UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
MESTRADO PROFISSIONAL EM ENERGIA ELÉTRICA
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
APLICAÇÃO WEB PARA MONITORAMENTO DE
PARÂMETROS ELÉTRICOS DE SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS
ALLAN DAVID SILVA DA COSTA
Natal, RN Novembro de 2019
APLICAÇÃO WEB PARA MONITORAMENTO DE PARÂMETROS
ELÉTRICOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
Natal, RN
Novembro de 2019
ALLAN DAVID SILVA DA COSTA
APLICAÇÃO WEB PARA MONITORAMENTO DE PARÂMETROS
ELÉTRICOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
Trabalho apresentado ao Programa de Mes-trado Profissional em Energia Elétrica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte -UFRN como requisito final para obtenção da titulação de Mestre.
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
Orientador: Prof. Dr. MARCOS ANTÔNIO DIAS DE ALMEIDA
Coorientador: Prof. Dr. JOSÉ ALBERTO NICOLAU DE OLIVEIRA
Natal, RN
Novembro de 2019
Costa, Allan David Silva da.
Aplicação web para monitoramento de parâmetros elétricos de sistemas fotovoltaicos A / Allan David Silva da Costa. - 2020. 98 f.: il.
Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Programa de Mestrado
Profissional em Energia Elétrica, Natal, RN, 2020. Orientador: Prof. Dr. Marcos Antônio Dias de Almeida. Coorientador: Prof. Dr. José Alberto Nicolau de Oliveira. 1. Aplicação web Dissertação. 2. Microcontrolador -Dissertação. 3. Sistemas fotovoltaicos - -Dissertação. I. Almeida, Marcos Antônio Dias de. II. Oliveira, José Alberto Nicolau de. III. Título.
RN/UF/BCZM CDU 621.311
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede
Dedico este trabalho a Deus, a minha família e amigos, em especial a minha esposa Kaliane Guedes e à minha filha Júlia Costa pelo apoio incondicional e pela paciência, nesse árduo percurso.
Agradeço a Deus pela minha vida e por, de forma maestral, ensinar-me que todas as coisas acontecem no momento escolhido por ele.
A minha família, em especial à minha mãe Ledizia Costa, ao meu pai Robson Kennedy, a minha irmã Allana Daphne, a minha avó De Deus Rocha e a meu avô José Cabloco (in memorian), por todos os inesgotáveis esforços, e por serem exemplos de coragem e perseverança na minha vida.
A minha esposa Kaliane Guedes, pessoa sem a qual não vivo, por sua grandiosa paciência e dedicação e por me ajudar em todos os momentos difíceis.
A minha filha Júlia Costa, fonte maior de inspiração.
Aos meus orientadores Professor Dr. Marcos Dias e Professor Dr. Alberto Nicolau, que com dedicação, conhecimento e, acima de tudo, paciência, me guiaram desde os primeiros esboços do projeto até as últimas etapas deste trabalho.
Aos Professores do Programa de Mestrado Profissional em Energia Elétrica da Universi-dade Federal do Rio Grande do Norte, pelos conhecimentos transmitidos e pela paciência em nos moldar, de forma a nos transformar em Mestres.
”Cada sonho que você deixa para trás, é um pedaço do seu futuro que deixa de existir.” Steve Jobs
”Deus é a fonte inesgotável de todas as coisas. Sem ele nada somos nem nada fazemos!” Desconhecido
A energia renovável já é uma realidade no Brasil e cada vez mais se tem registros da implantação de parques eólicos e sistemas fotovoltaicos alicerçando o desenvolvimento nacional no que diz respeito à disponibilidade de energia elétrica. Este fato vem sendo impulsionado pelas crescentes pesquisas e desenvolvimento de materiais e equipamentos mais eficientes, bem como a criação e a atualização de normas e padrões que têm como intuito fomentar o uso dessas tecnologias. Sendo assim, a proposta deste trabalho é a criação de uma aplicação WEB associada a um sistema microcontrolado, acessada pela rede mundial de computadores, que possibilita ao usuário acompanhar a geração de energia do seu sistema fotovoltaico, propiciando a sua gestão eficiente e das faturas a serem analisadas. Esta aplicação será desenvolvida em linguagem de programação PHP, que servirá como uma interface homem-máquina, onde serão mostrados os dados oriundos de um hardware desenvolvido conjuntamente com a aplicação, que conterá todos os sensores necessários para a captação de grandezas elétricas e ambientais. Os valores coletados da planta solar poderão ser armazenados em diversos pontos como o banco de dados do sistema. Além disso, esta aplicação poderá ser utilizada em indústrias que possuam sistemas fotovoltaicos instalados em suas dependências, já que as informações que serão disponibilizadas pela aplicação poderão atender alguns setores da empresa como: manutenção, ao verificar a eficiência da geração de energia da planta do sistema; e financeiro, a partir dos dados obtidos, observar se realmente o sistema está sendo eficiente na redução dos custos de energia.
Abstract
Renewable energy is already a reality in Brazil and there are more and more records of deployment of wind farms and photovoltaic systems underpinning the development regarding the availability of electricity. This fact comes being driven by the growing research and development of materials and equipment, as well as the creation and updating of standards and standards designed to encourage the use of these technologies. Therefore, the The purpose of this paper is to create a WEB application associated with a controlled by the world wide web, which allows monitor the power generation of their photovoltaic system, providing their efficient management and invoices to be analyzed. This application will be developed in PHP programming language, which will serve as a human machine interface where data from hardware developed jointly with the application, which will contain all sensores required for the capture of electrical and environmental quantites. The values collected from the solar plant can be stored at various points such as the system database. In addition, this application can be used in industries that have photovoltaic systems installed. dependencies, since the information that will be made available by the application, may serve some sectors of the company such as maintenance, checking the efficiency power generation of the system plant; and financial, from the data obtained, whether the system is actually being efficient in reducing the costs of energy.
vspace 1cm
Figura 1 – Composição do Sistema Elétrico Nacional. . . 16
Figura 2 – Redução do preço da FV em leilões de energia. . . 17
Figura 3 – Fluxo da informação. . . 19
Figura 4 – IHM da ABB. . . 21
Figura 5 – IHM da CANADIAN. . . 21
Figura 6 – KeyPort da CANADIAN. . . 22
Figura 7 – IHM da FRONIUS. . . 22
Figura 8 – IHM da SOLARVIEW. . . 23
Figura 9 – Primeiro módulo solar do Bell Labs. . . 26
Figura 10 – Composição do Sistema Fotovoltaico On Grid. . . 26
Figura 11 – Composição do Sistema Fotovoltaico Off Grid. . . 27
Figura 12 – Atlas Solarimétrico do Brasil. . . 29
Figura 13 – Curva característica (I-V) de módulo fotovoltaico para diferentes valores de irradiância. . . 31
Figura 14 – Sensor de temperatura e umidade. . . 33
Figura 15 – Circuito da simulação do DHT11. . . 33
Figura 16 – Indicação do ponto de medição da tensão contínua on grid. . . 34
Figura 17 – Indicação do ponto de medição da tensão contínua off grid. . . 35
Figura 18 – Resistor de 200 Ω. . . 36
Figura 19 – Resistor de 2200 Ω. . . 36
Figura 20 – Simulação do divisor de tensão. . . 37
Figura 21 – Simulação do divisor de tensão duplo. . . 37
Figura 22 – Interface do posicionamento do Inversor. . . 38
Figura 23 – Sensor de presença de tensão alternada. . . 38
