que irá trabalhar com tensão VAC 220V e correntes elevadas. Obviamente, deve ser uma caixa não inflamável e optou-se por um modelo metálico, também desenvolvido sob medida para a aplicação. As Figuras 23 e 24 mostram respectivamente a caixa do console (plástico usinado) e unidade de potência (metálica) já com as etiquetas.

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Figura 23 - Console

Figura 24 – Unidade de Potência

4.1.2Implementação do Hardware

São duas as PCIs utilizadas: a principal (fibra de vidro dupla face), do console e a da UP (simples face, fenolite). O lay-out foi desenvolvido a partir de componentes tipo DIP.

Todos os componentes foram comprados no mercado nacional como forma de garantir a viabilidade de produção do lote comercial. Montou-se 4 peças do produto para se fazer os testes . As montagens forma feitas internamente, mas no caso de produção em maior escala, utiliza-se normalmente os serviços de empresas de montagem cuja qualidade pode ser exigida e cujos preços são sempre melhores que os conseguidos com a a implantação de uma linha de montagem

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própria. No caso da gravação dos microcontroladores, sendo eles DIP, foram gravados através de dispositivos convencionais de gravação (PICSTART). Numa produção maior, deve-se optar pela tecnologia SMD (o que reduz substancialmente os custos). Neste caso, deve-se prever na PCI um conector para a gravação do software (ISP). O lote piloto foi montado e instalado junto ao sistema do aquecedor para que os dados obtidos pudessem ser avaliados.

4.2 Implementação do software

Utilizou-se a linguagem C através do compilador CCS rodando sobre a plataforma MPLAB da Microchip. O fluxogama do programa pode ser visualizado abaixo:

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Capítulo 5

5.1 Levantamento dos dados experimentais nos dois tipos de instalações

Foram tomadas medidas de tempo e temperatura em dois sistemas de aquecimento solar, um com a capacidade de 200 litros (sistema instalado somente para se fazer os testes no desenvolvimento do produto) e outro com capacidade de 600 litros, instalado em residência, com os ciclos de funcionamento condizentes com as necessidade diárias de uma residência normal, com 4 pessoas ( 2 adultos e duas crianças).

Os Boilers possuem resistências de aquecimento elétrico de 3000 W (600 litros) e 2500 W (200 litros).

Os sensores NTC estão instalados na parede de aço dos boilers (temperatura da água) e junto ao coletor (temperatura ambiente). Sua conexão ao sistema dá-se através de cabo manga 7x26 AWG, numa extensão de aproximadamente 10 metros nos dois casos. Esse cabo conduz além do sinal de temperatura captado pelos sensores, as tensões de chaveamento dos reles de atuação de Bomba Auxiliar e de Aquecimento do Boiler (12VDC).

As medidas efetuadas serviram de base para a parametrização dos modos de funcionamento do sistema, especialmente no modo Programado, no qual o mesmo deve prover água aquecida à temperatura desejada, no momento de uso especificado pelo usuário (2 horários diários).

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5.1.1 Ciclo de aquecimento

Os gráficos abaixo mostram o comportamento da temperatura da água em função do tempo, sob determinada temperatura ambiente.

Ciclo de aquecimento Tamb=19°C B=600 litros

0 5 10 15 20 25 30 35 40 22:30 22:35 22:40 22:45 22:50 22:55 23:00 23:05 23:10 23:15 23:19 Horário T em p er at u ra

Gráfico 1 – Ciclo de aquecimento boiler 600 litros

Ciclo de aquecimento Tamb=19°C B= 200 litros

0 10 20 30 40 50 08 :4 5 08 :5 0 08 :5 5 09 :0 0 09 :0 5 09 :1 0 09 :1 5 09 :2 0 09 :2 5 09 :3 0 09 :3 5 09 :4 0 09 :4 5 09 :5 0 09 :5 5 10 :0 0 10 :0 5 10 :1 0 Horário T em p er at u ra

Gráfico 1- Ciclo de aquecimento boiler 200 litros

A temperatura na qual foram efetuados os testes (19°C), é a mesma percebida nos dias de baixa insolação. Observou-se que a temperatura ambiente não influencia o tempo de aquecimento de

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maneira perceptível. Observou-se sim uma velocidade de aquecimento maior (para as duas capacidades volumétricas dos boilers testadas), para temperaturas de água mais baixas:

- coeficiente de aquecimento de 25°C a 30°C = 10°C/Hora - coeficiente de aquecimento de 30°C a 45°C = 8°C/Hora - Coeficiente de temperatura de 50°C a 55°C = 7,14°C/Hora

Considerando-se o regime de trabalho diário do sistema, quando as temperaturas dágua dificilmente cairão abaixo de 30°, com teto máximo de temperatura de 45°, para o caso de capacidade volumétrica do boiler de 600 litros, será usado o fator único de 8°C/Hora. Esse fator é de vital importância no calculo dos tempos de ativação da resistência do boiler.

5.1.2 Ciclos de resfriamento normal (à noite ou com muito baixa insolação)

Seguem os gráficos obtidos nos dois tipos de boiler (600 e 200 litros)

Perda de calor normal Tamb=19°C Boiler=600 litros 37 38 39 40 41 42 43 20:17 21:15 22:08 00:38 Horário T em p er at u ra

Referências

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