UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO

UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO

DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA BACHARELADO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA

WANDERSON ARAUJO COELHO

ESTUDO COMPARATIVO DA EFICIÊNCIA DE DIFERENTES MÉTODOS DE ACOMPANHAMENTO PARA PAINÉIS SOLARES

CARAÚBAS

2018

Wanderson Araujo Coelho

ESTUDO COMPARATIVO DA EFICIÊNCIA DE DIFERENTES MÉTODOS DE ACOMPANHAMENTO PARA PAINÉIS SOLARES

Monografia apresentada a Universidade Federal Rural do Semi-Árido como requisito para obtenção do título de Bacharel em Ciência e Tecnologia.

Orientador: Profa Msc. Ana Tereza de Abreu Lima.

CARAÚBAS

2018

©Todos os direitos estão reservados à Universidade Federal Rural do Semi-Árido.O conteúdo desta obra é de inteira responsabilidade do (a) autor (a), sendo o mesmo, passível de sanções administrativas ou penais, caso sejam infringidas as leis que regulamentam a Propriedade Intelectual, respectivamente, Patentes: Lei nº 9.279/1996, e Direitos Autorais: Lei nº 9.610/1998. O conteúdo desta obra tornar-se-á de domínio público após a data de defesa e homologação da sua respectiva ata, exceto as pesquisas que estejam vinculas ao processo de patenteamento. Esta investigação será base literária para novas pesquisas, desde que a obra e seu (a) respectivo (a) autor (a) seja devidamente citado e mencionado os seus créditos bibliográficos.

Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema de Bibliotecas

da Universidade Federal Rural do Semi-Árido, com os dados fornecidos pelo(a) autor(a)

Setor de Informação e Referência

O serviço de Geração Automática de Ficha Catalográfica para Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC´s) foi desenvolvido pelo Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação da Universidade de São Paulo (USP) e gentilmente cedido para o Sistema de Bibliotecas da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (SISBI-UFERSA), sendo customizado pela Superintendência de Tecnologia da Informação e Comunicação (SUTIC) sob orientação dos bibliotecários da instituição para ser adaptado às necessidades dos alunos dos Cursos de Graduação e Programas de Pós-Graduação da Universidade.

WANDERSON ARAUJO COELHO

ESTUDO COMPARATIVO DA EFICIÊNCIA DE DIFERENTES MÉTODOS DE ACOMPANHAMENTO PARA PAINÉIS SOLARES

Monografia apresentada a Universidade Federal Rural do Semi-Árido como requisito para obtenção do título de Bacharel em Ciência e Tecnologia.

Defendida em: _____ / _____ / 2 __________.

BANCA EXAMINADORA

_________________________________________

Profa Msc. Ana Tereza de Abreu Lima (UFERSA) Presidente

_________________________________________

Prof. Dr. Mackson Matheus França Nepomucemo (UFERSA) Membro Examinador

_________________________________________

Prof. Dr. Hudson Pacheco Pinheiro (UFERSA)

Membro Examinador

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a Deus, que iluminou meu caminho ao longo dessa jornada e por todas as bênçãos que recebi.

Agradeço a meus pais, por tudo que já fizeram e fazem por mim. Pois tudo que hoje sou, devo a eles. Por todos os conselhos e ensinamentos e pelo seu amor incondicional.

Agradeço a todos de minha família, que de forma direta ou indireta contribuíram para que eu conseguisse alcançar meus sonhos.

A minha noiva Viviane Souza Bezerra, por todo o amor, incentivo, apoio e principalmente paciência durante todo esse tempo, coisas essas que foram fundamentais.

A toda a sua família, que me acolheram de forma sensacional.

Agradeço a todos os professores que sempre estiveram dispostos a ajudar e compartilhar o conhecimento, em especial a minha, orientadora Msc. Ana Tereza de Abreu Lima, por todo seu tempo dedicado a mim, por todo o aprendizado repassado e por toda sua dedicação em me ajudar. Agradeço também a instituição (UFERSA), por ter me dado a oportunidade e todas as ferramentas que permitiram chegar hoje ao final desse ciclo, de maneira satisfatória.

Agradeço a todos os meus colegas que no decorrer da minha graduação

compartilharam momentos bons e ruins, que direto ou indiretamente me ajudaram cada

um do seu modo. O meu muito obrigado.

É uma disciplina que promove, com visão integrada, o gerenciamento e o compartilhamento de todo o ativo de informação possuído pela empresa. Esta informação pode estar em um banco de dados, documentos, procedimentos, bem como em pessoas, através de suas experiências e habilidades.

Gartner Group

RESUMO

Visando a capacidade de sistemas de geração e distribuição de energia elétrica, além da necessidade para amenizar os impactos ambientais, o aumento crescente em busca por energias renováveis, a tecnologia fotovoltaica a partir de células de captação de radiação solar veem sendo bastante utilizadas nos dias atuais. Realizar um estudo comparativo sobre métodos de rastreamento solar, onde a utilização de células fotovoltaicas tenham uma eficiência melhor solar, analisando a viabilidade da implementação e o consumo atual de energia, a utilização de rastreadores de forma correta é de suma importância para um sistema de rastreamento solar. O estudo comparativo da eficiência de diferentes métodos de rastreamento ou de acompanhamento para painéis solares foi realizado. Para esse acompanhamento, foram utilizados quatro sistemas fotovoltaicos, sendo o primeiro dotado de rastreamento nos dois eixos do sistema, o segundo por rastreamento em apenas um eixo, um terceiro com sistema fixo na horizontal e o quarto fixo com uma inclinação de 30 graus. O protótipo com 2 eixos apresentou melhor eficiência. A potência gerada pelo painel que faz uso do rastreador solar com movimento nos dois eixos é aproximadamente 25% maior, quando comparado com o sistema de rastreamento de apenas um eixo e aproximadamente 66%

maior em relação aos dois sistemas fixos.

Palavras-Chave: Rastreador Solar, Protótipo, Eficiência, Painel Fotovoltaico

ABSTRACT

Invisioning the capacity of systems to generate and distrubute eletric power, despite of the needs to reduce enviroments impacts and the rising search for renewable sourches of energy, the photovoltaic technology for the capaciting cells of solar radiation has been more used nowadays. To make a comparative study on solar tracking the use of photovoltaic cells has shown more effience, analasing the viability on the usage and the current consumption of eletric power, the correct use of trackers is the main key to a solar tracking system. A comparative study on the efficience of different tracking methods or the accompaniment of solar panels were made. In order to make this monitoring four photovoltaic systems were used, the first one having trackers on two of the systems axles, the second one being tracked in only one axel, a third one with the system attached on the horizontal position, and the fourth one established with a 30 degree inclination. The prototype with two axels has shown better efficience. The potency developed by the panel which has solar trackers with moviment in two axels is approximately 25% larger when compared with the solar tracker with only one axle and at about 66% bigger in comparison to the other two established systems.