Figura 24 – Pinos do ACS712 da ALLEGO. . . 39
Figura 25 – Circuito simulado do ACS712. . . 40
Figura 26 – Sensor STC013. . . 41
Figura 27 – Drive para o sensor STC. . . 42
Figura 28 – Pinos do ATMEL R. . . . 43
Figura 29 – Etapas de um projeto. . . 45
Figura 30 – Arduino UNO e Genuino. . . 47
Figura 31 – Pinos do Arduino UNO. . . 47
Figura 32 – Stand-Alone com o microcontrolador ATmega328. . . 48
Figura 33 – Circuito com todos os sensores. . . 50
Figura 35 – Fluxograma de funcionamento do sensor DHT11. . . 53
Figura 36 – Resultado das medições realizadas com dois DHT11. . . 54
Figura 37 – Protótipo com um DHT11. . . 54
Figura 38 – Fluxograma de funcionamento do sensor Vcc. . . 55
Figura 39 – Resultado das medições realizadas com dois sensores Vcc. . . 56
Figura 40 – Protótipo com dois divisores de tensão. . . 57
Figura 41 – Fluxograma de funcionamento do sensor de Vca. . . 58
Figura 42 – Indicação se existe 220 Vca. . . 59
Figura 43 – Protótipo do detector de 220 Volts. . . 59
Figura 44 – Fluxograma de funcionamento do sensor de Icc. . . 60
Figura 45 – Resultado das medições realizadas com o sensor Icc. . . 61
Figura 46 – Protótipo do sensor de Icc. . . 61
Figura 47 – Fluxograma de funcionamento do sensor de Ica. . . 62
Figura 48 – Resultado das medições realizadas com o sensor Ica (40 Watts). . . 63
Figura 49 – Resultado das medições realizadas com o sensor Ica (100 Watts). . . . 63
Figura 50 – Protótipo do sensor Ica. . . 63
Figura 51 – Logomarca MEDENERGIA. . . 64
Figura 52 – Código padrão EAN-13. . . 65
Figura 53 – Tela de entrada da aplicação WEB. . . 65
Figura 54 – Tela de login da aplicação WEB. . . 66
Figura 55 – Tela principal da aplicação WEB. . . 67
Figura 56 – Detalhe de visualização das variáveis. . . 68
Figura 57 – Detalhe do botão "+". . . 68
Figura 58 – Composição da tensão contínua. . . 68
Figura 59 – Abas e gráfico para uma medição díaria da tensão contínua. . . 68
Figura 60 – Gráfico da semana de Vcc. . . 69
Figura 61 – Gráfico do mês de Vcc. . . 69
Figura 62 – Mensagens de alertas da aplicação WEB. . . 70
Tabela 1 – On Grid x Off Grid. . . 27
Tabela 2 – Pinos do sensor DHT11. . . 33
Tabela 3 – Modelos do CI ACS712. . . 40
Tabela 4 – Alguns modelos do sensor STC . . . 40
Tabela 5 – Pinos do microcontrolador utilizados pelos sensores. . . 48
Tabela 6 – Lista de componentes discretos. . . 49
Tabela 7 – Resolução dos pinos analógicos. . . 56
Tabela 8 – Resultados das medições com os sensores de tensão contínua. . . 57
Tabela 9 – Comparação entre as leituras medidas e as calculadas. . . 60
Tabela 10 – Levantamento de custos para o desenvolvimento do projeto. . . 71
Lista de abreviaturas e siglas
ABSOLAR Associação Brasileira de Energia Solar FotovoltaicaC Capacitância, em Faraday
CA sinal Alternada
CC sinal Contínuo
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
f Frequência, em Hertz
FV Fotovoltaico
Hz Unidade de Frequência
Ica Corrente Alternada, em Ampere
Icc Corrente Contínua, em Ampere
IHM Interface Homem-máquina
Imáx Corrente máxima
Ipico Corrente de pico
kohm Unidade de resitência multiplicado por 1000
MYSQL Banco de dados proprietário usado em sistemas WEB nF Unidade de Capacitência, nano(10(−9))
off grid Sistema fotovoltaico que não é ligado ao sistema elétrica de alguma concessionária
OHM Letra grega que é a unidade de resistência elétrica
on grid Sistema fotovoltaico ligado ao sistema elétrica de alguma concessionária OSI Acrônimo do inglês Open System Interconnection. Modelo de rede de computador dividido em camadas, garantindo a comunicação entre dois sistemas computacionais
PHP Linguagem de programação usado para desenvolvimento de aplicações WEB
SFV Sistema Fotovoltaico
SQL Linguagem de programação para WEBB
TCC Trabalho de Conclusão de Curso
Vca Tensão Elétrica, em Volt
Vcc Tensão Contínua, em Volt
Vin Tensão de entrada
Voc Tensão de circuito aberto
Volts Unidade de tensão
Vout Tensão de saída
Vsc Tensão de curto circuito
W/m(2) Unidade de incidência solar ao solo, Watt por metro quadrado watts Unidade de Potência Elétrica
WEB Rede mundial de computadores
Wp Unidade de Potência em sistema solar, Watt-pico
Sumário
Lista de ilustrações . . . . 8
Lista de tabelas . . . . 10
Lista de Siglas e Abreviaturas . . . . 11
1 INTRODUÇÃO . . . . 15 1.1 Aspectos Gerais . . . . 15 1.2 Motivação . . . . 17 1.3 Objetivos . . . . 19 1.3.1 Objetivo geral . . . 19 1.3.2 Objetivos específicos . . . 20 1.4 Estado da Arte . . . . 20 1.5 Estrutura do Trabalho . . . . 23 1.6 Enquadramento do TCC . . . . 24 2 REFERENCIAL TEÓRICO . . . . 25
2.1 Energia solar fotovoltaica . . . . 25
2.2 Tipos de sistemas fotovoltaicos . . . . 26
2.3 Composição de um sistema fotovoltaico . . . . 28
2.4 Características elétricas dos módulos fotovoltaicos . . . . 30
3 ESTRATÉGIAS DE MEDIÇÃO DAS VARIÁVEIS A SEREM MONITORA-DAS . . . . 32
3.1 Variáveis ambientais - temperatura e umidade . . . . 32
3.2 Medição de tensões . . . . 34
3.2.1 Medição da tensão contínua - Vcc . . . 34
3.2.2 Indicação da tensão alternada - Vca . . . 37
3.3 Medição de correntes . . . . 39
3.3.1 Medição da corrente contínua - Icc . . . 39
3.3.2 Medição da corrente alternada - Ica . . . 40
4 HARDWARE - CIRCUITO E MONTAGEM . . . . 43
4.1 Microcontrolador . . . . 43
4.2 Prototipagem . . . . 44
4.2.1 Conceitos . . . 44
4.3 Circuito esquemático para montagem . . . . 48
5 SOFTWARE - PROGRAMAÇÃO E TESTE . . . . 52
5.1 Medição de temperatura e umidade . . . . 52
5.2 Medição da tensão contínua . . . . 54
5.3 Medição da tensão alternada . . . . 57
5.4 Medição da corrente contínua . . . 59
5.5 Medição da corrente alternada . . . . 61
6 APLICAÇÃO WEB . . . . 64 6.1 Aplicação WEB . . . . 64 7 ANÁLISE FINANCEIRA . . . . 71 8 CONCLUSÃO . . . . 73 REFERÊNCIAS . . . . 74
APÊNDICES
77
APÊNDICE A – PROJETO FV ON GRID - PASSO A PASSO . . . . 78APÊNDICE B – PROGRAMAS PARA O MICROCONTROLADOR . . . 79
ANEXOS
84
ANEXO A – CARTA DE INTENÇÃO DE PARCERIA . . . . 851 INTRODUÇÃO
Neste capítulo será apresentado um conjunto de itens que definem e delimitam esta dissertação, sendo dividido em seis seções. A primeira é referente aos aspectos gerais, a qual apresenta uma contextualização do ambiente no qual o estudo foi desenvolvido, seguido da motivação e dos objetivos geral e específicos. Na sequência, é apresentada uma pesquisa onde são mostrados outros equipamentos correlacionados com o objeto principal deste trabalho, além da forma que foi estruturada esta dissertação e seu enquadramento ao edital que rege o Mestrado Profissional em Energia Elétrica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte.
1.1
Aspectos Gerais
A energia elétrica tem seu protagonismo na história recente como sendo a responsável direta pela revolução do século passado. E esse entendimento é corroborado por Tavoli-eri(2015), que afirma que a maior revolução do século passado está diretamente relacionada à complexa questão que envolve os avanços industriais, tecnológicos e científicos. Sendo a eletricidade fundamental para os avanços citados, deve-se a ela as possibilidades que se têm hoje, como a internet, telefonia, sistemas digitais de televisão etc. Isto possibilita o aumento do consumo de bens e serviços pela grande massa de consumidores, propiciando inúmeros benefícios no dia-a-dia.
Na Figura 1, pode-se observar os percentuais das fontes geradoras de energia elétrica no Brasil. Segundo dados da ABSOLAR, se percebe a predominância da utilização da energia hídrica com 61% e em menor escala as energias renováveis com 26,1% do total da matriz elétrica do país.
