UNIVERSIDADE ESTADUAL DE FEIRA DE SANTANA BACHARELADO EM ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO
SALOMÃO DE FREITAS
INSTRUMENTAÇÃO PARA AUTOMAÇÃO DE UM COLETOR SOLAR PARABÓLICO
FEIRA DE SANTANA 2012
SALOMÃO DE FREITAS
INSTRUMENTAÇÃO PARA AUTOMAÇÃO DE UM COLETOR SOLAR PARABÓLICO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia de Computação da Universidade Estadual de Feira de Santana, como requisito parcial à obtenção do grau de Bacharel em Engenharia de Computação.
Orientador (a): Dra. Márcia Lissandra M. Prado Co-orientador (a): Ricardo Santos Nascimento
2012
AGRADECIMENTOS
Ao professor Mestre Ricardo Nascimento, pelo compromisso e orientação durante o processo de construção desse projeto.
A professora Doutora Márcia Lissandra Prado, que sempre se mostrou disposta a ajudar em todos os momentos do trabalho.
Ao professor Doutor Germano Pinto Guedes pelo apoio e orientação inclusive sendo o responsável pelo desenvolvimento inicial do projeto.
Ao professor Armando Sanca, pelo auxílio no processo de revisão do projeto. Ao professor Marcos Paz, pelo auxílio no processo de revisão do projeto e da monografia elementos essenciais para minha aprovação.
RESUMO
Este trabalho tem por objetivo o planejamento e execução de parte da instrumentação da automação de um coletor solar parabólico, cuja função é direcionar o espelho do destilador na posição em que obtenha máxima captura da luminosidade do Sol de forma autônoma. O Coletor Solar Parabólico foi projetado em material de inox, revestido de espelhos, modelado em uma estrutura parabólica, tendo ao longo do foco um tubo de cobre operando como absorvedor. Os requisitos para a automação do projeto que foram considerados foram elementos como: máquinas, dispositivos de eletrônica de potencia e dispositivos de instrumentação industrial. Para permitir todos os elementos de automação do equipamento, foi instalado um motor de 0,5 HP, seguido de algumas engrenagens nas extremidades do destilador, sensores de luminosidade, controlador lógico programável, relés e sensores de fim de curso. Os resultados obtidos para a automação do destilador solar satisfazem a proposta do projeto, e a obtenção dos dados necessários para realizar o mapeamento e deslocamento do destilador na direção da radiação solar.
Palavras-chave: CLP, Concentrador Cilíndrico Parabólico, Energia solar, Destilador solar
ABSTRACT
This paper aims to planning and execution of instrumentation to automation to a parabolic solar collector, whose function is to direct the mirror still in the position to obtain maximum capture of the luminosity of the sun autonomously. The Parabolic Solar Collector is designed in stainless steel equipment, lined with mirrors, modeled on a parabolic structure, with the focus over a copper tube operating as absorber. The requirements for the automation of the project that were considered were elements such as machinery, electronic devices, power devices and industrial instrumentation. To allow all elements of automation equipment, has installed a 0.5 HP engine, followed by some gears on the ends of the distiller, light sensors, programmable logic controller, relays, sensors and limit switches. The results obtained for the automation of the solar still satisfies the project proposal, and obtaining the data needed to perform the mapping and displacement of the distiller in the direction of solar radiation.
Lista de Figuras
Figura 1 Investimentos de alguns países em fontes de energia renovável 5
Figura 2 Destilador solar 8
Figura 3 Coletores de Energia Solar. 10
Figura 4 Campo Acurex em Almeria-Espanha 12
Figura 5 Planta Solar SEGS na Califórnia –USA 12 Figura 6 Planta Solar em uma pequena cidade- ISRAEL 13
Figura 7 Circuito formado por Fotodiodo 16
Figura 8 Fotodiodo modelo (a) e (b) 16
Figura 9 Fototransistor 17
Figura 10 Circuito de um fototransistor 18
Figura 11 Fotoresistência 19
Figura 12 Sensor de Fim de Curso 20
Figura 13 Regulador de Tensão 21
Figura 14 Relé 22
Figura 15 Diagramação em LADDER 24
Figura 16 Sensor e transdutor 25
Figura 17 Arquitetura de um Motor de Corrente Alternada 28
Figura 18 Motor de Corrente Alternada 29
Figura 19 Motor de Corrente Contínua 30
Figura 20 Engrenagens Cilíndricas Retas 31
Figura 21 Engrenagens Cilíndrica Helicoidal 33
Figura 22 Engrenagem Conica 33
Figura 23 Engrenagens Pinhão-Cremalheira 34
Figura 24 Destilador solar (estrutura inicial) 39
Figura 25 Destilador solar (estrutura final) 39
Figura 26 Estrutura de madeira 41
Figura 27 Modelagem da estrutura de madeira 41
Figura 28 Modelagem dos sensores e atuadores 42
Figura 29 Modelo Esquemático do circuito do Sensor 43 Figura 30 Motor de corrente Alternada (projeto) 44
Figura 32 Mancal 45
Figura 33 Mancais e Barra Maciça de Ferro 46
Figura 34 Modelo Esquemático do circuito de acionamento do motor 48 Figura 35 Parâmetros de normalização (sensor I) 49 Figura 36 Parâmetros de normalização (sensor II) 50 Figura 37 Parâmetros de normalização (sensor III) 50
Figura 38 Leitura analógica do CLP 51
Figura 39 Modelagem do Projeto (Destilador Solar) 52
Figura 40 Modelagem do algoritmo do sensor 53
Figura 41 Controlador Lógico programável 54
Figura 42 Modelagem do algoritmo do motor (Posição esquerda) 55 Figura 43 Modelagem do algoritmo do motor (Posição centro) 56 Figura 44 Modelagem do algoritmo do motor (Posição direita) 56
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO 1
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA. 4
2.1 Importância de energia Renovável 4
2.2 Energia Solar 6
2.2.1 Destiladores solares 6
2.3 Processo de Destilação Solar 7
2.4 Funcionamento do destilador solar 7
2.5 Tipos de coletores Solares 9
2.5.1 Coletor Solar Plano (CSP) 9
2.5.2 Coletor Ciliíndrico Parabólico (CCP 11
2.6 Automação de Processos 13
2.7 Tipos de sensores Luminosos 15
2.7.1 Foto-diodo. 15
2.7.2 Foto-transistores. . 16
2.7.3 Foto-resistência. 18
2.8 Sensor de Fim de Curso 19
2.9 Regulador de Tensão 20
2.10 Relé 21
2.11 Software Supervisório-(Elipse-Scada) e Controlador Lógico Programável (CLP)
22
2.11.1 Arquitetura do CLP 23
2.11.2 Versatilidade do controlador lógico 25
2.12 Motor Elétrico de Corrente Alternada 26
2.13. Motor Elétrico de Corrente Contínua 29
2.14 Sistema de Redução usando Engrenagens. 31
3. MATERIAIS E MÉTODOS 35
3.1 Etapas de Automação do Equipamento 35
3.1.1 Identificação dos limites e requisitos do sistema 36 3.1.2 Desenvolvimento dos sistemas de sensores e atuadores. 36
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES 38 4.1 Identificação dos limites e requisitos do sistema 38 4.2 Desenvolvimento do sistema de sensores e atuadores 40
4.3 Sistema de Calibração 44
4.4 Desenvolvimento da lógica de programação 47
4.5Desenvolvimento do sistema de controle para a automação do equipamento
51
4.6 Desenvolvimento do sistema Mecânico para a Automação do equipamento
54
4.7 Trabalhos Futuros 58
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS 59
6 REFERENCIAS 60
7 APÊNDICE A - Programação em ladder (normalização do tempo) 61 7 APÊNDICE B - Programação em ladder (comparação dos sensores parte I, II, ) 63 7 APÊNDICE C - Programação em ladder (chamada das funções dos motores
parte I, II)
64
7 APÊNDICE D - Programação em ladder (chamada das funções de normalização dos sensores parte I e II)
65
7 APÊNDICE E - Programação em ladder (chamada dos sensores fim de curso parte I, II, III IV, V, VI, VII, VIII)
66
7 APÊNDICE F - Programação em ladder (retorno a função principal parte I, II,) 70
7 APÊNDICE G - Tabela 1- (Símbolos em ladder) 71
1 1 INTRODUÇÃO
Dentre os recursos naturais que o homem mais necessita para a sua sobrevivência a ingestão de água potável é uma das principais. Entretanto, em muitas partes do planeta a única água disponível é salobra ou salgada (de um a 10 gramas de sais por litro). A água do mar é altamente salgada, com uma concentração típica de sais de 35 gramas por litro, dos quais 28 gramas são cloreto de sódio (MALUF, 2005).