Key words: Solar Tracker, Prototype, Efficience, Photovoltaic Panel

LISTA DE FIGURAS

Figura 1- Oferta Interna de Energia ... 04

Figura 2- Oferta Interna de Energia Elétrica (OIEE) ... 05

Figura 3- Oferta Interna de Energia Elétrica no Brasil e no Mundo (% e TWh) ... 06

Figura 4- Parque Eólico ... 07

Figura 5- Energia maremotriz proveniente das correntes marítimas ... 08

Figura 6- Central Geotérmica ... 09

Figura 7- Principais países fabricantes de módulo fotovoltaicos ... 11

Figura 8- Produção mundial de células fotovoltaica ... 11

Figura 9- Oferta interna de energia elétrica no Brasil no ano de 2017 ... 12

Figura 10- Primeira usina de geração de energia solar fotovoltaica ... 13

Figura 11- Espectro da radiação solar incluindo um detalhamento da faixa visível Humana ... 15

Figura 12- Irradiação média anual ... 16

Figura 13- características das células fotovoltaicas de silício ... 18

Figura 14- Módulo fotovoltaico ... 19

Figura 15- Painel fotovoltaico ... 19

Figura 16- Estrutura do gerador fotovoltaico ... 20

Figura 17- Movimentos de translação e rotação da terra... 21

Figura 18 Variação máxima do ângulo de declinação ... 22

Figura 19- Ângulo azimutal (ω) ... 23

Figura 20- Ângulos da radiação solar ... 24

Figura 21- Rastreador de eixo único... 26

Figura 22- Sistema fotovoltaico isolado ... 27

Figura 23- Sistema fotovoltaico conectado a rede... 28

Figura 24- Sistema fotovoltaico híbrido ... 30

Figura 25- Arduino ... 32

Figura 26- LDR ... 33

Figura 27- Protótipo I ... 34

Figura 28- Circuito do protótipo I ... 34

Figura 29- Protótipo 2 ... 35

Figura 30- Acoplação de LDRs em placa ... 36

Figura 31- Circuito do protótipo 2 ... 37

Figura 32- Local e Posicionamento das placas durante os testes ... 38

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

Bel Bacharel

Dr Doutor

Esp Especialista

GE Gestão do Conhecimento GI Gestão da Informação

IES Intituição de Ensino Superior

Me Mestre

P&D Pesquisa e Desenvolvimento

PG&C Perspectivas em Gestão & Conhecimento

SBGC Sociedade Brasileira de Gestão do Conhecimento

UI Unidade de Informação

LISTA DE SÍMBOLOS

@ Arroba

© Copyright

® Marca registrada

% Porcentagem

$ Cifrão

SUMARIO

1. INTRODUÇÃO ... 1

2. OBJETIVOS ... 2

3. REFERÊNCIAL TEÓRICO ... 4

3.1. FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA ... 5

3.1.1. ENERGIA EÓLICA ... 5

3.1.2. ENERGIA MAREMOTRIZ ... 6

3.1.3. PIEZOELETRICIDADE ... 7

3.1.4. ENERGIA GEOTÉRMICA ... 7

3.2. HISTÓRIA E SITUAÇÃO ATUAL DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA NO MUNDO ... 8

3.3. POTENCIAL BRASILEIRO E USINA SOLAR ... 11

3.4. RADIAÇÃO SOLAR ... 13

3.5. RADIAÇÃO SOLAR NO BRASIL ... 14

3.6. ENERGIA SOLAR FOTOTÉRMICA ... 15

3.7. EFEITO FOTOVOLTAICO ... 16

3.8. FOTOVOLTAICAS ... 17

3.9. MODULO FOTOVOLTAICO ... 17

3.10. PAINEL FOTOVOLTAICO ... 18

3.11. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA ... 20

3.12. MOVIMENTO SOLAR ... 20

3.12.1. POSICIONAMENTO SOLAR ... 21

3.13. RASTREADOR SOLAR ... 24

3.13.1. TIPOS DE RASTREADORES ... 25

3.13.2. RASTREADOR DE EIXO ÚNICO ... 25

3.13.3. RASTREADOR DE EIXO DUPLO ... 25

3.14. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ... 26

3.14.1. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ISOLADOS ... 26

3.14.1.2. COMPONETES DOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ISOLADOS ... 27

3.14.2. SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A REDE ... 27

3.14.2.1. COMPONETES DOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS A REDE ... 28

3.14.3. SISTEMA CONECTADO A REDE COM BACKUP DE ENERGIA (HÍBRIDO) ... 29

3.14.2.1. COMPONENTES DO SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A REDE COM BACKUP DE ENERGIA ... 30

4. MATERIAIS E METODOS ... 30

4.1. PROTÓTIPOS ... 30

4.2. ARDUINO ... 30

4.2.1. ARDUINO UNO ... 31

4.3. SERVOMOTOR ... 31

4.4. LDR ... 32

4.5. PROTÓTIPO 1 ... 32

4.6. PROTÓTIPO 2 ... 34

5. RESULTADOS OBTIDOS ... 37

6. CONCLUSÃO ... 41

1. INTRODUÇÃO

A demanda mundial por energia elétrica aumenta anualmente, tornando necessárias contínuas melhorias nos sistemas de geração e distribuição de eletricidade.

Além da necessidade de aumento real na capacidade produtiva de energia, a crescente preocupação com os impactos ambientais relacionados ao uso de fontes de energias não renováveis e sabendo que a maior parte da energia elétrica produzida no Brasil é de origem hidráulica é necessário buscar e utilizar fontes de energias que sejam viáveis e renováveis. Dentre as principais fontes alternativas de produção de energias renováveis podem ser citadas a energia solar, a eólica, a maremotriz, a piezoeletricidade e a geotérmica. Por outro lado, esses métodos alternativos de geração de energia apresentação duas grandes vantagens, são abundantes na natureza e possuem impactos ambientais reduzidos quando comparados aos combustíveis fósseis.

Sendo assim, sabendo que o Brasil tem um enorme potencial solar e que todo seu território recebe uma imensa quantidade de raios ultravioletas, quase todo o ano, a energia solar surge como a melhor alternativa, sendo uma fonte inesgotável, limpa e renovável, e ao contrário das energias de hidrelétricas, termoelétricas e de fontes de fósseis, os impactos ambientais são consideravelmente menores.

Outro fator favorável é o considerável número de famílias residentes nas zonas rurais do Brasil e, principalmente no Nordeste, que não tem acesso à energia elétrica.

Tendo em vista a importância da energia elétrica para a qualidade de vida de famílias brasileiras que moram na zona rural, a utilização da energia solar na zona rural, por ser uma forma de produção descentralizada, chega a ser uma questão de cidadania.

A tecnologia fotovoltaica está em constante mudança e, continuamente, busca

melhorias nos materiais utilizados, bem como, a criação de métodos ou dispositivos que

aumentem a eficiência de conversão ou da captação da radiação solar. Por tudo isso, é

de imensa importância o desenvolvimento de projetos para ampliação da geração de

energia elétrica através de painéis solares, bem como o desenvolvimento de acessórios

que permitam um melhor aproveitamento dos sistemas instalados.

2. OBJETIVOS

O projeto tem como um dos objetivos, confeccionar protótipos de equipamentos

de acompanhamento solar, de modo que seja possível realizar um estudo comparativo

entre métodos de rastreamento solar, visando à entrega de energia de um sistema solar

fotovoltaico.

3. REFERÊNCIAL TEÓRICO

A geração e distribuição de energia elétrica é fator essencial para determinar o desenvolvimento industrial, social e econômico de uma sociedade moderna. Um país que possua uma matriz energética diversificada, bem como elevada capacidade geradora, garante vantagens no cenário mundial sendo mais competitivo e, em alguns aspectos, menos dependente.