Considerando para uma primeira análise as hidroelétricas, termoelétricas e as usinas nucleares, observa-se que elas apresentam características semelhantes quanto às suas construções. Geralmente são instaladas distantes dos centros de consumo. Este fato inter-fere diretamente no valor final de sua concepção, pois aumentam os custos de implantação, bem como na operação e no valor da comercialização da energia gerada a partir dessas fontes. Outro ponto a ser considerado são suas interferências no meio ambiente e nas comunidades que as cercam, são, na maioria das vezes, impactadas negativamente, pois por exemplo há o alagamento de terras quando observamos hidroelétricas.
Diante desses fatores, cada vez mais existe uma tendência de utilização de fontes de energias renováveis para a geração de energia elétrica, a fim de diversificar a matriz energética, sendo as mais comumente utilizadas a energia eólica, a energia solar e a biomassa.
Figura 1 – Composição do Sistema Elétrico Nacional. (ABSOLAR, 2019)
Particularizando o estudo para a geração de energia elétrica a partir da energia solar, tem-se um ritmo crescente no Brasil. Segundo a (ABSOLAR, 2018), em 2015 a energia solar registrou um crescimento superior a 300% e com uma expectativa de ampliação de mais de 800% em 2016. Considerando apenas o estado do Rio Grande do Norte, esses números impressionam ainda mais, já que o mesmo ampliou sua potência instalada e o número de unidades em 4000% entre os anos de 2013 a 2017 (JÁCOME, 2017).
A redução dos custos, visto na Figura 2, o descobrimento de novas aplicações e vantagens, elevados índices de radiação solar e o baixo impacto ambiental são fatores responsáveis pela elevada taxa de crescimento da capacidade instalada de unidades de geração fotovoltaicas no Brasil. Além disso, um outro fator que contribuiu para esse aumento foi a publicação da Resolução Normativa N◦482 de 17 de abril de 2012, pela ANEEL, que estabelece as condições gerais para o acesso de micro e minigeração distribuída, além dos critérios da compensação de energia. Esta Norma foi atualizada pela Resolução Normativa N◦687 de 24 de novembro 2015 que estabeleceu novos conceitos como o de geração distribuída e geração remota de energia através da geração fotovoltaica.
Capítulo 1 17
Figura 2 – Redução do preço da FV em leilões de energia. (ABSOLAR, 2019)
1.2
Motivação
Diante das vantagens anteriormente citadas do uso de energia solar, percebe-se um crescimento na utilização desse sistema de geração, que está sendo impulsionado pela preocupação dos órgãos competentes em torná-lo interessante para os produtores e consumidores finais, especialmente para os consumidores residenciais, que devido às dimensões, que podem fazer uso dessa fonte de energia em seus domicílios, o que não é possível, com os sistemas eólicos devido às suas medidas avantajadas.
Entretanto, existe uma necessidade iminente de controle das potências geradas por estes sistemas fotovoltaicos, uma vez que os clientes, residenciais e industriais em geral, desconhecem a geração dos seus sistemas, e dependem das leituras mensais das concessi-onárias que os atendem. Na mesma direção, os instaladores e profissionais envolvidos com esses sistemas fotovoltaicos, depois de instalados, têm uma dificuldade em acompanhar a produção dos sistemas de seus clientes e saber se estão dentro de um padrão normal de funcionamento.
Dessa maneira, este trabalho apresenta os procedimentos e elementos usados para o desenvolvimento de uma aplicação WEB, que poderá ser acessada na internet por meio de programas comuns e amplamente difundidos, os browsers, que suportem a linguagem de programação Personal Home Page - PHP e que não exige uma grande capacidade de processamento. Essa linguagem de programação foi escolhida a fim de se obter, um produto comercial que poderá ser usado em sistemas fotovoltaicos de geração de energia elétrica, com o objetivo central de fornecer informações dos parâmetros elétricos dos sistemas envolvidos para o usuário, seja ele residencial ou industrial, e para os profissionais que
terão uma ferramenta que auxiliará em suas atividades.
Além desses parâmetros, o sistema será capaz de realizar e exibir duas leituras de temperaturas e duas leituras de umidade, em dois pontos pré determinados. Estes dois pontos serão equidistantes entre as bordas do conjunto de placas e instalados logo abaixo das mesmas. Assim, será possível ter acesso ao real valor das temperaturas e umidades envolvidas. Com isso, o sistema pretendido poderá fornecer uma série histórica de dados que, sendo usados por pesquisadores, poderão fazer a correlação entre a geração de energia elétrica do sistema e as condições ambientais.
Por se tratar de uma aplicação WEB em P HP c, é facilmente integrada a um banco de
dados programado em linguagem SQL c, através do ambiente M Y SQL c. O P HP c e o
M Y SQL c são plataformas difundidas e com grande repositório de informações encontra-das na própria internet e que podem ter produtos desenvolvidos com essas ferramentas registradas, com os direitos garantidos ao desenvolvedor, desde que respeite a Open Source Iniciative1 - OSI.
Entretanto, como a proposta deste trabalho é uma aplicação WEB que fornecerá dados que devem ser captados junto ao sistema fotovoltaico, será necessário um hardware para fazer a interface com a aplicação, onde se tem o desenvolvimento de um sistema microcontrolado baseado no microcontrolador ATmega328, da fabricante ATMEL R
para a obtenção desses dados e como o resultado só é alcançado com a interação desses dois produtos, a aplicação passa a ser dedicada e autoral, permitindo assim o registro do software em questão segundo a Lei n◦9609 de 20 de fevereiro de 1998, art. 1◦, que diz:
"Programa de computador é a expressão de um conjunto organizado de instruções em linguagem natural ou codificada, contida em suporte físico de qualquer natureza, de emprego necessário em máquinas automáticas de tratamento da informação, dispositivos, instrumentos ou equipamentos peri-féricos, baseados em técnicas digital ou analógica, para faze-los funcionar de modo e para fins determinados."
Como o principal produto deste trabalho é a Informação e ela é obtida a partir da interpretação dos dados oriundos do sistema microcontrolado e tratados na aplicação WEB, o usuário do sistema proposto poderá ter um entendimento sobre o funcionamento da usina fotovoltaica observada em dado momento.
Sendo o valor da informação residente no relacionamento que o usuário constrói entre si mesmo e a determinada informação (CHOO; ROCHA, 2003), pode-se tomar como exemplo uma indústria que tenha em sua planta de geração um sistema fotovoltaico. Nela, o setor de manutenção poderá se apropriar das informações a partir da aplicação WEB e apresentar um cronograma de manutenções preditivas e preventivas, bem como agir, quando necessário, nas manutenções corretivas. Engenheiros Eletricistas poderão ser mais assertivos em seus projetos fotovoltaicos, pois terão, como uma possível fonte de consulta,
1 Em tradução livre, significa iniciativa código aberto e dispõe sobre a proteção da propriedade intelectual de
Capítulo 1 19
uma série histórica de dados de temperatura apresentados com a utilização do objeto deste trabalho, o que poderá trazer mais economia e mais eficiência para os seus projetos.
Figura 3 – Fluxo da informação.
Fonte: Elaborada pelo Autor
A Figura 3 ilustra o fluxograma do sistema proposto e que mostra o gerenciamento da informação e tem vários aspectos de uso. Ela será gerada no circuito circular, no canto superior esquerdo, que representa a usina fotovoltaica, captadas pelo sistema microcontro-lado e tratadas na aplicação WEB. Após essa etapa, elas serão disponibilizadas ao usuário por meio da própria aplicação e do armazenamento no banco de dados para geração de gráficos, relatórios, etc.
1.3
Objetivos
1.3.1
Objetivo geral
O objetivo geral deste trabalho consiste em desenvolver uma aplicação WEB, acessada em um browser de internet, que será responsável pela visualização dos parâmetros elétricos medidos em um sistema fotovoltaico, dentre eles: tensão elétrica, corrente elétrica e potência ativa. Adicionalmente, serão visualizadas as temperaturas e umidades dos locais onde o sistema considerado será instalado e como ganho os integradores de sistemas FV poderão ter as reais entradas dessas grandezas em projetos futuros e, eventualmente, ter ganho de eficiência na escolha das placas usadas. Em outras palavras, o objetivo deste trabalho é a elaboração de um software, em linguagem PHP, dotado de um arquivo de banco de dados, para armazenamento dos parâmetros elétricos de um sistema fotovoltaico. Além disso, o sistema será capaz de fornecer também uma série histórica de dados ambientais para estudos futuros e até mesmo comparação da eficiência de conversão de energia fotovoltaica em energia elétrica em determinado período de tempo. Em resumo, têm-se como objetivo geral deste trabalho:
1. Desenvolver, através de linguagem de programação PHP, uma aplicação WEB que servirá como uma IHM (interação Homem-máquina) entre o sistema fotovoltaico e o usuário.