De acordo com os dados fornecidos pela Organização Mundial de Saúde (OMS), o Brasil tem por volta de 11% de sua população, sendo 20 milhões de pessoas, sem acesso à água potável de qualidade. Para impedir que haja maiores problemas com a crescente falta de água em mais ou menos 15 anos, a maioria dos governantes deverá investir uma grande quantidade de recursos para o tratamento e fornecimento da mesma. Assim, para que essa água (salobra, salgada e mesmo contaminada) se torne adequada ao consumo humano, é necessário remover o seu conteúdo impróprio para o consumo (MALUF, 2005).
O projeto de um destilador solar visa entre outros pontos realizar o processo da purificação de água, por meio de evaporação, condensação e precipitação. Segundo Soares (2004), o uso do destilador solar, apresenta-se como uma solução para viabilizar a dessalinização da água, visando o consumo humano. A "destilação solar” pode ser realizada usando um sistema de Concentrador Cilíndrico Parabólico (CCP), que funciona da seguinte forma: Um painel cilíndrico espelhado reflete a luz do sol concentrando os raios de luz em um tubo de cobre localizado no centro da parábola; a água que circula internamente no tubo de cobre sofre evaporação ao entrar em contato com a superfície interna aquecida; o vapor resultante da evaporação é posteriormente condensado, gerando a água destilada.
Concebido o sistema de Concentrador Cilíndrico Parabólico, um projeto de automação do sistema, com o objetivo de direcionar o espelho do destilador na posição em que haja a máxima captura de luminosidade do sol é proposto.
Tal sistema de destilação, cujo funcionamento é autônomo, poderá ser útil em inúmeras aplicações, tanto para o meio acadêmico na produção de soluções destiladas, como para a sociedade civil, na geração de energia elétrica ou na produção de água destilada das várias comunidades nas regiões do nordeste, em
2 que o sistema de abastecimento público de água potável é escasso, sendo a única alternativa, o uso de uma água com alta concentração de sais, encontrada nos aqüíferos subterrâneos.
Segundo Manassés (2011), a captura da luminosidade solar, através de um coletor solar, pode ser concebida através de dois tipos: de geometria plana e o de geometria parabólica.
O coletor de geometria plana ou coletor solar plano tem como principal característica capturar a energia proveniente do sol e esquentar uma placa que depois é transferida para qualquer fluido que atravessa seu interior. Esse tipo de coletor é geralmente utilizado em climatização e aquecimento de piscinas ou produção de água quente sanitária (NANDWANI, 2005).
O coletor de geometria parabólica permite concentrar uma radiação solar maior do que o de geometria plana, tornando-se adequado na utilização em projetos de captação de energia solar. Esse tipo de coletor ao concentrar toda a energia incidente na sua região focal consegue melhorar a eficiência de aquecimento (MANASSÉS, 2011; DGGE/IP-AQSpP, 2004).
De acordo com o seu tipo de movimento, esses coletores parabólicos podem ser definidos como estacionários e apresentam dois tipos de movimentos: os que possuem movimento de acompanhamento em um eixo, e os que possuem movimento de acompanhamento em dois eixos.
Para o desenvolvimento do projeto em questão, o Coletor Cilíndrico Parabólico (CCP) escolhido é do tipo que apresenta movimento de acompanhamento em apenas um eixo, já que esse tipo de equipamento permite realizar seu movimento de acordo com a trajetória do sol, de maneira que os raios incidentes estejam perpendiculares com a superfície do equipamento, trabalhando em uma faixa entre 60o e 400°C (MANASSÉS, 2011).
Para a realização desse trabalho foi utilizado um CCP cuja estrutura é composta por espelhos moldados em estrutura parabólica com um tubo ao centro como absorvedor, construído utilizando-se materiais leves para não inviabilizar seu movimento.
A partir das considerações abordadas, o objetivo deste trabalho será automatizar um coletor do tipo CCP, de forma que o mesmo capture a luminosidade do sol e consiga realizar o controle do equipamento para permitir destilar qualquer tipo de fluido. Para o projeto do destilador solar a principal justificativa é a construção
3 de um equipamento a baixo custo que pode ser utilizado em experiências acadêmicas.. Além disso, este projeto possui vários elementos de automação industrial imprescindíveis para o seu desenvolvimento, tais como, sensores de luminosidade para detecção da luz e Controlador Lógico Programável para o controle de todo o equipamento.
Este trabalho está organizado da seguinte maneira: o capítulo 2 apresenta uma visão geral a respeito de energias renováveis e destiladores solares, explicando seus principais conceitos e mostrando as principais questões envolvidas neste tipo de projeto. A partir disso, o capítulo 3 descreve os materiais e métodos que foram usados para a construção do projeto. O capítulo 4 finaliza os dados recolhidos através dos resultados observados. Nos capítulos 5 e 6, respectivamente, tem-se a apresentação das considerações finais e as referências usadas na construção do equipamento e de todo o projeto.
4 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 Importância de Energia Renovável
Sabe-se que as mudanças que vem ocorrendo no setor energético, implicam de alguma maneira no dia-dia da população, e como conseqüência, percebe-se uma mudança no custo e na forma como a energia é levada até as residências e estabelecimentos comerciais, industriais, etc..
As tecnologias de fontes energéticas que são utilizadas hoje, através das usinas Termoelétricas e Nucleares, além de serem não renováveis, trazem sérias e irreversíveis mudanças climáticas, prejudicando todo o meio ambiente.
Em função dessa análise sobre tradicionais formas de obtenção de energia, o uso de fontes renováveis passa a ser essencial. Dentre essas fontes renováveis estão a eólica, a solar e a biomassa. Essas fontes não poluem a atmosfera e não contribuem para o aumento da temperatura do planeta.
Praticamente inesgotável, o uso da energia solar é um grande aliado para muitas empresas que almejam produzir eletricidade, através principalmente do uso de células fotovoltaicas. E em um país como o Brasil, a quantidade de sol abundante é um grande atrativo para esse tipo de fonte de energia (MOTHÉ, SANTOS, 2007). Em muitos países ao redor do mundo, principalmente na comunidade européia, o uso de painéis fotovoltaicos contendo células fotovoltaicas para absorção de energia é um dos recursos mais promissores usados atualmente (MOTHÉ, SANTOS, 2007).
Outra energia bastante discutida para uso alternativo em muitas cidades é a energia eólica gerada pela movimentação dos ventos, canalizada por modernas turbinas eólicas (MOTHÉ, SANTOS, 2007). Estudos mostram que países que possuem uma geografia bastante propícia para captação desse tipo de energia renovável como o Brasil, conseguem captar ventos com velocidade média de 6 m/s ou superior permitindo produção de energia elétrica em grande escala.. (MOTHÉ, SANTOS, 2007).
Algumas vantagens surgem com o desenvolvimento de energia eólica dentre elas: está o mínimo impacto ambiental e uma menor destruição dos ecossistemas vigentes (MOTHÉ, SANTOS, 2007).
5 Na Figura 1 se encontra o gráfico contendo o investimento de alguns países em fontes de energia renovável.
Figura 1. Investimentos de alguns países em fontes de energia renovável
Fonte:pewenvironment.org, (2011)
2.2 Energia Solar
2.2.1 Destiladores solares
O sol como fonte de energia perene e não poluente é responsável por todas as formas de vida no planeta. Através da grande quantidade de energia liberada, e é possível utilizar a sua energia para diversas finalidades, dentre elas o uso em fontes alternativas de energia pura.