Embora o Brasil seja bastante dependente do petróleo como fonte de energia, o país possui uma matriz energética variada e tem investido, nos últimos anos, em fontes de energia mais limpas e renováveis. De acordo com os últimos dados divulgados pelo Ministério de Minas e Energia (mme.gov.br), houve um aumento relativo das fontes renováveis de energia quando comparadas às não-renováveis. Assim, como pode ser visto na Figura 1 de oferta interna de energia, visto que fontes renováveis passaram de 41,3% de participação na matriz energética em 2015 para 43,5% em 2016.

Figura 1: Oferta interna de energia.

Fonte: Secretaria de planejamento e desenvolvimento energético – Resenha de Energética Brasileira – junho 2017.

Por outro lado, de acordo com o mesmo documento, em 2016 a Oferta Interna de

Energia Elétrica (OIEE) foi de 619,7 TWh, valor 0,7% maior que os 615,7 TWh de

2015. Nesse quesito merece destaque os aumentos de 54,9% na oferta de energia eólica, de 44,7% na de solar e de 7,7% na oferta de energia nuclear. As ofertas de fontes de óleo fóssil, gás natural e carvão mineral, recuaram 52,8%, 28,9% e 9,8%, respectivamente. No entanto, como pode ser observada na Figura 2, a supremacia da oferta de fontes hidráulicas ainda é acentuada, ficando com 68,1% da oferta em 2016 (contra 64% em 2015, 65,2% em 2014 e 70,3% em 2013. Incluindo a importação).

Figura-2: Oferta Interna de Energia Elétrica(OIEE).

Fonte: Secretaria de planejamento e desenvolvimento energético – Resenha de Energética Brasileira – junho 2017.

O aumento significativo da participação de fontes energéticas renováveis na

matriz energética não é prerrogativa do Brasil. Como pode ser visto na Figura 3, essa é

uma tendência comportamental no mundo. Assim, comparativamente ao mundo, o

Brasil apresenta uma significativa diferença na participação da energia hidráulica. De

68,1% em 2016 contra apenas 17,4% em outros países do mundo. Deve-se levar em

conta, que o Brasil possui vantagens ambientais (radiação solar em abundância, ventos

propícios, grande costa marítima, etc) que o favorece no desenvolvimento e uso dessas

fontes alternativas. Assim, na próxima seção será feita uma breve discussão de acerca

de fontes alternativas de energia.

Figura-3: Oferta interna de energia elétrica no Brasil e Mundo(% e TWh)

Fonte: Secretaria de planejamento e desenvolvimento energético – Resenha de Energética Brasileira – junho 2017.

3.1. FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA

3.1.1. ENERGIA EÓLICA

A energia eólica é a energia cinética proveniente da força contida nas massas de ar em movimento (vento). A conversão da energia cinética em energia elétrica é feita por meio de aerogeradores que são constituídos por hélices acopladas a uma turbina, as hélices captam a energia cinética de translação e a converte em energia cinética de rotação, como podemos vê na Figura 4. No momento em que essa conversão é feita o eixo da turbina começa a girar em torno de seu próprio eixo e com isso, aciona um gerador elétrico contido no interior da turbina eólica. Essa abundante fonte de energia renovável é disponível em todo o planeta. Segundo o pesquisador MORELLI (2012, p.

16):

“Os seus altos custos iniciais, aliados com a fase inicial de seu

desenvolvimento tecnológico em relação as formas

comercialmente tradicionais de geração de energia, conferiram à

energia eólica uma condição de baixa competitividade no

mercado nacional por muito tempo”.

Figura-4: Parque eólico.

Fonte: Portal Energia

3.1.2. ENERGIA MAREMOTRIZ

A energia maremotriz é a energia proveniente dos movimentos marítimos, e é dividida em três partes que são: a energia das marés, ondas, correntes marítimas, ilustrado na Figura 5. Esse fenômeno é possível devido à força gravitacional exercida pelo Sol e pela Lua sobre a terra, mais especificamente sobre os oceanos. A posição desses astros está diretamente ligada a esse fenômeno:

Quando a Lua está em conjunção ou oposição com o Sol, ou

seja, durante a Lua Nova ou Lua Cheia, ocorrem as marés de

grandes amplitudes-marés de sizígia. Por outro lado, quando a

Lua está em quadrante, ou seja, durante a Lua Quarto Crescente

ou Quarto Minguante, ocorrem as marés de menores amplitudes-

marés de quadratura. (BEZERRA et al 2011, p. 220)

Figura-5: Energia maremotriz proveniente das correntes marítimas.

Fonte: NOVAIS (2014).

3.1.3. PIEZOELETRICIDADE

A piezoeletricidade é uma fonte alternativa de energia sendo ainda pouco conhecida pela maior parte da população, sendo uma poderosa fonte de energia limpa e sustentável. De acordo com Sousa. “A piezoeletricidade, propriedade que alguns materiais minerais têm de gerar corrente elétrica quando deformados por uma pressão mecânica” (SOUSA et al. 2015, p. 37). Um dos motivos para o qual a piezoeletricidade não é comumente utilizada, é o baixo retorno financeiro, com isso grandes empresas não fazem investimentos em pesquisas e aprimoramento para o uso dessa fonte alternativa de energia.

3.1.4. ENERGIA GEOTÉRMICA

A energia geotérmica é proveniente do interior da terra, ou seja, é fornecida pelo

calor do interior da terra. Funciona graças à capacidade da terra e de sua água

subterrânea de reter calor. A Figura-6 ilustra o modelo de usina geotermica. Essa

energia pode ser obtida de duas maneiras diferentes, direta e indiretamente. Segundo

Fiorotti et al. “A geotermia é armazenada como calor sensível ou latente, convertida em

energia mecânica e posteriormente em energia elétrica, com grande diversidade de

aplicações” (2016, p. 2 apud CLAUSER, 2006). Só é viável em regiões onde o calor do

interior da terra vem a superfície através de géiseres e vulcões, pois caso contrário a perfuração dos solos para a introdução de canos é dispendiosa.

Figura-6: Central Geotérmica.

Fonte: Física curiosa (2016).

3.2. HISTÓRIA E SITUAÇÃO ATUAL DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA NO MUNDO

O uso da energia solar para a produção de energia elétrica teve inicio no século XIX, quando em 1839 o físico Edmund Becquerel ao realizar experimentos com eletrólitos percebeu que ao mergulhar duas placas de platina e prata em uma solução de eletrólito e expô-las a luz solar, produziam uma pequena diferença de potencial, esse fenômeno foi chamado de efeito fotovoltaico.

Em 1877, pela primeira vez, esse efeito foi observado em um material sólido

(selênio), pelo físico Adams e o seu aluno Richard Day que juntos desenvolveram o

primeiro dispositivo sólido de fotoprodução de eletricidade. Esse dispositivo era um

filme de selênio, com uma eficiência de aproximadamente, 0,5%. Anos depois Charles

Fritts conseguiu duplicar essa eficiência para cerca de 1%, logo em seguida foram construídas as células solares.

Com o passar das décadas e vários pequenos avanços, na década de 1930, vários trabalhos consolidados por físicos da área do estado sólido, fizeram importantes contribuições para a compreensão do fenômeno efeito fotovoltaico. Entre 1940 e 1950, vários pesquisadores da área como Ohl, Billing e Plessnar, físicos da área do estado sólido, obtiveram sucesso na produção da primeira fotocélula de silício monocristalino que é um cristal importante pra a indústria eletrônica. Logo, esses anos foram de estudos relacionados com a compreensão do efeito fotovoltaico, somente em 1954, foi produzida uma célula fotovoltaica de silício com aproximadamente 6% de eficiência.