1.3.2
Objetivos específicos
Dentre as possibilidades de utilização do produto a ser desenvolvido neste trabalho, tem-se a capacitação de profissionais (instaladores, técnicos e engenheiros) que trabalham com sistemas fotovoltaicos sobre um sistema que seja capaz de exibir o funcionamento das suas usinas geradoras de energia elétrica junto aos seus clientes, sendo perfeitamente personalizável por se tratar de um programa de computador. Tal produto pode ainda servir como base de dado para pesquisas que, eventualmente, possam estudar o efeito da temperatura e da umidade em sistemas fotovoltaicos que estejam funcionando, de modo a obter dados de eficiência ante as variações dessas grandezas ambientais.
Para a captação dos parâmetros elétricos será necessário desenvolver um sistema microcontrolado, dotado de diversos sensores específicos para cada unidade, capaz de alimentar a aplicação WEB com os valores requeridos, como tensão e corrente elétrica. Em resumo, têm-se como objetivos específicos deste trabalho:
1. Desenvolver, através do ambiente de programação MYSQL, um banco de dados para armazenamento dos dados captados;
2. Desenvolver o protótipo de um sistema microcontrolado capaz de captar e fornecer dados específicos ao objeto deste trabalho.
1.4
Estado da Arte
Com o crescente desenvolvimento das tecnologias empregadas nos sistemas foto-voltaicos, tem-se a integração da eletrônica e do conceito da internet das coisas2 nos equipamentos, principalmente, nos inversores que são os elementos com mais eletrônica envolvida detre os que compõe um sistema fotovoltaico. Ele é capaz de transformar a corrente contínua em corrente alternada em padrões de tensão e frequência de uma rede elétrica a qual ele estará ligado.
Existem no mercado diversos fabricantes com uma imensa variedade de modelos de inversores. Neste contexto, realizou-se neste trabalho uma pesquisa referente a alguns desses inversores, objetivando a avaliação de suas funcionalidades e destacando as principais características, modos de operação, interfaces gráficas e outras informações.
2 Internet das coisas é um conceito que expressa a existência de uma rede de diversos equipamentos
eletroeletrônicos capaz de reunir, tratar e transmitir dados através da internet, para serem usados para gerir informações das mais diversas naturezas. (Nota do Autor)
Capítulo 1 21
Dentre os fabricantes, pode-se citar a ABB, Canadian Solar Inc. e Fronius, como os mais conhecidos e usados na atualidade.
Os inversores da ABB são destinados na sua maior parte para clientes de grande porte. São dotados de comunicação com a internet e possuem uma interface gráfica, Aurora Visor Plant, conforme ilustrado na Figura 4
Figura 4 – IHM da ABB. (SICES, 2019)
A empresa Canadian Solar tem duas versões de monitoramento, a CSI Cloud, projetada para o usuário final, a fim de fornecer dados de geração e rendimento e a CSI CloudPro que visa atender empresas de instalação e manutenção. Ambas as versões do IHM da Canadian partem do mesmo modelo de visualização, mostrado na Figura 5, e são específicas para seus inversores, devendo ser cadastradas através do site da empresa próprio para a finalidade. Também contam com um hardware chamado de KeyPort, visto na Figura 6, que habilita a utilização do computador que servirá para a utilização da aplicação da empresa.
Figura 5 – IHM da CANADIAN. (CANADIAN, 2019)
A aplicação da empresa Fronius, Figura 7, é a mais clara das três citadas, porém com o detalhe de ser também proprietária, ou seja, o seu funcionamento só é permitido com os inversores da própria empresa. Com duas versões, desktop e mobile, mostra indicação
Figura 6 – KeyPort da CANADIAN. (CANADIAN, 2019)
de valores totais do sistema fotovoltaico observado e tem uma pilha de dados com valores armazenados D-5, ou seja, com histórico de apenas 05 (cinco) dias.
Figura 7 – IHM da FRONIUS. (PORTALSOLAR, 2019)
Analisando as três aplicações, tem-se como característica comum a utilização específica para cada inversor, ou seja, não há nenhum grau de intercambialidade entre as marcas. Além disso, todas as três limitam-se em mostrar os valores das potências geradas, sem considerar a visualização das correntes envolvidas, por exemplo. Apenas a aplicação da ABB mostra valores de temperatura, mas apenas do inversor e não do ambiente. Outro ponto observado é que o software da Fronius mostra a economia em Euro, moeda européia.
Durante a pesquisa realizada nesta etapa do trabalho, foram analisados os produtos da SolarView, uma plataforma de visualização de dados de usinas fotovoltaicas, que mostravam valores como geração da usina, perspectiva de economia e outros dados, independentemente do inversor usado. Porém o produto foi descontinuado e agora faz parte de um pacote de produtos da empresa, chamado Smart Meter Solarview, que agrega valor ao simulador de propostas da empresa. Na Figura 8 é ilustrada a tela do IHM antiga da empresa, já que no momento da confecção deste trabalho a nova versão não se encontrava disponível.
Capítulo 1 23
Figura 8 – IHM da SOLARVIEW. (SOLARVIEW, 2019)
1.5
Estrutura do Trabalho
Este trabalho está estruturado em sete capítulos. O primeiro capítulo apresenta a parte introdutória, contemplando uma contextualização dos aspectos gerais, apresentação da motivação e dos objetivos relacionados à proposta do trabalho, além da estrutura geral do trabalho é apresentado o seu enquadramento junto ao edital que o rege.
No Capítulo segundo, o referencial teórico será desenvolvido de forma a apresentar a revisão da literatura sobre as temáticas consideradas pertinentes à proposta do estudo.
No Capítulo três serão apresentadas as variáveis que serão consideradas nesse trabalho, bem como as estrategias de medição, de indicação e até mesmo alguns elementos que comporão o hardware do projeto.
No quarto Capítulo será apresentado o conceito de prototipagem, comum quando se tem a necessidade de desenvolver um produto comercial e é apresentada a plataforma de prototipagem e os circuitos esquemáticos para uma primeira montagem e teste.
No Capítulo quinto, serão mostrados os resultados dos programas que serão usados no microcontrolador utilizado, bem como os seus respectivos fluxogramas para um completo entendimento.
O Capítulo seis apresentará o principal objeto deste trabalho, que é a aplicação WEB que será a IHM do sistema com o usuário.
No Capítulo sete será apresentada uma análise financeira baseada nos valores dos componentes usados no desenvolvimento do protótipo, um possível valor de mercado, tudo referenciado a quatro propostas comerciais de eventuais usinas fotovoltaicas.
1.6
Enquadramento do TCC
O trabalho que está sendo apresentado tem dois componentes distintos. O primeiro, objeto central, é um programa de computador que será usado pelo usuário para acom-panhamento das grandezas elétricas medidas. O segundo componente é um sistema microcontrolado que servirá como interface entre as placas do sistema fotovoltaico e o programa citado acima. De acordo com o EDITAL DE SELEÇÃO 02/2017/MPEE - Mestrado Profissional em Energia Elétrica que rege o trabalho em curso, o programa de computador pode ser caracterizado pelo item 3.2.1, subitem (vii), que diz:
"item 3.2.1 Desenvolvimento de programa computacional – produção da
documentação formal e técnica exigida pelo Instituto Nacional da Proprie-dade Intelectual, incluindo algoritmo, estudo de caso e listagem integral ou parcial do código fonte, além de outros dados que se considere pertinente para identificar e caracterizar sua contribuição."
Já o segundo componente, o sistema microcontrolado, pode ser associado aos subitens (v) e (ix) do item 3.2.1 do referido edital que dizem, respectivamente:
"Projetos técnicos – relatório técnico com memorial descritivo, memória de cálculo e desenhos, passível de registro de ART no CREA, cujo trabalho deverá necessariamente estar associado à resolução de um problema não convencional de Engenharia, incluindo processos de inovação técnica. "
e
"Protótipos de equipamentos – apresentação do protótipo, com demonstra-ção de funcionamento e manual de operademonstra-ção técnica. Além disso, deverá ser entregue a documentação necessária ao registro de propriedade inte-lectual no INPI. "
Ainda com relação ao sistema microcontrolado, este poderá ser registrado no Conselho Federal de Engenharia, Arquitetura e Agronomia - CONFEA, através da Resolução No260, de 21 abril de 1979 que resolve em seu artigo 1o:
"Os autores de projetos, esboços e obras plásticas concernentes à geo-grafia, topogeo-grafia, engenharia, arquitetura, cenografia e ciência poderão registrá-los no Conselho Federal de Engenharia, Arquitetura e Agronomia para efeito de segurança em seus direitos."