Vários tipos de tecnologias e projetos são utilizados para conseguir aproveitar a energia solar, dentre eles estão equipamentos como: Coletores Planos, Secadores
6 Solares, Fogões Solares, Dessalinizadores, Concentradores Parabólicos, Placas Fotovoltaícas e etc (FILHO, 2008).
Sabe-se que os primeiros destiladores solares modernos têm sua origem no Chile por Charles Wilson, que tinha como meta suprir uma quantidade de 20 mil litros por dia para animais que trabalhavam nas minas. Após a abertura da região pela chegada da ferrovia, a instalação foi sendo deteriorada até o fim de sua operação em 1912. Entretanto, após os 40 anos de sua construção, a maioria dos destiladores solares ainda segue este modelo (MALUF, 2005).
Com isso o interesse em destilação solar foi sendo crescente e a necessidade de se construir grandes destiladores solares centralizados foi sendo reavivada. Mas em virtude dos enormes custos na sua confecção, os grandes sistemas de destilação solar foram substituídos por sistemas de pequeno porte (MALUF, 2005).
Com a captação de energia solar é possível a destilação de qualquer fluido, sendo uma das mais promissoras alternativas para este fim, principalmente em áreas de clima mais quente, que possuem regiões com escassez de água doce e alta concentração de sais impróprios para o consumo.
Sabe-se que nas três últimas décadas, a energia solar, como uma fonte inesgotável de energia mais promissora, tem sido um tema bastante discutido com possibilidades de utilização as mais diversas, notadamente nos países tropicais e subtropicais, como é o caso do Brasil e outras regiões do continente africano, asiático e europeu (BEZERRA, 1982).
Vários países possuem projetos em desenvolvimento, dentre eles os Estados Unidos, que possuem atualmente em alguns estados como a Califórnia, instalação capaz de gerar uma grande quantidade de energia elétrica superior a 354 MW de potência instalada a partir da energia solar. A suíça também possui tecnologia capaz da geração de energia elétrica a partir da energia solar com 5 reatores em operação com capacidade de aproximadamente de 3.352 MW que representa para o país 39% de energia produzida (FILHO, 2008).
7 2.3 Processo de Destilação Solar
Dentre os tipos de processos existentes na destilação solar, um pode ser discutido: o de “múltiplos estágios”: Para esse tipo de processo é necessário ocorrer algumas etapas ou estágios que se iniciam com a coleta da energia solar, através de um captador, por onde deve passar algum tipo de fluido, que ao atingir a altas temperatura, sofre o processo de evaporação e por meio de um outro equipamento chamado serpentina esse fluido é então resfriado e pode ser depositado em algum recipiente, com o fluido já destilado.
Dessa maneira, com esse tipo de processo é possível em uma das etapas retirar as impurezas e apenas utilizar o fluido já destilado.
2.4 Funcionamento do destilador solar
Através da radiação solar que aquece um fluido contido num recipiente, o mesmo se transforma em vapor e o vapor se condensa (quando a temperatura do fluido está mais baixa do que a do recipiente). Através de uma serpentina de condensação a água pode condensar em gotas de pura água destilada, com isso a água destilada é então coletada em um duto qualquer localizado próximo do destilador (MALUF, 2005).
Na Figura 2 se encontra o tipo de destilador que foi trabalhado no projeto contendo a parte que irá receber os raios solares e o tubo de cobre por onde passa o fluido que sofrerá o processo de destilação.
8 Figura 2. Destilador solar
Fonte: Construção e estudo de um aquecedor solar cilíndrico parabólico,(2011)
A concentração de raios solares no equipamento é alcançada pelo uso adequado da reflexão ou da refração, que juntas podem aumentar a intensidade no coletor. Sabe-se que de acordo com a trajetória do sol, o equipamento captura a máxima concentração de intensidade luminosa permitindo que os raios incidam perpendicularmente à área de seção reta da parabólica (espelho), e sejam em sua totalidade refletidos para o receptor.
A energia utilizada em destiladores que são utilizados comercialmente tem seu custo elevado quando utilizados em projetos de agricultura, e plantas industriais. Sabe-se que esse tipo de tecnologia possibilita algumas vantagens (MALUF, 2005).
A purificação da água com ausência de instrumentos sofisticados e com materiais eletrônicos ou mecanicamente móveis.
Tecnologia adequada para áreas desprovidas da rede elétrica, que possuem pouca água potável e alta incidência de radiação solar.
9 Obtenção de um equipamento que elimine todos os tipos de sais e
contaminações microbiológicas, melhorando assim a qualidade da água.
O uso da energia solar em equipamentos como destilador solar tem sido pesquisado tanto por cientistas como por muitas empresas ao longo dos anos. Durante o período da segunda guerra mundial já eram fabricados alguns tipos de destiladores, principalmente para a execução de pequenas tarefas, e essa prática teve maior impulso no pós-guerra, com o aumento da população, as necessidades aumentaram, surgindo novas utilidades para o destilador (MALUF, 2005).
2.5 Tipos de coletores Solares
Conforme já foi discutido sobre o funcionamento do destilador solar, é importante destacar o funcionamento desses tipos de destiladores de acordo com a literatura especializada: os coletores planos e os coletores cilíndricos parabólicos.
2.5.1 Coletor Solar Plano (CSP)
O coletor solar plano (CSP) ilustrado pela Figura 3 é o dispositivo mais simples dentre os tipos de coletores para a conversão da energia solar em calor e trabalha com fluidos, desde os mais convencionais como água, até fluidos menos comuns como óleo, dependendo apenas da temperatura de funcionamento (DGGE/IP-AQSpP, 2004).
Estes tipos de coletores geralmente quando estão em operação não permitem trabalhar com temperaturas acima de 80° C, já que os mesmos, ao atingirem temperaturas tão altas, não conseguem um rendimento satisfatório, sendo o mesmo na faixa de 40% (DGGE/IP-AQSpP, 2004).
Existem vários tipos de coletores com geometria plana e abaixo está representado um coletor de geometria plana que serve para absorver toda a energia solar, conforme a Figura 3 (VILLOBOS el at,1995).
10
Figura 3- Coletores de Energia Solar
Fonte: farm4.staticflickr, (2012)
2.5.2 Coletor Ciliíndrico Parabólico (CCP)
Esse coletor tem como característica o acompanhamento do movimento aparente do sol, e podem ser usados, dentre outras finalidades, na produção de energia elétrica e na destilação de fluidos. Ao contrário dos coletores planos, esses tipos de coletores suportam temperaturas superiores a 80°C, e possuem geralmente um eixo de rotação e foco linear, que acompanham a altura do sol acima do horizonte (MANASSÉS, 2011).
As experiências significativas com esses tipos de Concentradores Cilíndricos Parabólicos em alguns países são:
Espanha:
Campo Acurex, 0,5 MW, Almeria: Este campo consta de 20 filas de 80 metros de comprimento cada uma com orientação Leste-Oeste e sistema de seguimento solar em um eixo. A abertura dos coletores Acurex 3001 é de 1,83m, e a superfície de captação deste campo é de 2674 m², conforme a Figura 4 (Filho, 2008).