Os investimentos iniciais em pesquisas da tecnologia foram feitos por empresas do setor de telecomunicações, que procuravam fontes de energia para localidades onde não tinham acesso a rede elétrica. O fator mais importante para o desenvolvimento foi a chamada “corrida espacial”, onde diversas potências mundiais investiram nessa tecnologia. A célula fotovoltaica é o meio mais eficiente para fornecimento de energia e alimentação de equipamentos eletrônicos no espaço por longos períodos. (CRESESB, 2014).

Em 1973, a crise do petróleo estimulou o desenvolvimento da energia solar fotovoltaica em suas aplicações. Entretanto, devido ao elevado custo, seria necessária a redução em até 100 vezes no custo de produção das células para sua utilização fosse viável.

Em 1978, a geração de energia fotovoltaica já ultrapassava a faixa de 1 MWp/ano. Os Estados Unidos mantiveram-se à frente dessa produção no decorrer da década de 1990. Em seguida a Alemanha e o Japão destacaram-se devido suas políticas de governo.

Em 1998, com o avanço nos estudos em relação aos materiais semicondutores, a

produção global atingiu a marca de 150 MWp, como mostrado na Figura 7. Com isso,

países asiáticos investiram no desenvolvimento do mercado fotovoltaico. Em 2009 a

china já ocupava a liderança na fabricação de células fotovoltaicas.

Figura-7: Principais países fabricantes de módulo fotovoltaicos.

Fonte: (GTM RESEARCH, 2013).

Mesmo sendo considerado como um recurso infinito, a energia solar é pouco utilizada para a geração de energia elétrica. Contudo, nos últimos anos houve uma evolução significativa na produção de células fotovoltaicas. Em 2012, a produção mundial chegou a marca de 36,2 GWp. O gráfico da Figura 8 mostra a produção mundial de células fotovoltaicas.

Figura-8: Produção mundial de células fotovoltaicas.

Fonte: (RONEY, 2013).

3.3. POTENCIAL BRASILEIRO E USINA SOLAR

Segundo dados do Atlas Brasileiro de Energia Solar, o Brasil, ao contrário da media mundial, a geração de energia elétrica é proveniente de fontes renováveis, onde podemos notar uma forte predominância de energia proveniente de termoelétricas e hidroelétricas, chegando a mais de 91% da oferta total de energia no país. Mesmo sabendo que essas fontes são consideradas fontes firmes capazes de garantir o atendimento da demanda de energia no país, é de grande importância buscar fontes de energia limpa e intermitente. Devido as condições meteorológicas presentes no Brasil, as melhores alternativas são a energia solar e a eólica. Como podemos notar na Figura 9: apenas 0,02% da oferta Nacional de energia elétrica é proveniente de fontes de energia solar. Por outro lado, apesar dos avanços presentes no setor nos últimos anos, a oferta de energia eólica é consideravelmente baixa, chegando apenas a 6,86%.

Figura-9: Oferta interna de energia elétrica no Brasil no ano de 2017.

Fonte: Atlas Brasileiro de Energia Solar

No Brasil, o investimento em pesquisas relacionadas com energia solar, teve

inicio em 17 de fevereiro de 1978, com a fundação da Associação Brasileira de Energia

Solar (ABENS), cujo objetivo era promover a divulgação, o incentivo e os estudos da

Energia Solar no país.

Em 2004 foi fundado o Centro Brasileiro para o Desenvolvimento de Energia Solar Fotovoltaica – (CB-SOLAR), onde é desenvolvido um projeto chamado planta- piloto que busca a produção industrial de módulos fotovoltaicos com tecnologia nacional. O objetivo desse projeto é implantar e analisar uma unidade piloto de produção de módulos fotovoltaicos de alta eficiência e baixo custo, em escala industrial.

Atualmente é o mais moderno laboratório da área na América Latina para fabricação de módulos fotovoltaicos (CB-SOLAR, 2008).

Apesar de todo o investimento na área, a primeira fazendo solar foi inaugurada em agosto 2011 a MPX Tauá, mostrada na Figura 10, localizada no município de Tauá, sertão do Ceará. Atualmente a Usina Solar de Tauá tem capacidade para gerar 1 megawatt, o suficiente para abastecer 1.500 casas.

Figura-10: Primeira usina de geração de energia solar fotovoltaica.

Fonte: Cortez Engenharia

3.4. RADIAÇÃO SOLAR

Segundo CRESESB pode-se dizer que “O sol é a principal fonte de energia para

a terra. [...] a radiação solar constitui-se numa fonte energética, havendo um enorme

potencial de sua utilização por meio de sistemas de captação e conversão” (CRESESB, 2014.p.67). A radiação solar é responsável e necessária ao desenvolvimento de todos os ciclos da natureza.

A energia solar é gerada em profundidade, no interior do núcleo extremamente quente do Sol onde é possível a fusão nuclear que queima o hidrogênio (H2) transformando-se em hélio (He). A fusão nuclear é possível porque a temperatura central do Sol é 15 MK (megakelvin), como consequência da pressão central extremamente elevada (10 bar). A necessidade de se ter altas temperaturas, se da pelo fato de que o núcleo do hidrogênio tem que colidir com energia suficiente para suprir a força elétrica repulsiva, tendo assim duas partículas carregadas de forma positiva (DANHRINGER et al., 2006).

Apesar disso, a exploração desse recurso é extremamente limitada. As primeiras ideias para a utilização e aplicação dessa energia tiveram como base as leis da termodinâmica, apenas algum tempo depois dos estudos sobre o efeito fotoelétrico (ALCÂNTARA,2010).

Segundo dados do Atlas Brasileiro de Energia Solar, Cerca de 81% da energia

que chega ao Sistema Terra/Atmosfera está em uma faixa de comprimentos de onda que

vai do visível ao infravermelho, mostrado na Figura 11. A radiação solar nutre os

processos térmicos, dinâmicos e químicos, que vão dos naturais até artificialmente

desenvolvidos.

Figura-11: Espectro da radiação solar incluindo um detalhamento da faixa visível humana.

Fonte: Atlas Brasileiro de Energia Solar.

A superfície terrestre recebe constantemente a radiação solar, cuja distribuição é alterada à medida que passa através das nuvens, vapor de água, gases, poeira e vegetação. A radiação solar sofre a influência do ar atmosférico, das nuvens e da poluição antes de chegar ao solo (VALENTE, 2011 apud MEDEIROS, 2016, p. 36).

De acordo com (CRESESB, 2014), a radiação solar que chega à superfície terrestre e que pode ser utilizada para a geração de energia, é constituída por uma componente direta (ou de feixe) e por uma componente difusa. Sendo a radiação direta aquela que provém diretamente da direção do Sol e produz sombras nítidas. A difusa aquela proveniente de todas as direções e que atinge a superfície após sofrer espalhamento pela superfície terrestre.

Sendo assim, o dia estando totalmente sem nuvens, aproximadamente 80% da radiação que atinge a superfície é direta. Já em um dia totalmente nublado, não há radiação direta, e 100% da radiação é difusa.