2 REFERENCIAL TEÓRICO
Este capítulo apresenta a revisão da literatura que reúne os seguintes temas: Energia solar fotovoltaica, composição de um sistema fotovoltaico, tipos de sistemas fotovoltaicos e, por fim, as características elétricas dos módulos fotovoltaicos.
2.1
Energia solar fotovoltaica
Energia solar fotovoltaica trata-se da energia obtida através da conversão da luz solar em eletricidade, por meio da utilização de uma série de elementos, mas sendo a célula fotovoltaica a peça fundamental desse processo.
Os primeiros registros dos efeitos fotovoltaicos foram observados ainda no século XIX, em 1839, por Edmond Becquerrel que, ao mergulhar placas metálicas de platina ou de prata em eletrólitos, era gerado uma pequena diferença de potencial elétrico quando expostos à luz. Em 1877, W. G. Adams e R. E. Day, dois norte-americanos, usaram o selênio, na ocasião exposto à luz, para a produção de eletricidade. Os experimentos seguiram até março de 1953, quando Calvin Fuller, dos Bell Laboratories (Bell Labs)1 desenvolveu um
processo de difusão para introduzir impurezas em cristais de silício para controlar suas características elétricas. A esse processo se deu o nome de dopagem. O químico Fuller produziu uma barra de silício dopada com gálio2 que a tornara condutora, isto é, obteve cargas em movimento chamadas de positivas.
Com a ajuda do físico Gerald Peason, também do Bell Labs, foi mergulhada a barra em um banho quente de lítio, criando assim na superfície da barra, uma zona com excesso de elétrons livres, portadores de cargas negativas3. Na região entre os dois compostos,
chamada de camada de junção P-N, foi observado um campo elétrico permanente. Outro ponto constatado foi que na barra, quando exposta à luz, havia um fluxo de elétrons, ou seja, uma corrente elétrica. Dessa forma, foi criada a primeira célula fotovoltaica mostrada na Figura 9.
Depois de discutir seus experimentos com o engenheiro Darly Chapin, do Bell Labs, que possuía trabalhos semelhantes, obtiveram a valores de até 4% de rendimento, fantástico para a época. Com a substituição do gálio pelo arsênio, Pearson obteve 6% de rendimento elétrico, o que chamou a atenção dos Estados Unidos (EUA), que autorizou a publicação do estudo da primeira célula solar na reunião anual da National Academy os Sceines, em Washignton, e anunciada em uma conferência da imprensa em 25 de abril de 1954.
1 Localizado em Murray Hill, New Jersey, EUA 2 SiGa - Tipo P.
Figura 9 – Primeiro módulo solar do Bell Labs. (SOLSTICIO, 2019)
2.2
Tipos de sistemas fotovoltaicos
Os sistemas fotovoltaicos podem ser classificados em três grupos principais: Os sistemas conectados à rede (on grid ), ilustrado na Figura 10, e sistemas isolados (off grid ), explicitado na Figura 11 ou ainda, a junção dos dois modelos anteriores, chamado de sistema híbrido. O primeiro sistema é conectado à rede elétrica entregando a energia gerada pela luz do sol à concessionária, gerando descontos na conta de energia.
Figura 10 – Composição do Sistema Fotovoltaico On Grid. (SOLARBRASIL, 2019)
Já os sistemas isolados possuem a característica de não serem conectados à rede elé-trica. A energia produzida pelo sistema é armazenada em baterias estacionárias, garantido
Capítulo 2 27
Figura 11 – Composição do Sistema Fotovoltaico Off Grid. (SOLARBRASIL, 2019)
o abastecimento em períodos sem sol. Enquanto que os sistemas híbridos são aqueles que, quando desconectados da rede elétrica convencional, apresentam várias fontes de geração de energia como por exemplo: turbinas eólicas, geração diesel, módulos fotovoltaicos, entre outras. Porém, esse sistema de geração torna-se complexo já que utiliza diversas fontes de energia, exigindo um controle de todas as fontes para que haja máxima eficiência na distribuição dessa energia.
As vantagens e desvantagens dos sistemas conectados à rede e isolados podem ser vistos na Tabela 1.
Tabela 1 – On Grid x Off Grid.
Sistema Vantagens Desvantagens
Pode ser utilizado em regiões remotas
Necessita de baterias e controladores de carga
Off grid Não tem conta de luz Custo Elevado
Possui sistema de armazenamento de energia Menos eficiente Dispensa a utilização de baterias e controladores de carga
Acesso à rede de energia
On grid Geração de créditos de energia
Não há armazenamento de energia4
Créditos usados em outros consumidores
Pagar conta de luz, no mínimo taxa de disponibilidade Mais eficiente
2.3
Composição de um sistema fotovoltaico
Um sistema fotovoltaico de energia é composto por um conjunto de módulos fotovoltaicos e por uma série de equipamentos complementares, tais como:
Módulo: É o elemento que transforma a energia solar em energia elétrica. Também é chamado de painél fotovoltaico. A potência do sistema em questão é limitada pela capacidade de geração dos módulos que o compõem.
Controlador de carga: Equipamento eletrônico que regula a carga da bateria com a energia oriunda dos painéis fotovoltaicos e libera energia para as cargas consumidoras.
Bateria: Componente auxiliar acumulador de energia elétrica. Trata-se de um componente de armazenamento de energia elétrica para ser utilizada quando ocorrer falha da fonte geradora, quando a mesma não atenda à carga desejada devido ao excesso da demanda ou a limitação da radiação solar.
Inversor: Equipamento que converte a corrente contínua gerada pelos painéis em corrente alternada necessária para alimentar os mais diversos equipamentos eletroeletrônicos. Para a confecção das células fotovoltaicas que são utilizadas na fabricação de painéis solares (módulos), normalmente utiliza-se silício monocristalino e silício policristalino, uma vez que possuem uma melhor eficiência. No entanto, existe outro tipo de material conhecido como filmes finos, que é constituído por silício amorfo, disseleneto de cobre e índio ou disseleneto de cobre, índio e gálio e telureto de cádmio, e é utilizado em menor escala, pois apresenta uma menor eficiência quando comparado com os anteriores.
Os módulos fotovoltaicos, que são compostos pelas células, devem ser ligados em série, em paralelo ou pela combinação dos dois tipos de ligação, dependendo da corrente e tensão desejadas. Quando ligado em série, o valor da tensão resultante do arranjo é dado pelo somatório do valor de tensão de cada módulo, e o valor da corrente elétrica do arranjo é igual ao valor especificado por um módulo. Já quando ligados em paralelo, a tensão do arranjo será igual à tensão de cada módulo, individualmente, e a corrente do arranjo será o somatório das correntes de todos os módulos.
No entanto, existe outro elemento que pode ser considerado como componente do sistema fotovoltaico. O Sol, com sua peculiaridade, tem fundamental importância no sistema em questão e sua incidência nas placas solares tem impacto direto na produção de energia elétrica. Quanto maior é a incidência, maior será a corrente originada a partir das placas. Como forma de orientar o "uso"do sol, foi elaborada o mapa solarimétrico do Brasil, Figura 12, onde se pode ver as regiões que mais tem exposição ao sol e, consequentemente, e onde é mais apropriado a instalação dos sistemas fotovoltaicos.
Capítulo 2 29
Figura 12 – Atlas Solarimétrico do Brasil. (ATLAS, 2019)
2.4
Características elétricas dos módulos fotovoltaicos
Para um módulo fotovoltaico gerar energia elétrica em corrente contínua, o mesmo deve estar exposto à luz solar e dependerá da intensidade da radiação e da temperatura ambiente. Usualmente, a capacidade desse módulo é identificada pela potência de pico (Wp). A condição desejada para a determinação dessa potência é definida para o módulo exposto a uma radiação solar de 1000 W/m2e uma temperatura da célula de 25◦C (PINHO, 2004). A máxima potência é atingida quando se obtém a corrente de máxima potência (Imp) e a tensão de máxima potência (Vmp). Desse modo, é válido ressaltar que a corrente
elétrica gerada pelo módulo é diretamente proporcional à irradiância, e que a incidência da radiação e a variação da temperatura ambiente implicam em uma variação de temperatura nas células fotovoltaicas. Nesse sentido, alguns parâmetros são utilizados para especificar a característica elétrica dos módulos sob determinadas condições de radiação solar e temperatura ambiente, sendo tais parâmetros, a potência máxima (Pmp), tensão e corrente
de máxima potência (Vmp, Imp), tensão de circuito aberto (Voc) e corrente de curto-circuito
(Isc).