11 Figura 4: Campo Acurex em Almeria-Espanha
Fonte: aer.ual.es/PREDINCER/ , (2011)
USA:
Planta SEGS 354MW, em 1993. É uma das maiores plantas de energia renovável localizada nos Estados Unidos, no estado da Califórnia. Ela é constituída de nove placas de energia solar, conforme a Figura 5:
Figura 5: Planta Solar SEGS na Califórnia –USA
12 Israel :
Planta DSG systen, 0,5W, Ba Gurion que apresenta 20 módulos com 25 metros de comprimento por 6,76 de abertura focal. Situado a 50 quilômetros ao Norte do balneário de Eliat foi inaugurada a primeira planta de energia solar de Israel. Com capacidade para produzir 9 milhões de quilowatts-hora por ano, sendo conectada ao sistema elétrico capaz de abastecer três pequenas cidades, (Figura 6):
Figura 6: Planta Solar em uma pequena cidade- ISRAEL
Fonte: eretzisraelmv.blogspot, (2011)
2.6 Automação de Processos
Sabe-se que para um sistema automático a principal característica é a produtividade, dessa maneira um sistema de automação é um sistema que busca entre outras coisas realizar as tarefas em curtos intervalos de tempo. Por isso, esses sistemas são geralmente constituídos de uma parte elétrica e outra mecânica, tais como: atuadores pneumáticos e eletromagnéticos, motores elétricos e servomotores. Dentre os vários tipos de processos onde se utiliza elementos de automação são:
Produção de medicamentos
Manipulação de produtos químicos Produção de máquinas pesadas, etc.
13 Segundo Oliveira (2007), em projetos que utilizam conceitos de automação, o projetista deve se preocupar em montar sistemas eletro-mecânicos para operar através de três módulos funcionais bem definidos: sensor, controlador e atuador.
O sensor realiza a captura e o condicionamento do sinal proveniente do sol e envia um sinal ao Controlador Lógico Programável - CLP para o seu processamento. Realizado o processamento, o CLP envia algum sinal de controle para o atuador eletro-mecanico, e este, através dos sinais, realiza os movimentos. Cada um desses módulos pode ser construído como uma unidade independente e depois serem fisicamente interligados.
Todas as etapas deverão ser cuidadosamente projetas e testadas para obter o resultado esperado com todas as partes do sistema.
2.7 Tipos de sensores luminosos
Os sensores luminosos são dispositivos eletrônicos capazes de converter a energia da radiação que neles incide em elétrons livres (efeito fotoelétrico), o que permite originar sinais elétricos (tensões ou correntes) podendo ser utilizados em várias aplicações. De acordo com a análise do projeto, alguns tipos de sensores foram verificados dentre eles estão: Foto-diodo, Foto-transistor e Foto-resistencia (TERESA, 1992).
2.7.1 Foto-diodo
O interesse por dispositivos sensíveis a luz aumentou consideravelmente nos últimos anos. O campo da optoeletrônica é um reflexo disso, já que é o campo da eletrônica que estuda dispositivos com sensibilidade a luz, sendo alvo de intensas pesquisas para aumentar os seus níveis de eficiência
A energia que é transmitida pode ser armazenada em pacotes discretos chamados fótons, tendo seu nível ligado diretamente com a freqüência da onda de luz que se propaga (BOYLESTAD et al, 2004).
Os fotodiodos são dispositivos semicondutores de junção p-n, que podem absorver o máximo de energia luminosa em função de uma área de exposição e um encapsulamento especialmente projetado para ser permissivo a luz (BOYLESTAD et al, 2004).
14 A resposta obtida com o uso dos fotodiodos depende do material e do encapsulamento presente no componente, apresentando em quase sua totalidade o silício em sua composição representado na figura 8.
Dentre as aplicações em que os diodos podem ser encontrados estão: lasers, fontes de luz de TV, foco automático de filmadoras, unidades óticas do CD Player e em rede de iluminação pública (BOYLESTAD et al, 2004).
Um exemplo de circuito com um foto–diodo pode ser visto descrito na Figura 8, onde existe uma resistência, seguida de um capacitor e um foto-diodo, que ao receber energia luminosa ele permite que a corrente possa fluir ao longo da malha, caso isso não ocorra o foto-diodo não permite a passagem de corrente.e a corrente não consegue fluir ao longo da malha. As tensões de operação dos foto-diodos são: Vd =0,3 volts para o germano e Vd =0,7 volts para o silício.
Figura 7-Circuito formado por Fotodiodo
Fonte: if.ufrgs.br, (2011)
Figura 8-Fotodiodo modelo (a) e (b)
modelo (a) modelo (b) Fonte: if.ufrgs.br, (2011)
15 2.7.2 Foto-transistor
O foto-transistor como o foto-diodo é classificado como sensor fotovoltaico, que têm como principal característica ser usado para aplicações onde se pretende realizar algum tipo de medição utilizando para isso a intensidade dos raios luminosos.
Com isso é possível inferir que para o caso de um foto-transistor essa captação se dá quando o fenômeno da condução é dependente da radiação eletromagnética que incide na junção base/coletor permitindo colocar o transistor em região ativa (BOYLESTAD et al, 2004).
Dentre as características que podem ser visualizadas no fototransistor é que como o transistor convencional, o fototransistor é uma combinação de dois diodos de junção, porém, com um pequeno detalhe, aparece o efeito fotoelétrico. Em geral, os foto-transistores possuem apenas dois terminais acessíveis, o coletor e o emissor, sendo a base incluída apenas para eventual polarização ou controle elétrico (BOYLESTAD et al, 2004).
Como nas outras células fotocondutivas, a incidência de luz (fótons) provoca o surgimento de lacunas na vizinhança da junção base(B)-coletor(C), sendo demonstrado no exemplo da Figura 9. Esta tensão conduzirá as lacunas para o emissor (E), enquanto os elétrons passam do emissor para a base. Isso provocará um aumento da corrente de base, o que por conseqüência implicará numa variação da corrente de coletor beta vezes maior do que a corrente de base (lembrando que, para Ib sendo a corrente da base e Ic a corrente do coletor, temos a relação Ic =β.Ib), onde β é o ganho do transistor (fornecido pelo fabricante), um exemplo bem nítido é representado na Figura 10 .Conforme visto, essa figura mostra dois foto-transistores, além de uma tensão de alimentação para tornar o circuito estável, com a presença de luz o fototransistor pode conduzir a corrente do coletor para o emissor, e caso não tenha a presença de luz, o fototransistor entra em estado de corte e não permite a passagem da corrente (BOYLESTAD et al, 2004).
16 Figura 9- Fototransistor Fonte: eaocoatec.blogspot, (2011)
Figura 10- Circuito de um fototransistor
Fonte: eaocoatec.blogspot, (2011)
2.7.3 Foto-resistência
O uso de Foto-resistência tem sua origem desde o final do século XIX por Heinrich Hertz através da análise de iluminação de eletrodos que facilitavam a produção de descargas elétricas no vácuo. Depois, com o estudo sobre as propriedades da luz com Albert Einstein, esses assuntos tiveram maior destaque através do caráter ondulatório da luz, já bem estabelecidos naquela época (ALIEVI, 2008).
Dessa maneira, o caráter aparentemente ambíguo da luz passou a ter duas vertentes que passaram a funcionar no campo da optoeletrônica, ora como partícula,
17 ora como onda, sendo fundamental para compreensão a nível atômico e subatômico.
Com isso, ao se estudar essas observações sobre as propriedades da luz, foi possível entender o comportamento dos dispositivos que farão parte no projeto, dentre eles o Resistor Dependente de Luz (LDR) que permite analisar a variação da resistência elétrica dependendo da luz incidente (ALIEVI, 2008).
Em geral o LDR tem materiais fotocondutores em sua composição. Geralmente esses materiais fotocondutores quando mantidos na ausência de luz têm uma resistência bastante elevada. Para o projeto do destilador solar como os LDR irão sofrer intensa luminosidade essa resistência tende a cair. De acordo com a as análises é possível visualizar a faixa de funcionamento que trabalha o LDR com Temperatura miníma= -60°e Temperatura máxima= 75°. Abaixo é possível visualizar o LDR na figura 11. Um exemplo de foto-resistencia comercial pode ser visto na Figura 11.
Figura 11- Fotoresistência
Fonte: electan, (2011)
2.8 Sensor de Fim de Curso
Sensores de fim de curso também chamado de Chave de fim de curso são dispositivos on/off de comando e de acionamento, que basicamente são constituídos de uma alavanca ou haste, com ou sem roldanas em sua extremidade, transmitindo o movimento aos contatos como é ilustrado na Figura 12. Estas chaves servem para (ALIEVI, 2008):
Controle, quando sinalizam o início ou fim de um determinado movimento. Segurança, quando desliga equipamentos se houver abertura de porta ou equipamento de alarme.