3.5. RADIAÇÃO SOLAR NO BRASIL

O Brasil possui um enorme potencial solar, pois praticamente todo o seu

território recebe uma imensa quantidade de radiação todo o ano. Dados obtidos do

Departamento de Informações e Estudos Energéticos mostram que: A Região Nordeste

possui os maiores valores de irradiação (fluxo de radiação solar) solar global, com a

maior média e menos variação anual entre todas as regiões do país. Como mostra a Figura 12.

Figura-12 : Irradiação média anual.

Fonte: Departamento de Informações e Estudos Energéticos

Os valores máximos de irradiação solar no país são observados na região central da Bahia (6,5kWh/m²/dia), incluindo, parcialmente, Minas Gerais. A região nordeste é beneficiada, pelo fato que suas condições climáticas contribuem para que tenha um regime estável de baixa nebulosidade e um alto número de irradiação durante quase todo o ano. A irradiação média anual brasileira varia entre 1.200 e 2.400 kWh/m²/ano.

3.6. ENERGIA SOLAR FOTOTÉRMICA

A energia solar Fototérmica é a energia proveniente da radiação solar, e consiste na transformação da radiação solar em calor ou energia térmica, sendo assim, uma fonte de energia inesgotável. Esse processo permite a utilização dessa energia em forma de calor para aquecimento de fluidos e produção de energia através de processo termodinâmico.

Neste caso, o parâmetro fundamental é capacidade que determinado corpo é capaz de absorver, sob a forma de calor, a partir da radiação solar incidente no mesmo.

A utilização dessa forma de energia implica não somente em sabe captá-la, mas também

em como armazená-la (CRESESB, 2014.p.48).

A energia solar Fototérmica é comumente utilizada em sistemas de aquecimento de piscinas e sistemas de aquecimento de água em residências, visando a redução no consumo de energia elétrica. O principal equipamento desses sistema é os coletores solares que tem como principal objetivo a utilização da energia solar fototérmica para aquecimento de fluidos.

3.7. EFEITO FOTOVOLTAICO

Segundo (CRESESB, 2006), o efeito fotovoltaico se dá em materiais semicondutores, cuja característica de conduzir eletricidade está entre um condutor e um isolante. Os materiais semicondutores mais utilizados são: o silício e o germânio que possuem em comuns quatro elétrons na camada de valência (Tetravalente), cada elétron participa de uma ligação covalente com o átomo vizinho. A eficiência dos semicondutores pode ser aumentada com base na adição de impurezas de modo a adequar os níveis de corrente em aplicações práticas.

O processo de adição de impurezas é chamado de dopagem. Na dopagem são adicionados materiais que possuem três (Trivalente) ou cinco (Pentavalente) elétrons na camada de valência e por consequência excesso ou ausência de elétrons (Lacuna). O excesso ou a ausência de elétrons são quem determinam se o semicondutor é do tipo P ou N.

Ao doparmos o Silício ou Germânio (tetravalentes), com um material trivalente, ocorrerão três ligações e ficará uma lacuna a ser preenchida, sedo assim, os semicondutores dopados com material trivalente são o tipo P (de positivo), uma vez que os portadores majoritários são as lacunas.

Ao doparmos o Silício ou Germânio (tetravalentes), com um material pentavalente, ocorrerão quatro ligações e um elétron do dopante ficará livre. Assim semicondutores dopados com material pentavalentes são os tipo N (de negativo), uma vez que os portadores majoritários são os elétrons.

Se uma junção P-N for exposta a fótons, ocorrerá a geração de pares elétron-

lacuna. Na região onde o campo elétrico é diferente de zero, as cargas serão aceleradas,

gerando assim, uma corrente através da junção. Este deslocamento de cargas dá origem

a uma diferença de potencial ao qual chamamos de Efeito Fotovoltaico. Se as duas extremidades de silício forem conectadas por um fio, haverá uma circulação de elétrons.

Esta é a base do funcionamento das células fotovoltaicas (CRESESB, 2006).

3.8. CELULAS FOTOVOLTAICAS

A célula fotovoltaica é a unidade básica da fotogeração. A fabricação de células fotovoltaicas se dá por meio do uso de diversos materiais semicondutores, onde se destacam o silício monocristalino (m-Si), o silício policristalino (p-Si) e os filmes finos (TONIN; URBANETZ, 2016). A Figura 13 mostra os três tipos de células disponíveis comercialmente a base de silício.

Figura-13: características das células fotovoltaicas de silício.

Fonte: http: Geodesign

3.9. MODULO FOTOVOLTAICO

O módulo solar fotovoltaico é o componente básico de todo sistema fotovoltaico

sendo constituído por células solares, que podem ser conectadas em série ou em

paralelo. Essas combinações são realizadas para aumentar a capacidade de tensão e

corrente no sistema solar, de acordo com a necessidade. A figura-14 ilustra como é

montado um modulo fotovoltaico.

Figura-14: Módulo fotovoltaico.

Fonte: 123RF.

3.10. PAINEL FOTOVOLTAICO

De acordo com (ALCANTARA, 2010), para atingir níveis maiores de tensão e potência, módulos fotovoltaicos são associados em série ou paralelo, formando um painel fotovoltaico. Os painéis fotovoltaicos são dispositivos nos quais ocorre o efeito fotovoltaico, transformando a energia solar em energia elétrica de corrente contínua (CC). Assim, quando expostos à radiação solar funcionam como gerador de energia elétrica. A Figura 15 ilustra um painel solar ou gerador solar.

Figura-15: Painel fotovoltaico.

Fonte: 123RF

O processo de estrutura para a utilização de um sistema fotovoltaico é;

Célula fotovoltaica, Módulo fotovotaico e Painel fotovoltaico (Gerador). Como ilustrado na Figura 16.

Figura-16: Estrutura do gerador fotovoltaico.

Fonte: Inergiae

3.11. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

A energia solar fotovoltaica é proveniente da conversão da radiação solar que chega à terra em eletricidade por intermédio de materiais semicondutores. Por meio do processo fotovoltaico, verificado pela primeira vez pelo físico Edmund Becquerel em 1839, verificou-se que ao mergulhar placas metálicas em um eletrólito, podia ser notado o aparecimento de uma diferença de potencial nos extremos de uma estrutura de material semicondutor, quando exposta a radiação solar.

3.12. MOVIMENTO SOLAR

Alguns fatores astronômicos estão diretamente relacionados com a disponibilidade e variabilidade do recurso energético proveniente do sol. O principal fator é a posição relativa do sol e a terra.

A terra orbita o sol com uma trajetória em forma de elipse e com uma pequena

excentricidade ( . Por se tratar de uma trajetória elíptica, a distância entre a

terra e o sol varia entre 147 milhões de quilômetros e 152 milhões de quilômetros. O

seu eixo de rotação possui uma inclinação de 23,45° em relação ao plano formado por

sua trajetória. Essa inclinação juntamente com seu movimento de translação dá origem as estações do ano, e ao fluxo de radiação solar (irradiância). A irradiação oscila entre 1.325 W/m² e 1.412W/m² e o seu valor médio é igual a 1.366 W/m² e é definido como a constante solar (NREL, 2017).

Além do movimento de translação orbital, a terra possui o movimento giratório em torno do seu próprio eixo, esse movimento é chamado de rotação e o período dura aproximadamente 24 horas. Os movimentos de translação e rotação estão ilustrados na Figura17, justamente com as estações do ano.

Figura - 17: Movimentos de translação e rotação da terra.

Fonte: Atlas Brasileiro de Energia Solar.