As medidas de tensão e corrente podem ser desenhadas em uma curva característica (I-V) do módulo, conforme visto na Figura 13. A corrente é influenciada pela irradiância como indica as curvas para 600, 800 e 1000 W/m2. Quando a tensão é nula, tem-se o
valor de corrente de curto-circuito (Isc). Analogamente, quando a corrente é nula, tem-se o valor da tensão de circuito aberto (Voc) (ABINEE, 2012).
A parte útil da curva (I-V) é a que corresponde entre os pontos de tensão de circuito aberto (Voc, 0) e o ponto de curto-circuito (0, Isc). Nesses pontos não se verifica a produção
de energia, uma vez que a potência instantânea obtida a partir do produto entre corrente e tensão é igual a zero. A partir dessa curva, sob condições padrão de teste (STC), obtêm-se os principais parâmetros que determinam a sua qualidade e o desempenho, entre eles Isc,
Voc, Vmp, Imp e Pmp(ZILLES et al., 2016).
Como foi dito anteriormente, as características elétricas das células fotovoltaicas podem ser alteradas em razão de alguns fatores ambientais como a radiação solar e a temperatura. E, dessa forma, pode-se dizer que o aumento da temperatura ocasiona a diminuição da tensão do circuito aberto e um discreto aumento de corrente de curto-circuito. Estes fatos de-vem ser considerados na etapa de projeto, pois influencia, por exemplo, nas especificações dos cabos de corrente contínua.
Capítulo 2 31
Figura 13 – Curva característica (I-V) de módulo fotovoltaico para diferentes valores de irradiância.
RIÁVEIS A SEREM MONITORADAS
Neste capitulo serão descritos algumas variáveis as quais compõe os sistemas foto-voltaicos, e que são de extrema importância para suprir as informações que constarão na aplicação WEB. Neste sentido, esta parte do trabalho apresenta: variáveis ambientais (temperatura e umidade), medições das tensões e medições das correntes elétricas.
3.1
Variáveis ambientais - temperatura e umidade
Para se obter as temperaturas e as umidades do ambiente, às quais os sistemas fotovoltaicos estarão expostos, será necessário, a utilização de sensores específicos para cada grandeza. Estes sensores serão responsáveis por captar os valores e transformá-los em sinais elétricos para serem enviados à aplicação WEB. Considerando que esses sistemas irão funcionar por um longo período, o projeto pretendido será capaz de fornecer um histograma que indicará o período na qual, o sistema fotovoltaico instalado foi mais eficiente. Essa possibilidade é uma utilização direta deste projeto, pois com o aumento do uso da aplicação, será possível mapear ponto-a-ponto quais os melhores lugares para a instalação de sistemas isolados e conectados à rede elétrica, frente ao utilizado hoje, que são atlas solarimétricos como mostrado na Figura 12. Este item também compõe um dos objetivos principais deste projeto, que é subsidiar pesquisadores a fazerem estudos sobre a influência do sol em usinas fotovoltaicas reais e não somente nas condições standard, ou seja, 25◦C e pressão de atmosférica de 1 atm.
Neste projeto, serão utilizados dois sensores do modelo DHT11, ilustrados na Figura 14, ligados a dois pinos diferentes do microcontrolador utilizado no hardware do projeto, pois segundo o manual do fabricante, a estabilidade de leitura da umidade é de 0,5% por ano, o que significa que há um erro e o mesmo deve ser considerado nas leituras, e essa configuração, com dois sensores, servirá para obter-se uma média aritmética dentro do software, que estará tratando os valores fornecidos na intenção de se ter um valor médio mais próximo do real possível. Na Tabela 2, tem-se a descrição de cada pino do sensor em questão.
Ainda segundo (AOSHONG, 2014), o termistor precisa de um intervalo de 10 segundos e a placa capacitiva1, que mede umidade, necessita de 6 segundos para exibir os valores reais medidos. Além disso, outra ressalva que o manual do fabricante faz é a necessidade de se ter um resistor ligado entre o Vcce o pino Data, isto é um resistor de pull-up. Essa é
1 Para medir a temperatura, utiliza-se um termistor, enquanto que para a umidade é usado um elemento
Capítulo 3 33
Figura 14 – Sensor de temperatura e umidade. (FRITZENLAB, 2019)
Tabela 2 – Pinos do sensor DHT11.
PINOS DESCRIÇÃO
1 Tensão de alimentação - Vcc 2 Saída de sinal - Data
3 Não conectado
4 Pino terra - GROUND
Fonte: Elaborada pelo Autor
Figura 15 – Circuito da simulação do DHT11.
uma característica dos elementos que utilizam o protocolo de comunicação one-wire, que é uma comunicação serial de baixa velocidade e realizada por apenas um fio condutor. Na Figura 15 pode-se ver os dois sensores DHT11 ligados a dois pinos do microcontrolador.
3.2
Medição de tensões
Um dos dois parâmetros mais importantes que se deve acompanhar e entender em sis-temas fotovoltaicos é a tensão elétrica. Ela é responsável pela impulsão da corrente elétrica e é característica fundamental nos sistemas FV. Pode-se encontrar tensões de 12 volts, 24 volts e até 48 volts nas plantas dos sistemas fotovoltaicos e a escolha passa pelo custo final, pois quanto maior a tensão utilizadas, mais caros os equipamentos complementares como as baterias em sistemas off grid.
3.2.1
Medição da tensão contínua -
V
ccAs medições de tensão contínua, ou Vcc, ocorrem em dois pontos distintos, dependendo
se o sistema em questão será conectado à rede de energia elétrica ou isolado. No primeiro sistema, como não há a utilização de baterias estacionárias, a medição da tensão contínua só será realizada na própria placa, ou no conjunto delas, como pode ser idealizado na Figura 16.
Figura 16 – Indicação do ponto de medição da tensão contínua on grid. (BHARAT, 2019)
Considerando um sistema isolado com baterias estacionárias para acúmulo de energia, o mesmo medirá a tensão contínua nas placas, ou no conjunto delas, e nos terminais positivos das baterias, como pode ser visto na Figura 17. Com isso, o usuário poderá
Capítulo 3 35
Figura 17 – Indicação do ponto de medição da tensão contínua off grid. (BHARAT, 2019)
observar o comportamento de carga e descarga dessas baterias, bem como sua vida útil a partir das tensões máximas alcançadas.
O circuito que será usado para medir a tensão contínua estará baseado em um divisor de tensão de simples implementação. Esse divisor é obtido fixando-se o valor de um resistor base, chamado de R2, e calculando um segundo resistor, chamado de R1. É necessário
saber também a tensão de entrada do divisor, que será chamado de Vin.
A expressão matemática para o divisor de tensão é:
Vout =
R2
R1+ R2
x Vin. (3.1)
A fim de se obter o valor máximo de Vin, deve-se considerar que os sistemas fotovoltaicos
isolados usam baterias elétricas de 24 volts, já que para essa finalidade, esse é o valor comumente usado e encontrado comercialmente. Outros valores de tensão podem ser obtidos através de associação em série de duas ou mais baterias. Para este projeto será usado 2,5 vezes o valor de 24 vcc. Poderia ser outro valor, mas considerando as boas
práticas de projetos de instrumentos de medição e considerando que o fundo de escala, valor máximo seguro que é possível ser medido com determinado instrumento, não deve ser igual ao valor máximo de trabalho (MüNCHOW, 2001), tem-se uma tensão máxima possível de ser medida de 60 vcc.
Vin = 60vcc. (3.2)
alimentado com até 5 volts em suas entradas analógicas, tem-se que:
Vout= 5vcc. (3.3)
Para calcular R1, considera-se que R2 seja igual a:
R2 = 200Ω. (3.4)
Substituindo os valores das equações 3.2, 3.3 e 3.4 em 3.1, tem-se:
5volts = 200Ω R1+ 200Ω
x60volts, (3.5)
em que:
R1 = 2200Ω. (3.6)
Consultando a tabela de cores de resistores e para os valores encontrados, os códigos de cores comerciais, para R1 e R2 são vistos nas Figuras 18 e 19.