18 Este tipo de sensor, ilustrado na Figura 12, é constituído basicamente de: Atuador: que é o elemento da chave que deverá entrar em contato com os objetos que serão detectados (ALIEVI, 2008).
Cabeçote: parte da chave que vai alojar os mecanismos que convertem os movimentos do atuador em movimentos nos contatos (ALIEVI, 2008).
Bloco de contatos: parte da chave que alojará os contatos da chave.
Figura 12- Sensor de Fim de Curso
Fonte: automação,blogspot, (2010)
2.9 Regulador de Tensão
Os reguladores de tensão são dispositivos que são utilizados para manter a tensão de saída constante (estabilizada) mesmo havendo variações na tensão de entrada ou na corrente de saída (AMORIM, 2009).
Os reguladores de tensão podem ser implementados como componentes discretos ou podem ser obtidos na forma de circuito integrado (CI). Geralmente os reguladores de tensão na forma de CI são mais precisos e tornam os circuitos mais compactos, pois ocupam menor espaço (AMORIM, 2009).
Existem vários tipos de reguladores de tensão, dentre os quais podem ser citados os CIs da série 78XX, onde de acordo com a tensão desejada esse CI pode gerar uma tensão de saída de 12 volts como o 7812, ou de 24 volts como o 7824, entre outros (AMORIM, 2009).
As principais características de tensão para este CI são: Máxima tensão de entrada: 35V
19 Máxima corrente de saída: 1A
Máxima potencia dissipada: 15W
Um exemplo de Regulador de Tensão comercial pode ser visto na Figura 13.
Figura 13- Regulador de Tensão
Fonte: aliatron, (2011)
2.10 Relé
Os relés são chaves eletromagnéticas usadas para o acionamento de cargas de alta tensão e/ou alta corrente a partir de um circuito de baixa tensão, conforme as características do tipo de relé utilizado (PATSKO, 2006).
O relé tem sua construção baseada num contato metálico que se abre ou fecha sob a influência de campo eletromagnético induzido numa bobina em seu interior. Desse modo, quando os contatos da bobina do relé são percorridos por uma corrente elétrica, ele atrai o contato metálico e abre ou fecha o contato, conforme o modelo de relé utilizado. Os relés que ligam circuitos quando percorridos por corrente elétrica são chamados de NA ou normalmente abertos, enquanto que os desligam circuitos quando percorridos por corrente são denominados NF ou normalmente fechados.
Os relés podem ser acionados com controles que fornecem baixa corrente ao contrário de máquinas industriais, que consomem dezenas de amperes de corrente e que são controladas por dispositivos eletrônicos simples ou por computadores que não suportam elevada corrente (PATSKO, 2006).
20 Outra característica típica dos relés é que estes precisam de uma certa corrente para que possam ser acionados, logo quando a fonte de sinal não produz uma corrente suficientemente elevada, precisa-se utilizar algum tipo de circuito que proporcione o aumento necessário no valor da corrente. Com circuitos baseados em transistores, a corrente pode ser amplificada e o relé pode ser acionado (PATSKO, 2006). Um exemplo de Relé comercial pode ser visto na Figura 14.
Figura 14-Relé
Fonte: emule, (2011)
2.11 Software Supervisório- (Elipse-Scada) e Controlador Lógico Programável (CLP)
Um software do tipo supervisório também conhecido como Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA), tem como principais características ser formado por terminais que tem como função coletar dados do campo (meio externo) e transmitir a uma estação principal. Essa estação exibe os dados e com isso permite que o operador possa executar algumas tarefas (GUEDES, 2009).
Com os crescentes e modernos produtos na área de automação, o mercado vem disponibilizando melhorias nesses tipos de softwares. Além disso, na área de hardware também vem surgindo equipamentos capazes de suportar toda a tecnologia para acionamento de máquinas nas diferentes indústrias, como os controladores lógicos programáveis (CLP) (GUEDES, 2009).
Geralmente um CLP pode trabalhar de maneira isolada ou em conjunto com outros dispositivos para conectar–se ao meio externo, permitindo tanto o recebimento como o envio de dados.
21 O controlador lógico programável trabalha com variáveis de entrada e variáveis de saída. As variáveis de entrada são definidas como sinais externos recebidos pelo CLP, que são oriundos tanto a partir de fontes pertencentes ao processo controlado como de comandos gerados pelo operador. Enquanto que as variáveis de saída são definidas por saídas de sensores, transdutores entre outros (ROSÁRIO, 2005).
As variáveis de saída são definidas como sinais os quais o CLP controla. Esses sinais podem servir para realizar uma intervenção direta em quiasquer tipo de processo, e os mesmos podem ser saídas de vários equipamentos, dentre os quais válvulas solenóides, chaves ou outros tipos de CLPs (ROSÁRIO, 2005).
Geralmente o princípio de funcionamento do CLP é a execução dentro da CPU, de um programa desenvolvido pelo fabricante (firmware), que realiza sistematicamente ações de leitura das variáveis de entrada. (ALIEVI, 2008).
2.11.1 Arquitetura do CLP
Os CLP’s de acordo com a arquitetura definida pelos fabricantes são divididos em (ROSÁRIO, 2005):
Na Unidade central de processamento (CPU), integrado pelo processador (microcomputador, processador)
Fonte de alimentação, responsável principalmente pelo fornecimento de tensão de alimentação a CPU e aos circuitos, módulos de entrada e saída.
Unidade de entrada e saída, ou E/S. Memória.
Base, geralmente é responsável por proporcionar conexão mecânica e elétrica entre a CPU e os módulos.
A linguagem utilizada para desenvolver os programas no CLP pode ser representada através das formas a seguir: (Rosário, 2005):
Diagramas de contato (Ladder), que são similares aos esquemas elétricos de relés.
Diagrama de blocos ou grafcet contendo funções e procedimentos próprios do Ladder.
Lista de instruções, que vem a ser a programação diretamente apoiada nas funções lógicas binárias similares aos esquemas elétricos de circuitos digitais.
22 Um exemplo de diagramação usando contato LADDER pode ser visto na Figura 15 e seu funcionamento é descrito abaixo:
Figura 15-Diagramação em LADDER
Fonte: jutairf3,blogspot.(2012)
Conforme já mencionado, o comando em lógica LADDER serve para realizar algum tipo de acionamento elétrico. Para o exemplo mostrado acima na Figura 17 , nota-se que existem algumas chaves de entrada X1 (%X1), X2 (%X2), X3 (%X3), M1 (%M1), I0.2 (%I0.2) e I0.7 (%I0.7), que dependendo do processo que irão executar, enviarão um sinal para as respectivas saídas Q1 (%Q0.1), Q2 (%Q0.2) e Q3 (%Q0.3). A saída Q1 será acionada se a chave X1 for fechada, e a saída Q2 será acionada se a chave X2 for fechada. Já para a terceira saída, o sinal não é enviado de maneira simples, pois de acordo com o exemplo, esta saída só poderá ser acionada apenas ou quando as entradas M1, I0.2 e I0.7 forem acionadas em série (significa M1 fechada, I0.2 aberta e I0.7 fechada ao mesmo tempo) ou a entrada X3 fechada. Estas saídas podem estar representando um motor, ou um equipamento qualquer.
2.11.2 Versatilidade do controlador lógico
Dentre as inúmeras aplicações do CLP, o uso em ambientes industriais é o mais comum, proporcionando uma maior flexibilidade e dinamismo dos processos, representado principalmente em painéis de controle, reduzindo com isso o tempo e o custo de implantações em sistemas complexos, facilitando sua manutenção, como a flexibilização de controle do sistema (SOUSA, 2010).
23 Algumas das vantagens mais perceptíveis para o uso desses controladores lógicos em automação industrial são:
Tamanho reduzido;
Funções avançadas de programação;
Flexibilidade para mudanças no esquema de controle;
Diagnósticos de erros e monitoramento do sistema de forma remota.