Além do movimento de translação orbital, o movimento de rotação da Terra em torno de seu eixo está ligado ao ciclo diário da variabilidade da incidência da energia proveniente do Sol.

3.12.1. POSICIONAMENTO SOLAR

Sabemos que o nosso sistema solar é heliocêntrico, ou seja, a terra orbita o Sol,

mas para uma melhor compreensão do estudo, vamos utilizar um falso conceito ao

tratarmos do sistema Solar. Vamos considerar os dois movimentos da Terra (Translação e Rotação), como dois eixos de movimentação do Sol em relação Terra.

O movimento de translação da Terra causa uma declinação Solar denominado de ângulo de altitude (δ). Adotando como o movimento do Sol no eixo norte-sul, como mostrado na Figura-18, possui uma variação entre -23° 27’ e +23° 27’, ao longo de um ano. As declinações são consideradas negativas quando a linha de direção Sol-Terra cruza a superfície no hemisfério Sul.

Figura-18: Variação máxima do ângulo de declinação.

Fonte: Atlas Brasileiro de Energia Solar.

O movimento de rotação da Terra provoca um deslocamento do movimento

aparente do Sol, denominado de ângulo zenital(ω) no eixo leste-oeste, como ilustrado

na Figura 19 e tem uma variação entre -180° e +180°. As variações no ângulo azimutal

(ω) são consideradas positivas ao longo da manhã e negativos no decorrer da tarde e, ao

meio dia assume o valor de zero.

Figura-19: Ângulo azimutal (ω).

Fonte: Modificado de (TREVELIN, 2014).

O ângulo zenital solar (θz) corresponde ao ângulo formado entre a vertical local

no ponto de observação e os raios do Sol. A declinação solar ou ângulo solar e o ângulo

zenital solar (θz) são complementares, ou seja, (δ + θz = 90°). Também evidenciado na

Figura 20.

Figura-20: Ângulos da radiação solar.

Fonte: Atlas Brasileiro de Energia Solar.

Os fatores astronômicos mencionados anteriormente estabelecem a variabilidade da radiação solar incidente na atmosfera. Assim, a variação angular causada pelos movimentos de rotação e translação da terra causa perdas da conversão de energia de um painel fotovoltaico. Deste modo, é de imensa importância estudar um método de seguidor solar para os painéis fotovoltaicos, de modo a proporcionar sempre o maior aproveitamento da incidência solar, e com isso, aumentando a eficiência da captação das placas solar fotovoltaicas (TREVELI, 2014).

3.13. RASTREADOR SOLAR

Devido aos movimentos naturais da Terra (Rotação e Translação), na maior parte do dia os raios solares não chegam perpendiculares a os painéis fotovoltaicos, fazendo com que haja uma significativa perda da potência do sistema.

O rastreador solar é um dispositivo cuja função é identificar a posição relativa do sol e se ajustar de modo a se ajustar aos raios solares durante o decorrer do dia.

Aumentando assim a incidência solar capitada.

Segundo (MOUSAZADEH et al., 2009), em 1962, Finster construiu o primeiro rastreador solar com movimento mecânico. Um ano mais tarde, Saavedra construiu um rastreador solar que utilizava um pireliômetro (instrumento para a medição irradiação direta do sol), para ajudar no posicionamento do painel solar.

Estudos realizados mostram que dependendo da localização e do modelo de rastreador, o ganho energético médio obtido pelo sistema varia entre 20% e 40%, quando comparado ao sistema fixo (PEPPERL; FUCHS, 2017). Devemos levar em conta que a presença de motores na instalação dos rastreadores, aumenta a carga consumida.

Segundo SILVA (2015), cerca de 80% das células fotovoltaicas são fabricadas a partir do silício cristalino. Contudo a indústria de células fotovoltaicas de silício permanece estagnada. Já existem pesquisas com o material Perovskita, que é uma tecnologia muito promissora, mas que possui limitações tecnológicas e econômicas.

Com isso, o uso de rastreadores pode ser a melhor alternativa para extrair o máximo dos painéis, de uma maneira economicamente mais acessível.

3.13.1. TIPOS DE RASTREADORES

Existem dois tipos básicos de sistema de rastreamento, o de eixo simples e o de eixo duplo. Rastreadores de eixo único simplesmente giram em torno de um eixo, movendo horizontalmente de leste para oeste ao longo do dia. Os rastreadores de eixo duplo giram de leste para oeste e verticalmente (APPLEYARD,2009).

3.13.2. RASTREADOR DE EIXO ÚNICO

O rastreador de eixo único, ilustrado na Figura 21, é uma das maneiras mais

diretas de melhorar a eficiência de um painel fotovoltaico. Este modelo de rastreador

acompanha o movimento aparente do sol de Leste-Oeste ou Norte-Sul (TREVELLIN,

2014). Esses rastreadores apresentam um menor custo, pois só utilizam um motor, com

isso, possui um menor consumo de energia, menor custo de instalação e manutenção.

Figura-21: Rastreador de eixo único.

Fonte: Microgeração Fotovoltaica.

3.13.3. RASTREADOR DE EIXO DUPLO

Rastreadores de eixo duplo possuem dois graus de liberdade, na horizontal e vertical, como mostrado na Figura 22. Com isso, garante que os pares estejam apontados diretamente para o sol a qualquer hora no decorrer do dia, aumentando o percentual de energia convertida em relação ao sistema de eixo único. Esse sistema possui dois motores, com isso, o consumo de energia é maior e o custo de manutenção é maior (TREVELLIN, 2014). Neste trabalho, testaremos os dois tipos de sistemas.

Figura-22: Rastreador de eixo duplo.

Fonte: Microgeração Fotovoltaica.

3.14. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

Hoje existem dois tipos principais de sistemas fotovoltaicos que são: os sistemas fotovoltaicos autossustentáveis (ou isolados), que não são conectados à rede elétrica, ou seja, a energia não é canalizada para a rede e os sistemas abertos que são conectados a rede elétrica e utilizam um relógio de luz bidirecional.

3.14.1. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ISOLADOS

Os sistemas fotovoltaicos isolados, ilustrado na Figura 23, são sistemas autossustentáveis não conectados à rede elétrica, ou seja, a energia não é canalizada para a rede pública, sendo somente utilizada para o uso próprio. Esse sistema é geralmente utilizado em locais que não possuem ligação com distribuidoras de energia ou onde o abastecimento energético é deficiente. Nesse sistema a energia gerada pelos painéis de captação de luz solar é armazenada em baterias e direcionada à alimentação de aparelhos elétricos da propriedade. As baterias são indispensáveis nesse tipo de sistemas, pois a energia armazenada nelas é o que possibilita ter energia disponível à noite ou em dias de pouca irradiação solar, ou seja, são elas que garantem a autonomia do sistema.

Figura-23: Sistema fotovoltaico isolado.

Fonte: Sul Energia

3.14.1.2. COMPONETES DOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ISOLADOS

Bloco gerador: Composto por painéis solares ou placas solares que transformam a radiação solar em corrente elétrica que abastece as baterias. O sistema pode possuir apenas um painel ou vários interligados, isso depende da quantidade de energia que irá ser consumida pela propriedade.

Bloco de condicionamento de potência: Composto por controladores de carga que garantem o correto abastecimento das baterias, evitando sobrecargas e descargas profundas. Esse procedimento aumenta a vida útil das baterias e dos inversores que transformam a corrente continua (CC) em corrente alternada (AC). Em alguns casos podem ser conectados a rede elétrica com o intuito de abastecer as baterias.