Figura 18 – Resistor de 200 Ω. (NOVA, 2018)
Figura 19 – Resistor de 2200 Ω. (NOVA, 2018)
O hardware em desenvolvimento será dotado de dois sensores de tensão contínua para o mesmo ponto. Considerando que os resistores comerciais aceitam uma tolerância de
Capítulo 3 37
até 5% em seus valores nominais, esta redundância poderá diminuir o erro, uma vez que, com o mesmo ponto de medição e duas entradas diferentes no microcontrolador e a partir do software programado, esse erro tenderá a ser diminuído por uma média aritmética e poderá representar mais aproximadamente o valor real da tensão medida. As Figuras 20 e 21 mostram as configurações pretendidas, bem como uma simulação, realizada no software Protheus, com os valores de tensão de entrada e saída.
Figura 20 – Simulação do divisor de tensão.
Fonte: Elaborado pelo Autor
Figura 21 – Simulação do divisor de tensão duplo.
Fonte: Elaborado pelo Autor
3.2.2
Indicação da tensão alternada -
V
caOs dois tipos de configurações de sistemas fotovoltaicos tem em comum o uso de um equipamento chamado Inversor. Ele é responsável por receber em sua entrada um sinal de tensão/corrente contínua, e na sua saída ele fornece um sinal de tensão/corrente alternado sintonizada na frequência de 60 Hz. Na Figura 22 é possível ver um esquema que traduz a importância do inversor.
Figura 22 – Interface do posicionamento do Inversor.
Fonte: www.portalsolar.com.br/o-inversor-solar.html
A estratégia de medição da tensão alternada será baseada no alto nível da eletrônica que há nos inversores. Como os fabricantes desses equipamentos garantem que em suas saídas a tensão nominal é a declarada, por exemplo, 220 Volts, o circuito usado, Figura 23, será um optoacoplador que apenas indicará se tem tensão ou não na saída do inversor.
Figura 23 – Sensor de presença de tensão alternada.
Fonte: Elaborado pelo Autor
O uso do capacitor de 220 nF será para garantir uma impedância considerável, dada a tensão de 220 volts, sem a necessidade da utilização de resistores de potência dada a importância do capacitor também no acoplamento/desacoplamento de estágios de circuitos de rádio frequência.
A impedância capacitiva pode ser calculada na equação 3.7, obtendo-se o valor de Xc:
Xc=
1
Capítulo 3 39
Xc=
1
2π.60.220 x 10−9. (3.8)
Xc' 12063Ω ' 12kΩ. (3.9)
Sendo assim, o capacitor poderá substituir um resistor de 12kΩ x 3 Watts, sem prejuízo para o circuito e a medição.
3.3
Medição de correntes
Conjuntamente com a tensão elétrica, a corrente elétrica é a segunda grandeza de maior relevância nos sistemas de geração fotovoltaica. O produto dela pela tensão origina a potência elétrica e esta é diretamente proporcional, ou seja: quanto maior a corrente elétrica, maior será sua potência. Com isso, é possível perceber a importância de se ter conhecimento do comportamento dessa grandeza nos sistemas envolvidos, pois será possível ter uma ideia geral de como todo o sistema está se comportando, pois, por exemplo, só existe corrente elétrica sendo gerada nas placas do sistema FV se ele estiver em perfeito funcionamento, caso contrário necessitará de manutenção corretiva.
3.3.1
Medição da corrente contínua -
I
ccPara medir a variável corrente contínua, obtida entre as placas e o inversor, será usado, além de alguns componentes passivos, o CI ACS712 do fabricante ALLEGO. A pinagem e a configuração típica do CI ACS712 pode ser vista na Figura 24.
Figura 24 – Pinos do ACS712 da ALLEGO. (ALLEGRO, 2012, p. 03)
Este componente é disponibilizado em três modelos, como é visto na Tabela 3. Neste projeto, o modelo utilizado será o ACS712-30A, que é capaz de medir correntes até 30 Amperes. A Figura 25 ilustra o circuito que será simulado.
Tabela 3 – Modelos do CI ACS712.
MODELO RANGE SENSIBILIDADE
ACS712-05B ± 5A 185 mV/A
ACS712-20B ± 20A 100 mV/A
ACS217-30A ± 30A 66 mV/A
Fonte: Elaborada pelo Autor
Figura 25 – Circuito simulado do ACS712.
Fonte: Elaborado pelo Autor
3.3.2
Medição da corrente alternada -
I
caA corrente alternada será medida por um sensor não invasivo da fabricante YHDC, chamado STC013. Segundo (STC-HD, 2013), este sensor tem um dielétrico que suporta até 6000 Volts e pode trabalhar em temperaturas de até 70◦C. Alguns modelos podem ser vistos na Tabela 4.
Tabela 4 – Alguns modelos do sensor STC
MODELO INPUT OUTPUT
SCT-013-000 0-100A corrente/0,33 mA
SCT-015-005 0-5A volt/1V
SCT-015-005 0-10A volt/1V SCT-015-005 0-15A volt/1V SCT-015-005 0-20A volt/1V
Fonte: Elaborada pelo Autor
O modelo do sensor STC que mede até 100 Amperes tem como peculiaridade apresentar o sinal de saída em corrente, diferentemente dos demais que tem o sinal de saída sendo
Capítulo 3 41
Figura 26 – Sensor STC013. (FILIPEFLOP, 2019)
uma tensão elétrica em detrimento da corrente medida. Assim, como pode ser visto na Figura 27, há a necessidade de se ter um circuito entre o sensor e o microcontrolador. Esse circuito servirá como uma espécie de drive para converter o sinal de corrente em um sinal de tensão que poderá ser lido pelo hardware em questão. Uma outra nomenclatura que se pode dar para esse circuito é burden resistance ou resistor de carga.
O valor do resistor de carga pode ser encontrado com as seguintes equações: Corrente máxima medida, que pode ser compreendida como a corrente RMS:
Imáx= 100A. (3.10)
Corrente máxima de pico:
Ipico = 100.
√
2 = 100.1, 414 = 141, 1A. (3.11)
Considerando que há 2000 voltas na bobina do sensor, encontra-se a corrente de pico nas bobinas:
Ibobina=
141, 1
2000 = 0, 0707A. (3.12)
Como a tensão máxima suportada pelo microcontrolador usado é de 5 volts e devido às boas práticas em projetos eletrônicos, é usual a não utilização de instrumentos com o fundo
Figura 27 – Drive para o sensor STC.
Fonte: Elaborado pelo Autor
de escala. Será usado um divisor de tensão simétrico de 2,5 volts a fim de se calcular o resistor de carga:
Rcarga=
2, 5
0, 0707 = 35, 4Ω. (3.13)
Como no mercado não se encontra o valor obtido de 35,4 Ω de resistência, será utilizado o valor mais próximo que é de 33 Ω.
4 HARDWARE - CIRCUITO E
MONTA-GEM
Neste capítulo serão demonstrados os circuitos que processarão os dados a serem transformados em informações úteis na aplicação WEB, bem como as etapas de montagem desses circuitos. O capítulo está estruturado da seguinte forma: microcontolador, plataforma de prototipagem eletrônica e, por fim, o circuito esquemático para montagem.
4.1
Microcontrolador
Segundo (SILVEIRA, 2014)[p. 28],
"Um microcontrolador é um único circuito integrado que pode ter de oito a até mais de 100 pinos e que inclui uma Unidade Central de Processamento - CPU, memória e circuitos de entrada e saída. Alguns modelos podem vir com contadores/temporizadores decimais, conversores analógicos/digitais, comparadores de tensão e circuitos de comunicação serial, tudo embutido no mesmo encapsulamento."
Figura 28 – Pinos do ATMEL R . (ARDUINO, 2019b)
Para o projeto pretendido, será utilizada o microcontrolador ATmega328 da empresa ATMEL R, que é amplamente usada nas plataformas de prototipagem ARDUINO R. Esse microcontrolador tem 14 pinos digitais de entrada e saída, dos quais seis podem ser usados como saída PWM1 e seis entradas analógicas que podem ser configuradas a partir da
programação imposta ao CI. A Figura 28 ilustra a pinagem deste microcontrolador.