Um exemplo do funcionamento entre os sensores e o CLP é representado na Figura 16, em que um sensor do tipo termopar informa ao controlador o valor de temperatura medido, com isso o valor de temperatura é convertido em valor de tensão, e a partir dos valores coletados o controlador poderá enviar um sinal a algum tipo de atuador presente no sistema como válvulas e motores.
Figura 16 - Sensor transdutor.
Fonte sabereletronica.com.br, (2012)
2.12 Motor Elétrico de Corrente Alternada
O uso de motores elétricos na Engenharia é uma prática que tem sua principal utilidade quando se necessita de dispositivos que servem para converter energia elétrica em energia mecânica (TORO, 1998) representado por conversores eletromecânicos de potencia que são responsáveis por controlar os níveis de energia (SIMONE; CREPPE, 2002).
Dentre os tipos de motores elétricos de corrente alternada com maior uso em grande parte do setor industrial está o motor de Indução este é composto por Estator, Bobinas e Rotor.
24 Seu princípio de funcionamento é baseado na idéia do campo girante que surge quando um sistema de correntes alternadas trifásico aplicado em pólos defasados fisicamente de 120° graus.
Conforme é feita uma análise sobre o funcionamento de uma máquina elétrica, como os motores elétricos, a velocidade do seu campo magnético é dada pela seguinte equação:
Ns = 120f /p (1)
Onde as variáveis representam respectivamente:
Ns = velocidade de rotação do campo magnético girante ou velocidade síncrona (rpm);
f= freqüência de rotação do motor p = número total de pólos.
Dentre alguns tipos de conversores eletromecânicos, os motores de corrente alternada podem ser do tipo Síncrono ou motor de Indução (PAIXÃO, 2009). .
Os motores síncronos são definidos desta maneira por que trabalham na mesma frequência da rede elétrica com velocidade fixa. Possuem maior rendimento em baixas rotações como outros tipos de motores com faixa de velocidade de (80 a 3.600 rpm), geralmente utilizado quando se necessita de velocidades estáveis sob a ação de cargas variáveis.
Já os motores assíncronos ou de indução (Figura 18) em sua maioria são usados na indústria. Tendo dentre algumas vantagens: elevada confiabilidade, baixo custo, bom rendimento, além de possuírem pouca variação na velocidade (PAIXÃO, 2009).
Os motores em geral possuem uma parte giratória que é conhecida como rotor e a parte estacionária que é chamada de estator. Dessa maneira, os motores de corrente alternada, mais precisamente os de indução possuem um torque que depende da intensidade da interação dos campos do seu rotor e do seu estator e das relações de fases entre eles. Conforme a equação (2).
25 Onde as variáveis representam respectivamente:
C – Conjugado ou torque (Nm);
ɸ- Fluxo do campo magnético girante do estator (em linhas de fluxo); IR – Corrente do rotor (A);
cos ɸ R – Fator de potência do rotor; k- Constante.
Em toda a faixa de operação k, ɸ e cós ɸR são praticamente constantes e o conjugado ou torque varia diretamente proporcional a corrente do rotor IR (PAIXÃO, 2009).
Os motores elétricos têm seu funcionamento através do princípio do eletromagnetismo que descreve a atuação de uma força magnética em um meio quando este está conduzindo eletricidade.
Para exemplificar observe a Figura 17 onde é possível visualizar as partes de um motor de corrente alternada.
Figura 17- Arquitetura de um Motor de Corrente Alternada
Fonte: webeficienciaenergetica, (2011)
I) ROTOR:
3-Núcleo formado de chapas laminadas; 5-Ventilador para aumentar a refrigeração. 7- Eixo;
26 11-Rolamentos;
12- Anéis interligados por ranhuras inclinadas em relação ao eixo e isoladas do núcleo.
II)ESTATOR:
1- Suporte de fixação; 2- Núcleo laminado;
4- Carcaça com tampas laterais; 8- Enrolamentos;
10- Terminais de entrada de energia elétrica. 6-Tampa defletora
9-Caixa de ligação
Figura 18 - Motor de Corrente Alternada
Fonte: motorfase, (2011)
2.13 Motor Elétrico de Corrente Contínua
Assim como as máquinas de corrente alternada, as máquinas de corrente contínua também convertem algum tipo de energia elétrica em energia mecânica, e essas máquinas podem ser utilizadas tanto como motores quanto como geradores (HONDA, 2006).
Dentre as inúmeras aplicações que podem ser visualizadas com o uso de máquinas de corrente contínua estão:
27 Laminadoras
Extrusoras Elevadores
Indústria de Borracha
Da mesma maneira que um motor de corrente alternada, os motores de corrente contínua apresentam as mesmas características em sua estrutura, através de Estator e Rotor já mencionado acima (HONDA, 2006).
Dependendo da aplicação o acionamento de motores em corrente contínua apresenta grandes benefícios em relação aos motores de corrente alternada, com relação a confiabilidade e a dinâmica de controle (HONDA, 2006).
Além desses existem outras vantagens como: Ampla variação de velocidade.
Alto torque na partida e em baixas rotações.
Operação em 4 quadrantes com custos relativamente mais baixos
Entretanto em outras aplicações os motores de corrente contínua já não conseguem obter o mesmo resultado e com isso passam a apresentar algumas desvantagens como:
Os motores de corrente contínua são maiores e mais caros que os motores de corrente alternada (indução), para uma mesma potencia
Maior necessidade de manutenção (devido aos comutadores).
Arcos e Faíscas devido à comutação de corrente por elemento mecânico (não pode ser aplicado em ambientes perigosos)
Para exemplificar, observe a Figura 19 onde é possível visualizar um tipo de motor de corrente contínua.
28 Figura 19 - Motor de Corrente Contínua
Fonte: rgb.ind, (2011)
2.14 Sistema de Redução usando Engrenagens
Por várias razões, tais como necessidade de conseguir uma determinada velocidade angular ou um torque para movimentar uma carga, torna-se necessário usar algum tipo de mecanismo para transmitir potência gerada pelo atuador a um outro ponto de aplicação, ou modificar o tipo ou as características do movimento gerado (PAZOS, 2002).
Um sistema de engrenagens é um dispositivo mecânico muito utilizado na configuração de mecanismos de transmissão de potência. Consiste num par de rodas dentadas ao longo das suas circunferências externas, chamadas de engrenagens, onde os dentes de uma delas encaixam nos dentes da outra. Assim, a rotação de uma engrenagem imprimirá um movimento de rotação de sentido contrário na outra (PAZOS, 2002).
As engrenagens têm eixos que giram livremente. Se um destes for solidário com o eixo de um motor, sua rotação transmitirá o movimento ao eixo da outra engrenagem, mas possivelmente com outra velocidade angular e outro torque. A engrenagem solidária com o eixo do motor em geral recebe o nome de pinhão, e a engrenagem que recebe o movimento, de coroa (PAZOS, 2002).
Existem diversas formas de dentes; podem ser quadrados, triangulares, semicirculares, ou com algum outro perfil. O que pode mudar entre uma
29 engrenagem e a outra é o numero de dentes ao longo da sua circunferência, porém os dentes devem ser de igual forma e tamanho (PAZOS, 2002).
As engrenagens são bastante utilizadas em vários dispositivos mecânicos. Com a finalidade de realizar tarefas importantes em vários ambientes. Geralmente essas estruturas são elementos rígidos, que são utilizadas para transmitir movimentos rotativos ao longo de um eixo, principalmente quando se necessita do seu torque, que é dado através de uma força aplicada para gerar um deslocamento conforme a relação da equação (3) (JÚNIOR, 2003).
T= (F * d)/N (3)
As variáveis são: T= Torque do sistema.
F=Força aplicada no sistema d= diâmetro da engrenagem.
N= número de dentes da engrenagem.