Bloco de armazenamento: Composto por baterias é onde a energia é armazenada para ser utilizada em períodos com pouco, ou mesmo ausente de luz solar, como dias nublados ou à noite.

3.14.2. SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A REDE

Estes sistemas utilizam grandes números de painéis fotovoltaicos, e não utilizam armazenamento de energia, pois toda a geração é entregue diretamente à rede pública.

Representam uma fonte complementar ao sistema elétrico de grande porte ao qual está conectado. Todo o arranjo é conectado a inversores e logo em seguida guiado diretamente para a rede, como está ilustrado na Figura 24. Estes inversores devem satisfazer as exigências de qualidade e segurança para que a rede não seja afetada.

(CRESESB, 2008).

Enquanto um sistema isolado necessita de baterias e controladores de carga, sistemas

conectados à rede funcionam somente com painéis e inversores, já que não precisam

armazenar energia.

Figura-24: Sistema fotovoltaico conectado a rede.

Fonte: Sul Energia.

3.14.2.1. COMPONETES DOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS A REDE

Bloco gerador: Composto por painéis solares ou placas solares que transformam a radiação solar em corrente elétrica e é enviada para os inversores e assim injetada na rede elétrica. O sistema pode possuir apenas um painel ou vários interligados, isso depende da quantidade de energia que irá ser consumida pela propriedade.

Bloco de condicionamento de potência: Composto por inversores que transformam a corrente continua (CC) em corrente alternada (AC). A corrente passa por um relógio bidirecional que registra a energia que é produzida e liberada pelo sistema fotovoltaico e injetada na rede pública de distribuição de energia elétrica.

3.14.3. SISTEMA CONECTADO A REDE COM BACKUP DE ENERGIA (HÍBRIDO)

O sistema conectado a rede com backup de energia é a mistura do sistema

fotovoltaico isolado que usa baterias para armazenar energia, com o sistema

fotovoltaico conectado à rede elétrica, que utiliza um relógio bidirecional. Em um

sistema conectado à rede que não possuem o backup de energia, quando há uma falha na

rede pública de distribuição de energia elétrica, o sistema automaticamente se desligará, por normas de segurança.

No sistema com backup, que está ilustrado na Figura 25, se faltar energia na rede pública ele continuará ligado, devido ao sistema de backup que gera a referência para que ele funcione, e fazendo com que a energia do sistema não passe para a rede pública, evitando acidentes com os profissionais de reparo da rede.

Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede, não funcionam caso tenha queda na rede elétrica da rede pública de distribuição de energia elétrica. Diferente dos sistemas isolados que tem o funcionamento independente da rede da concessionária e que possuem baterias para fazer o armazenamento da energia elétrica os sistemas com backup de energia trabalham com um bloco de armazenamento composto por baterias que mantém o sistema em funcionamento por um determinado período caso tenha queda de energia.

Figura-25: Sistema fotovoltaico híbrido

Fonte: System Solar.

3.14.2.1. COMPONENTES DO SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A

REDE COM BACKUP DE ENERGIA

Bloco gerador: Composto por painéis solares ou placas solares que transformam a radiação solar em corrente elétrica que abastece as baterias e vai para a rede pública de distribuição de corrente elétrica.

Bloco de condicionamento de potência: Composto por controladores de carga que garantem o correto abastecimento das baterias, inversores que transformam a corrente continua (CC) em corrente alternada (AC) e um relógio bidirecional. Em alguns casos podem ser conectados a rede elétrica com o intuito de abastecer as baterias,

Bloco de armazenamento: Composto por baterias é onde é armazenada para ser utilizada em períodos que por alguma razão a rede pública de distribuição de energia elétrica venha falhar.

A aplicação de sistemas fotovoltaicos conectados a rede de energia gera uma diminuição na conta. Com isso, podem-se ter três sistemas fotovoltaicos, podemos ter os sistemas isolados ou não. O uso de acopladores de placas solares além de ajudar na conta de energia é uma energia limpa onde visa satisfazer as necessidades atuais sem destruís futuras gerações. Para isso, o estudo para qual sistema usar, e qual o melhor posicionamento das placas solares é de suma importância.

4. MATERIAIS E METODOS 4.1. PROTÓTIPOS

Para que fosse possível a realização do estudo, foi necessária a confecção de dois protótipos, sendo um para cada modelo do rastreador solar fotovoltaico.

4.2. ARDUINO

No site oficial da Arduino, encontramos a seguinte definição: O arduino é uma plataforma eletrônica de código aberto, com base em hardware e software flexíveis e fáceis de usar, destinado a artistas, designers, hobbistas e qualquer pessoa interessada em criar objetos ou ambientes interativos.

4.2.1. ARDUINO UNO

Arduino Uno ilustrado na Figura 26 é uma placa microcontroladora

baseada no ATmega328P. Possui 14 pinos de entrada / saída digital, 6 entradas

analógicas, um cristal de quartzo de 16 MHz, uma conexão USB, um conector de energia, um conector ICSP e um botão de reset.

Figura -26: Arduino.

Fonte: www.arduino.cc

4.3. SERVOMOTOR

Servomotores são maquinas eletromecânicas de malha fechada, que se movimenta proporcionalmente a um comendo, ou seja, recebem um sinal de controle;

verificam a posição atual; atuam no sistema indo para a posição desejada. Em contraste com os motores contínuos que giram indefinidamente, o eixo dos servomotores possui a liberdade de até cerca de 180º graus, são bastante precisos quanto à posição

4.4. LDR

LDR ilustrado na Figura 27, é um tipo de resistor dependente da luz, de modo

que sua resistência varia conforme a luz incide sobre ele (SANTOS, 2015).

Figura-27: LDR

Fonte: Instituto NBC

4.5. PROTÓTIPO 1

O primeiro protótipo corresponde ao modelo do rastreador solar de eixo único.

Sendo assim, só será capaz de realizar movimentos em um único sentido.

Conhecendo o movimento aparente do Sol e considerando que a variação do ângulo zenital solar (altura), como consequência do movimento de translação da terra, seja menor quando comparado a variação do Ângulo azimutal (ω), por consequência do movimento de rotação da terra.

Com isso, vamos fazer uso de um rastreador solar de eixo único, controlado por

um microprocessador (arduino), que opera com base em um código de programação

algoritmo. Sabemos que a posição solar varia 360° em um período de 24 horas, mas se

considerarmos um observador em um determinado ponto da Terra. em relação a esse

ponto a variação relativa do sol só irá variar 180° (sem levar em consideração o efeito

do Horizonte), durante um período de 12 horas. Com isso conseguimos determinar a

variação angular azimutal durante um período de 30 minutos, essa variação é

equivalente a 7,5°. A Figura 28 mostra a construção do protótipo I.

Figura- 28: Protótipo I

Fonte: Fotos tirada pelo autor.

No protótipo 1, será utilizado um servomotor, de modo a rotacionar o painel no sentido vertical. Por ser um rastreador solar temporal, não é necessário o uso de LDR para fazer a capitação da incidência solar e ajustar o painel. Uma vez que o rastreador é programado para realizar uma pequena variação angular a cada um instante de tempo.

Neste protótipo o microcontrolador Arduino realizará o movimento de rotação do eixo

do painel. A Figura 29 -: mostra o circuito do protótipo 1.