4.2
Prototipagem
Ao longo do desenvolvimento de qualquer hardware é prudente desenvolver, antes do produto final, um protótipo. É nesta etapa que se pode ter a certeza de que o produto funcionará, bem como corrigir um eventual problema das mais variadas naturezas, como problemas de programação, estruturais e etc. Esta seção aborda uma visão global sobre o conceito de prototipagem, e também sobre como será desenvolvido o protótipo específico para a aplicação pretendida.
4.2.1
Conceitos
O desenvolvimento de qualquer produto ou serviço é obtido, basicamente, mediante três etapas. No decorrer dessas etapas, ocorre a idealização do produto até o seu acabamento final. Como é visto em (TAVEIRA, 2018), as etapas são:
1. Conceito
2. Planejamento do produto ou serviço 3. Engenharia do produto ou serviço
Considera-se na Figura 29, o sentido evolutivo do desenvolvimento de um produto ou serviço. Já o item 3, engenharia do produto ou serviço, pode ser entendido como o próprio desenvolvimento do elemento em questão, pois é neste item, segundo (TOLEDO, 2003), que diz:
"A composição e a transformação das informações geradas na fase anterior em desenhos e normas, ou seja, a transformação das informações gera-das no Conceito e Planejamento do Produto em um projeto específico e detalhado do produto, com dimensões e características reais, envolvendo a criação de protótipos e realização de testes."
Como é possível encontrar em (ROSARIO, 2009), há vários tipos de prototipagem, dentre eles cita-se:
1 o termo PWM, Pulse Width Modulation, que em tradução direta significa Modulação de Largura de Pulso,
expressa o controle da potência ou da velocidade de um sistema, através da largura do pulso de uma onda quadrada de controle, sendo as variáveis controladas diretamente proporcionais a largura deste pulso(Nota do Autor).
Capítulo 4 45
Figura 29 – Etapas de um projeto.
Fonte: Elaborada pelo Autor 1. Prototipagem rápida na concepção mecânica.
2. Prototipagem rápida para projetos de sistemas de controle. 3. Prototipagem rápida em Células flexíveis de Manufatura. 4. Prototipagem rápida em instrumentação virtual.
Considerando o produto pretendido neste projeto, a forma mais adequada de desenvolvê-lo é utilizando a prototipagem rápida em instrumentação virtual que, ainda segundo (ROSA-RIO, 2009, p.67 e 68), pode ser definida como:
"A implementação de controle de sistemas automatizados por meio de software, de hardware e de Controladores Programáveis para Automação (PAC). Atualmente, o conceito de Prototipagem Rápida envolve a concepção de todo o projeto de um sistema de controle em automação por meio de ferramentas colaborativas, desde as etapas de modelagem, de simulação e de arquitetura de controlador, até a sua implementação final em hardware dedicado. Ampliando esse conceito, podemos incluir a implementação em ambiente virtual do modelo do sistema (modelagem do sistema mecânico e acionamento), simulação e hardware de supervisão e controle."
Além das considerações acima sobre prototipagem, deve-se afirmar que ela é importante, pois reduz, significativamente, o seu custo de desenvolvimento. A idéia de custo aplicada a essa vertente já foi evidenciada por (MARTINS et al., 2003, p.25), que afirma que custo significa a despesa relativa a bem ou serviço utilizado na produção de outros bens ou serviços.
4.2.2
Plataforma de Prototipagem Eletrônica
Atualmente, com o desenvolvimento de inúmeras formas de se obter um protótipo ou até mesmo realizar uma simulação eletrônica de determinado produto, seria uma consequência
natural surgir uma maneira padronizada de realizar e desenvolver um protótipo eletrônico. Com esse intuito, surgiu em 2005 o Arduino 2R . que é uma das mais famosas e difundidas plataformas de prototipagem eletrônica de hardware da atualidade, de baixo valor financeiro, funcional, de fácil programação e acessível de estudantes a projetistas.
4.2.3
Arduino
Como é mostrado no sítio do projeto Arduino, sua definição é apresentada como sendo uma plataforma de prototipagem eletrônica open-source3 que se baseia em hardware e software flexíveis e fáceis de usar. Originalmente desenvolvida para artistas, designers e hobbistas, teve sua entrada natural no meio acadêmico por proporcionar aos docentes e discentes um caminho rápido para a prototipagem de seus projetos. Por ser um projeto italiano, através de seu idealizador Massimo Banzi, professor de design no Interaction Design Institute na cidade de Ivrea, teve uma maciça divulgação na Europa. Por se tratar de uma plataforma de prototipagem, o projeto Arduino é composto por um hardware, que é a própria placa, e um software, que é um compilador dos códigos escritos por seus usuários. O principal objetivo do Arduino é ser fácil, acessível e escalável. Por essas características, a plataforma foi a responsável direta pelo aumento do movimento Maker e DIY, sigla para Do it yourself, que em tradução livre significa "faça você mesmo".
4.2.4
Arduino UNO
O objeto deste trabalho será desenvolvido baseando-se na placa Arduino UNO, cujo tamanho é acessível para a aplicação, bem como o número de portas é suficiente para os vários sensores que serão utilizados. Essa placa usa o microcontrolador ATmega328 da fabricante ATMEL R, que atualmente foi adquirida pela empresa MICROCHIP R, conhecida desenvolvedora de softwares para microcontroladores.
Na Figura 30 apresenta-se dois modelos, o Arduino UNO e o Genuíno, que são extrema-mente semelhantes. Já a Figura 31 apresenta a pinagem do Arduíno UNO.
Após a etapa de teste, é de boa conduta desenvolver uma placa dedicada ao projeto final, que será implementada e utilizada para a finalidade a que se propõe (ver Figura 32). O termo Stand-Alone é usado quando o desenvolvedor, baseado em um Arduino, utiliza o mesmo microcontrolador e os mesmos componentes de uma determinada placa na confecção de outra placa de circuito impresso que é instalada e usada em definitivo pelo processo.
Essa facilidade de se replicar, dado ser uma plataforma Open-Source, é o que funda-menta a plataforma Arduino ser escalonável.
2 Considerar que todas as citações do nome Arduino respeitam a propriedade intelectual da marca, por este
ser um nome registrado.
3 Termo em inglês, que significa código aberto, ou seja, tem suas linhas de códigos divulgadas e com
Capítulo 4 47
Figura 30 – Arduino UNO e Genuino. (GENUíNO, 2019)
Figura 31 – Pinos do Arduino UNO. (ARDUINO, 2019a)
Figura 32 – Stand-Alone com o microcontrolador ATmega328. (SILVEIRA, 2014, p. 171-179)
4.3
Circuito esquemático para montagem
Para que seja iniciada a montagem do hardware, primeiramente, deve-se selecionar quais pinos serão usados e quais sensores vão ser conectados em cada pino. A Tabela 5 exibe quais são os pinos utilizados do microcontrolador ATmege328 e a Figura 33 ilustra a sua disposição e associação com os circuitos complementares.
Tabela 5 – Pinos do microcontrolador utilizados pelos sensores.
SENSOR TIPO PINO
DHT11 - 01 DIGITAL D10
DHT11 - 02 DIGITAL D9
SENSOR Vcc - 01 ANALÓGICO A1
SENSOR Vcc - 02 ANALÓGICO A0
SENSOR Vca DIGITAL D7
SENSOR Icc ANALÓGICO A3
SENSOR Ica ANALÓGICO A2
Fonte: Elaborada pelo Autor
Para a realização dos testes no desenvolvimento do projeto do hardware, para compor o produto final, os sensores serão implementados na plataforma de prototipagem ARDUINO R.
Capítulo 4 49
Este processo facilitará a correção de algum eventual erro. Os sensores serão ligados de acordo com a Figura 34 e serão utilizados os componentes mostrados na Tabela 6.
Tabela 6 – Lista de componentes discretos.
COMPONENTE QUANTIDADE SENSOR STC013 1 RESISTOR - 33r 1 RESISTOR - 10k 4 RESISTOR - 2K2 4 RESISTOR - 200r 2 CAPACITOR - 0.1 uf 2 CAPACITOR - 220 nf 1 DIODO - 1N4007 1 OPTOACOPLATOR - 4N25 1 SENSOR DHT11 2 SENSOR ACS712 1
Figura 33 – Circuito com todos os sensores.
Capítulo 4 51
Figura 34 – Circuito com todos os sensores para prototipagem.