O torque é definido pela relação entre diâmetro e número de dentes da engrenagem. As relações entre engrenagens são:
Np/Nc=dc/dp (4)
p.Np=c.Nc p/Np=c/Nc
Np = número de dentes da engrenagem menor Nc= número de dentes da engrenagem maior dc=diâmetro da engrenagem menor
dp= diâmetro da engrenagem maior
p=velocidade angular da engrenagem menor c=velocidade angular da engrenagem maior p=torque da engrenagem menor
30 Se a engrenagem menor (dc) está no eixo do motor, o sistema de engrenagem atua de maneira a reduzir a velocidade e aumentar o torque, entretanto se a engrenagem maior (dp) está no eixo do motor, o sistema de engrenagem atua como um acelerador da velocidade e redutor do torque.
Já que são elementos rígidos, as engrenagens devem atender a algumas características, dentre elas, a de que não haja qualquer tipo de diferença de velocidade entre pontos quando houver a transmissão de movimento (JÚNIOR, 2003).
De acordo com o estudo de tipos de engrenagens, elas podem se diferenciar conforme sua arquitetura, Com isso, temos os seguintes tipos:
Engrenagens Cilíndricas Retas: Possuem dentes paralelos ao eixo de rotação da engrenagem conforme Figura 20 (JÚNIOR, 2003), (FAIRES, 1976).
Figura 20- Engrenagens Cilíndricas Retas
Fonte: frezadorapaulista, (2011)
Em projetos de Engenharia que envolvem sistemas de engrenagens, é possível fazer uso de engrenagens do tipo Cilíndricas Retas, como controle de velocidade de motores, projetos de automação inclusive o do coletor cilíndrico parabólico (JÚNIOR, 2003).
Engrenagens Cilíndricas Helicoidais: Possuem dentes inclinados em relação ao eixo de rotação da engrenagem. Podem transmitir rotação entre eixos paralelos e eixos concorrentes (dentes hipoidais).
Geralmente as Engrenagens Helicoidais apresentam maior resistência e isso lhe confere maior vantagem, com isso elas são denominadas “espinha de peixe”
31 sendo usadas em geral para tipos de serviços pesados para transmissão entre outras estruturas de engrenagens. Esse tipo de engrenagem consegue suportar enormes resistências (conjunto de mancais e rolamentos) paralelas.
Os dentes que acompanham a estrutura helicoidal deste tipo de engrenagem são sujeitos a menos choque que os dentes das Engrenagens retas, em função da gradual transferência da carga de dente para dente. Pode-se notar como é dado o comportamento das engrenagens do tipo Cilíndricas Helicoidais (JÚNIOR, 2003), (FAIRES, 1976) de acordo com a Figura 21.
Figura 21- Engrenagens Cilíndrica Helicoidal
Fonte: usiwal.ind, (2011)
Engrenagens cônicas: Conforme é mostrado na Figura 22 abaixo, são Engrenagens que possuem a forma de um tronco de cone, sendo usadas principalmente em aplicações que exigem eixos que se cruzam (concorrentes). Essas engrenagens sofrem a ação de forças como de outros tipos de engrenagens. Geralmente a carga máxima total que é aplicada em um dente é composta pela carga transmitida e por algum sistema dinâmico que esteja acoplado a essa engrenagem.
Figura 22- Engrenagem Conica
32 Pinhão-Cremalheira: É um exemplo de sistema que permite a transferência de movimento circular para retilíneo ou vice-versa conforme Figura 23 (JÚNIOR, 2003). Consiste numa barra de perfil retangular, feita de um material rígido, com dentes em um de seus lados ao longo do seu comprimento. Uma engrenagem, que faz a função de pinhão, tem seu eixo solidário com o eixo de um motor (PAZOS, 2002).
Figura 23- Engrenagem Pinhão-Cremalheira
33 3 MATERIAIS E MÉTODOS
Esta parte do texto se destina a analisar todas as ferramentas e todos os métodos aplicados na instrumentação e automação do Coletor Solar Parabólico . A estrutura do aquecedor solar cilíndrico parabólico provém como resultado do projeto de monografia - Construção e estudo de um aquecedor solar cilíndrico parabólico (GOMES, 2011), realizado no Laboratório de Energia Solar da Universidade Estadual de Feira de Santana – UEFS, desenvolvido pelo aluno Manassés Almeida Gomes e orientado pelo Professor Dr. Germano Pinto Guedes.
Partindo dessa etapa, o respectivo equipamento precisou de algumas alterações, com o objetivo de realizar os movimentos de forma automática de acordo com os movimentos do sol. As alterações foram realizadas no laboratório de Engenharia Bioquímica/UEFS, sob a orientação do Professor Ricardo Nascimento.
3.1 Etapas de Automação do Equipamento
O desenvolvimento da instrumentação e automação do equipamento realizou-se realizou-seguindo algumas etapas, dentre elas estão: identificação dos limites e requisitos do sistema, desenvolvimento dos sistemas de sensores e atuadores, elaboração da lógica de programação e construção do sistema mecânico necessário para a automação.
O objetivo da automação do equipamento consiste em locomover o espelho do Coletor Solar Parabólico sobre o eixo principal para três posições (esquerda, centro e direita), de acordo com a posição do sol. Para isto, precisou-se de um sistema de sensores para realizar a captura de luz incidente. Um sistema de atuadores, que através da incidência de luminosidade, proporciona o movimento do espelho, usando um controlador de comando e gerenciamento das três posições. Um algoritmo embarcado no controlador para permitir que o sistema mecânico dê suporte na execução dos movimentos estabelecidos.
34 3.1.1 Identificação dos limites e requisitos do sistema
A Identificação dos limites do sistema foi definida a partir da análise e estudo do equipamento, foram analisadas suas especificações, através dos esforços para desmontar toda a sua estrutura, e realizado um estudo de como deveria ser montada a parte mecânica, responsável pelo movimento do destilador solar. Logo foi encontrado um equipamento que apresenta 1,50 metros de largura, peso de 98 Newton,
Ainda nessa fase foi possível perceber detalhes como: as limitações de giro que o destilador pode realizar e o redimensionamento do peso, definido como alternativa para evitar problemas na escolha do tipo de motor, com isso através de uma barra metálica instalada ao longo do equipamento seguida de engrenagens em suas extremidades, foi possível dimensionar a força aplicada ao longo do concentrador cilíndrico parabólico (CCP), inviabilizando possíveis torções e danificações no equipamento.
Inicialmente a massa do espelho no Coletor Solar Parabólico foi mensurada adaptando um sistema de roldana para definir o peso e altura máxima que pode ser atingida toda sua estrutura. Para esse modelo desenvolvido, além da roldana que foi utilizada, também fez parte um dinamômetro e uma fita métrica para permitir coletar a altura máxima atingida e a máxima força suportável no Coletor Solar Parabólico. Dessa maneira, com os valores já mensurados, foi possível trabalhar com o equipamento e desenvolver o movimento desejado.
3.1.2 Desenvolvimento dos sistemas de sensores e atuadores.
Após a identificação dos limites do sistema, a próxima etapa foi obter as definições dos tipos de sensores e atuadores utilizados, componentes essenciais na construção do projeto de automação, visto que através dos sensores ocorreu a captura da energia luminosa e do atuador toda a rotação do equipamento.
A quantidade de sensores utilizados foi definida em função da quantidade de posições de captação no Coletor Solar Parabólico. Por definição, foram adotadas três posições. Logo, a opção foi utilizar no equipamento também três sensores.
As considerações analisadas, na escolha do tipo de sensor foram em função dos inúmeros testes de resposta à luminosidade que foram feitos.
35 Além da escolha do sensor também foi definida como seria feita a sua instalação no coletor solar, e de como seria conectado ao CLP.
Para a seleção do motor, foram analisadas as características de vários tipos de motores encontrados comercialmente, de forma que se adeque as limitações do Coletor solar, como velocidade, precisão e torque, sendo o torque a característica mais importante exigida na rotação. Nessa etapa foram pesquisados motores de corrente contínua e alternada, relacionando custo e benefício e aquele que melhor apresentou bons resultados foi o de corrente alternada.