Figura-29: Circuito do protótipo I.

O rastreador foi programado de forma que, o seu ciclo terá inicio as 5h : 30 min do dia, e irá realizar uma rotação de 6,6° à cada 30 min. Com isso concluirá um ciclo completo após 12h. no momento em que o ciclo de rotação chega ao fim, o rastreador volta o painel para sua posição inicial.

4.6. PROTÓTIPO 2

Esse sistema é dotado de um rastreador Solar de eixo duplo, sendo assim o

rastreador terá movimento nos dois eixos (vertical e horizontal). O rastreador ira se

ajustar de forma a maior incidência de raios solares. Quatro LDR serão utilizados para

fazer a medição da incidência. De modo que os LDR serão posicionados de forma

retangular, um em cada extremidade da base, como ilustrado na Figura 31, e contornado

por um material em forma de L, com altura superior ao LDR. A Figura 30 mostra a

construção do protótipo 2.

Figura-30: Protótipo 2.

Fonte: Foto tirada pelo autor.

Figura-31: Acoplação de LDRs em placa.

Fonte: Foto produzida pelo autor.

Foram nomeados da seguinte maneira; LDR1- sendo o superior esquerdo,

LDR2- superior direito, LDR3- inferior esquerdo, LDR4- inferior direito.

O movimento o rastreador será determinado por a incidência solar nos pares de LDR. De modo que a incidência solar nos quatro LDR, só será igual quando o sol tiver diretamente apontando para o centro do painel.

Para o movimento vertical vai considerada a somo das tensões nos LDR, superiores e inferiores, sedo consideradas as seguintes condições;

Condição 1: (LDR1 + LDR2) > (LDR3 + LDR4), o painel irá se mover com uma angulação de altitude positiva ate que, (LDR1 + LDR2) = (LDR3 + LDR4). Nesse momento a incidência solar será igual e com isso o painel estabiliza nessa posição Condição 2 : (LDR1 + LDR2) < (LDR3 + LDR4), o painel irá se mover com uma angulação de altitude negativa ate que, (LDR1 + LDR2) = (LDR3 + LDR4). Nesse momento a incidência solar será igual e com isso o painel estabiliza nessa posição.

Para o movimento horizontal será considerada a somo das tensões nos LDR, direitos e esquerdos, sedo consideradas as seguintes condições;

Condição 1: (LDR1 + LDR3) > (LDR2 + LDR4), o painel irá se mover com uma angulação azimutal positiva ate que, (LDR1 + LDR2) = (LDR3 + LDR4). Nesse momento a incidência solar será igual e com isso o painel estabiliza nessa posição.

Condição 2: (LDR1 + LDR3) < (LDR2 + LDR4), o painel irá se mover com uma

angulação azimutal negativa ate que, (LDR1 + LDR2) = (LDR3 + LDR4). Nesse

momento a incidência solar será igual e com isso o painel estabiliza nessa posição. A

Figura 32 mostra o circuito elétrico do sistema Arduino/ Prototipo 2.

A figura-32: Circuito do protótipo 2.

Fonte: foto produzida pelo autor

Concluída a montagem dos protótipos, foi dado inicio aos testes. Os testes foram realizados na Universidade Federal Rural do Semi-Árido, Campus Caraúbas, em um local isolado de área plana e livre de grandes edifícios. Onde o efeito da presença de edifícios fosse minimizado, para uma maior precisão.

Os ensaios foram realizados durante o período de 8:30 da manhã até às 16:30 da tarde, onde foram medidos os valores de corrente proveniente do painel em intervalos de 15-30 min.

5. RESULTADOS OBTIDOS

Os testes foram realizados conforme especificado utilizando os quatros sistemas

fotovoltaicos, sendo que o primeiro é dotado de rastreamento nos dois eixos, o segundo

por rastreamento apenas em um eixo, o terceiro um sistema fixo na horizontal e o quarto

fixo, mas com uma inclinação de 30°. Durante um período de 8h em um dia bastante

ensolarado. Como ilustrado na figura 33.

Figura-33: local e posicionamento das placas durante os testes.

Fonte: produzida pelo autor

O Gráfico 1, é referente aos as correntes medidas durante o período de teste, dos

respectivos sistemas fotovoltaico.

Gráfico 1: Correntes Medidas nos Painéis Solares.

Podemos notar que o rastreador solar de dois eixos alcança os maiores valores durante os testes. Os valores mínimos do gráfico são em momentos em que o céu estava parcialmente nublado.

Os valores de potencia gerados por cada painel e diferentes sistemas foram comparados de modo que, podemos notar que a potencia entregue pelo rastreador solar de dois eixos é claramente mais constante durante quase todo o período dos testes.

Podemos observar que os valores de pico foram alcançados por o sistema de dois eixos.

O Gráfico 2, mostra os valores de potencia entregue por todos os sistemas, no momento da medição. A potência foi media usando a seguinte relação:

Gráfico 2: Potencias entregues pelos sistemas fotovoltaicos

Para determinarmos a potência gerada nos painéis, usamos o valor nominal para encontrarmos o valor da resistência do sistema.

O Gráfico 3, mostra o valor de cada sistema durante todo período de testes.

Podemos notar que o sistema com rastreador em dois eixos, tem uma eficiência

considerável melhor que os demais.

Gráfico 3: Potência total durante o período de testes

Ao analisarmos os resultados obtidos durante os testes, foi possível observar grande diferença no comparativo da eficiência dos painéis fotovoltaicos, no momento em que se faz o uso do rastreador solar de dois eixos. A potência gerada pelo painel que faz uso do rastreador solar com movimento nos dois eixos é aproximadamente 25%

maior, quando comparado com o sistema de rastreamento de apenas um eixo e

aproximadamente 56% maior em relação aos dois sistemas fixos. A potência gerada

pelo sistema de rastreamento solar com movimento em um eixo foi aproximadamente

33% maior que os sistemas fixos. A potencia gerada pelos dois sistemas fixo, foram

aproximadamente iguais, a diferença entre as duas pode ser desconsideradas, pois é

mínima. Os resultados obtidos nesse trabalho estão dentro do esperado, conforme foi

mostrado por outros pesquisadores da área acadêmica.

6. CONCLUSÃO

O uso de um sistema de rastreamento é adotado em diversos sistemas com o objetivo de aumentar a eficiência de captação de energia. Obtivemos sucesso na confecção dos protótipos, assim sendo possível realizar os testes. No estudo realizado foi possível comprovar o aumento na potência média gerada pelos painéis fotovoltaicos.

Quando comparado com os outros sistemas, o rastreador solar com dois eixos é atualmente sem duvidas o mais eficiente de todos os outros métodos, chegando ao patamar de 56% e 33%, de maior eficiência em relação ao rastreador solar de um eixo e os sistemas fixos, respectivamente.

Mesmo não sendo considerado o consumo extra, equivalente a alimentação dos servosmotores e microcontroladores, uma vez que são alimentados por uma fonte externa de energia. Podemos concluir que a implementação de sistemas de rastreamento solar seja de um ou dois eixos é sempre vantajosa, sendo o rastreador solar de dois eixos o mais eficiente em relação a potencia fornecida.

O estudo realizado atingiu com êxito os objetivos propostos, uma vez que foram

realizados os teste, com isso, ser possível compararmos os métodos de rastreamento

solar.

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