A etapa seguinte foi a conclusão do projeto com a instalação e conexão do motor com os demais componentes como: sensores, engrenagens e o controlador.
Com isso, através do CLP, o sistema de automação efetuou rotinas em linguagem LADDER, programadas para ler os sinais dos sensores, interpretá-los e responder enviando sinais para o atuador (motor). Desta maneira foi possível a realização dos movimentos no Coletor Solar Parabólico de acordo com a posição do Sol em referência ao equipamento.
Além de sensores para captação de luz e motores para a rotação do equipamento, outros elementos também fizeram parte do Coletor Solar Parabólico, como elementos de sinalização, representados pelos sensores de fim de curso, que tiveram a função de sinalizar as três posições para o CLP, e este enviar um sinal para o acionamento do motor.
Por fim, foi analisada a parte de sustentação mecânica do espelho e do motor, representada pelas engrenagens e pela cremalheira para a conclusão do projeto do Coletor Solar Parabólico.
Dessa maneira, após escolhidos e integrados os sistemas de sensores, junto com o sistema de atuadores, o principal objetivo foi montar todo o sistema de controle de direcionamento do Coletor Solar Parabólico, unindo as partes que faltaram junto ao CLP e assim concluir o sistema proposto.
36 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Para atingir as metas do projeto, no caso, o desenvolvimento do sistema de automação para a inclinação automática do equipamento, foi realizada a etapa de análise que teve como conseqüência a montagem da estrutura e os testes que envolveu a parte da calibração e a parte da interligação com o CLP.
4.1 Identificação dos limites e requisitos do sistema
Para poder montar e desmontar o Coletor Solar Parabólico e realizar todas as possíveis mudanças para posterior adequação do projeto, foi necessário definir as limitações de giro do equipamento, obtendo seu peso, largura e altura, para poder analisar toda a estrutura. Com isso, se obtiveram as seguintes medidas: largura 1,50 metros, abertura do coletor 1,03 metros, altura focal 0,5 metros e força peso da estrutura de 980 N.
Além disso, junto com as limitações do sistema também foram realizadas algumas alterações em toda a estrutura do equipamento, que passou por algumas modificações. Dentre elas estão: uma nova pintura, a colocação de rodinhas, a colocação de um motor monofásico, sensores de luminosidade, sensores fim de curso, CLP, circuitos eletrônicos e uma estrutura de madeira ao longo do destilador solar, representada pela Figura 25. Na Figura 24 encontra-se o destilador solar sem os elementos responsáveis pela sua automação já citados acima.
37 Figura 24-Destilador solar (estrutura inicial)
Fonte :Próprio autor
Figura 25 - Destilador solar (estrutura final)
38 4.2-Desenvolvimento do sistema de sensores e atuador
Essa tarefa teve como principal meta definir, quais seriam os tipos de sensores que poderiam fazer parte do projeto, estudando para isso alguns tipos. (tais como: foto-transistores, foto-diodo e foto-resistências), e assim poder chegar a uma conclusão de qual tipo utilizar, além de desenvolver toda a parte eletrônica responsável pela interligação dos sensores ao equipamento e também a estrutura que seria viabilizada para organizar os sensores.
Logo, como resultado foram escolhidos três Foto-resistencias ou LDRs, em função do maior conhecimento de suas características em projetos com esse tipo de aplicação. Além disso, foram realizados alguns testes para se determinar o diâmetro do LDR, e aquele que se obteve uma maior sensibilidade na tensão medida.
Dentre as vantagens que podem ser citadas para esses sensores LDR, observa-se a capacidade de trabalharem com tensões relativamente elevadas.
Ao se determinar os tipos de sensores, estes foram colocados ao longo de uma estrutura de madeira composta de duas placas parafusadas com ângulos de 45° envolvidas por uma fita preta, modelada como uma semi-circuferência, para facilitar o ajuste dos LDR’s quando estes sofressem mudança de posição quando o espelho fosse inclinado, e para evitar interferência de luminosidade entre os LDR’ s, capturando assim as três posições do sol e enviando um sinal viabilizando os movimentos que foram definidos como: Esquerda, Centro e Direita, e a partir daí realizar os testes pertinentes para o desenvolvimento do trabalho proposto. Através das Figuras 26 e 27 é possível observar como os sensores foram arranjados para permitir todo o movimento do equipamento.
39 Figura 26-Estrutura de Madeira
Fonte :Próprio autor
Figura 27-Modelagem da estrutura de Madeira
Fonte :Próprio autor
Os sensores enviam os valores de suas tensões, já normalizadas e filtradas, através dos reguladores de tensão, para o CLP, e este pode identificar o sensor que apresenta o maior índice de tensão. A partir daí, o controlador pode acionar o atuador, e este realiza o movimento em direção a posição desejada. De acordo com as Figuras 28 e 29 é possível perceber como foi modelada a parte dos sensores e atuadores, e como está representado o modelo esquemático dos sensores.
Para o modelo esquemático estão representados os sensores de luminosidade, os sensores de Fim de curso além dos reguladores de tensão, do
40 CLP, do circuito 1 (circuito sensor – Figura 29), do circuito 2 (circuito do motor – Figura 33) e de uma fonte DC. Os equipamentos estão interligados da seguinte maneira: o circuito 1 é composto pelos reguladores de tensão CI 7812 e pelas resistências de 330 ohms que realizam a filtragem do sinal vindo de uma fonte DC, e está ligado aos sensores LDR e aos sensores Fim de curso S1, S2 e S3. O circuito 2 é composto por relés e diodos, que recebem o sinal vindo do CLP e conforme o comando informado, permitem que o motor realize os movimentos desejados (esquerda, direita ou centro)
O CLP está ligado ao circuito 1, circuito 2, sensores de luminosidade e aos sensores Fim de curso e recebe 6 sinais, dos quais 3 sinais são oriundos dos sensores Fim de curso, representados pelas entradas no próprio equipamento I1, I2, I3, e 3 sinais vindos dos sensores de luminosidade, representados pelas entradas A0, A1, A2
A partir dessas ligações o CLP pode enviar um sinal para o circuito 2, que fecha o contato do relé e o motor é ligado, Figura 34, e este possa realizar os movimentos de esquerda ou direita.
Figura 28- Modelagem dos sensores e atuadores
FONTE DC 24V CLP CIRCUITO 1 SENSORES LDR SENSORES FIM DE CURSO MOTOR AC AC 110V CIRCUITO 2 AC 110V
41 Figura 29 - Modelo Esquemático do circuito do Sensor
Fonte:próprio autor
Quanto à escolha do atuador, este foi definido de acordo com sua arquitetura e seu poder de arranque de 0,5 HP. Alguns outros tipos de motores foram estudados, tais como motores de corrente contínua, e motores de passo, mas logo foram descartados devido ao torque baixo e por apresentarem uma arquitetura que dificilmente favoreceria o deslocamento do equipamento. Por fim, optou-se pelo uso de um motor de indução monofásico, que possui, com 0,5 HP de força, conforme visto na Figura 30, pois o mesmo se adequava melhor à estrutura, e possuía torque suficiente para movimentação do equipamento.
42 Figura 30-Motor de Corrente Alternada (projeto)
Fonte: próprio autor
4.3 Desenvolvimento do sistema Mecânico para a Automação do equipamento
Dessa maneira, foram necessárias estruturas como mancais na base do equipamento, projetadas com ajustes de altura (realizado pelo serviço de serralheria da UEFS), uma cremalheira na circunferência da base do espelho para que pudesse ocorrer o movimento do espelho, e uma barra maciça de ferro para a transmissão da força, conforme visto na Figura 31. Sem o uso dessas estruturas mecânicas não seria possível obter o torque desejado, e o espelho poderia sofrer problemas de torção danificando o equipamento. As estruturas citadas estão ilustradas as Figuras 31 e 32 e 33 que, respectivamente representam a barra maciça de ferro, o mancal e ambos na última figura.
43 Figura 31- Barra Maciça de Ferro
Fonte: próprio autor
Figura 32-Mancal
