EDUARDO CARDOSO TONIAZZO
ESTUDO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM MÓDULO FOTOVOLTAICO
COM RASTREAMENTO SOLAR
Ijuí 2019
ESTUDO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM MÓDULO FOTOVOLTAICO
COM RASTREAMENTO SOLAR
Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Elétrica apresentado como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Me. Mauro Fonseca Rodrigues.
Ijuí 2019
ESTUDO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM MÓDULO FOTOVOLTAICO
COM RASTREAMENTO SOLAR
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de Engenheiro Eletricista e aprovado em sua forma final pelo Comissão Examinadora e pelo Colegiado do Curso de Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ.
Banca Examinadora:
Ijuí 2019
Me. Eng. Júlio Cezar Oliveira Bolacell – DCEEng / UNIJUÍ Me. Eng. Mauro Fonseca Rodrigues – Orientador – DCEEng / UNIJUÍ
Este trabalho só foi possível de ser realizado com a contribuição direta e indireta de algumas pessoas, as quais devo meu reconhecimento.
De maneira inicial dedico meus agradecimentos à minha família, em especial a meu pai, que sempre prezou pela educação que contribuiu e permitiu acesso à universidade.
Ao meu orientador, professor Mauro Fonseca Rodrigues por todo amparo e disponibilidade no auxílio para desenvolvimento do presente trabalho.
Por final, agradeço ao laboratorista Pedro Schimidt pela ajuda prestada, também aos demais funcionários, professores e colegas amigos do curso de Engenharia Elétrica e do Grupo de Automação Industrial e Controle – GAIC da UNIJUÍ pelo companheirismo, auxílio e estrutura laboratorial.
O primeiro dever da inteligência é desconfiar dela mesma. Albert Einstein
TONIAZZO, E. C. Estudo e Implementação de um Módulo Fotovoltaico com Rastreamento Solar. 2019. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2019. A utilização do sol como fonte de energia tem se tornado cada vez mais presente na atual matriz energética, caracterizando-se como uma fonte renovável e inesgotável. Contudo, presente nos sistemas solares fotovoltaicos, principais responsáveis pela conversão da energia irradiada pelo sol em energia elétrica, propõem-se a implementação de sistemas de rastreamento solar movimentando automaticamente os módulos fotovoltaicos com objetivo de mantê-los sempre perpendicular ao sol, desse modo provendo um aumento considerável na eficiência do sistema, proporcionando uma geração superior aos sistemas que possuem painéis configurados de maneira fixa. Nesse contexto, o atual trabalho demonstra a implementação desta técnica, onde é elaborado, constituído e colocado em atuação um protótipo de rastreador solar com 2 eixos variáveis, utilizando-se de modelo matemático para descrever a movimentação angular solar, e atuando no controle de um único módulo de 10 Wp, com finalidade de analisar sua eficiência em geração. O sistema oferece resultados satisfatórios o que valida sua utilização, apresentando um rendimento médio total de 37,55% na geração bruta do sistema móvel, proporcionando uma geração total de 565,76 Wh durante todo período observado, que corresponderam á 7 dias de atuação durante o mês de abril. Intrínseco a isso, o trabalho relata o rendimento individual para cada dia característico de geração, denotado o rendimento médio de 12,77% se considerado o consumo exigido pelo circuito do protótipo. Contudo, se propõem melhorias que serão sanadas com a atualização do sistema.
TONIAZZO, E. C. Estudo e Implementação de um Módulo Fotovoltaico com Rastreamento Solar. 2019. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2019. The use of the sun as an energy source has become increasingly more present in today's energy, characterizing itself as a renewable and inexhaustible source. Noise, present in photovoltaic solar systems, has to be implemented by the radiation of the energy radiated by the sun in electric energy, propose an implementation of solar tracking systems, maintaining the photovoltaic modules with the objective of always-perpendicular to the sun, an increase system efficiency, providing a superior generation of systems that have fixedly configured panels. This demonstrates the current demonstrated the implementation of technique, on the preparation, constituent and the particulate prototype of the solar protobles with 2 nodes variables, using template to referent to the solar angular, and acting on control of hum single module of 10 Wp, with the use of its efficiency in generation. The system can be used as a result of its use, having a total average yield of 37.55% in the mobile system generation, resulting in a total generation of 565.76 times without the knowledge, which responded to 7 working days during the month of April. Intrinsic to this, the work relative to the individual income for each day of work, is the average price of 12,77%. However, improvements are proposed to the health system with the updating of the system.
Figura 1 - Variação da irradiância solar ao longo do ano ... 19
Figura 2 - Componentes da radiação solar ... 20
Figura 3 - Junção P-N sobre efeito fotovoltaico ... 21
Figura 4 - Capacidade FV instalada no mundo ... 22
Figura 5 – Exemplo de curva característica de um módulo FV ... 23
Figura 6 - Diferença de geração entres sistemas de rastreio... 25
Figura 7 - Modelo de seguidor sobre eixo Leste - Oeste ... 26
Figura 8 - Modelo de seguidor sobre eixo Norte - Sul ... 27
Figura 9 - Seguidor Polar... 28
Figura 10 - Seguidor com dois eixos móveis ... 29
Figura 11 - Ângulos que definem a posição solar, com estrutura inclinada ... 32
Figura 12 -Angulo horário, zenital e declinação solar... 33
Figura 13 - Movimento de translação e estações do ano. ... 34
Figura 14 - Escopo malha aberta do sistema ... 38
Figura 15 - Diagrama de blocos do sistema ... 38
Figura 16 - Motor de passo utilizado ... 39
Figura 17 - Conjunto de polias para movimentação azimutal ... 40
Figura 18 - Curvas características via PSIM ... 42
Figura 19 - Circuito para controle e acionamento do motor ... 44
Figura 20 - PCI do sistema ... 45
Figura 21 - Circuitos para coleta dos dados ... 48
Figura 22 - Plataforma com módulos e datallogers ... 49
Figura 23 - Geração dos módulos durante o dia 08/04 ... 50
Figura 24 - Temperatura ambiente e do painel móvel durante o dia 08/04 ... 51
Figura 25 - Geração dos módulos durante o dia 09/04 ... 52
Figura 26 - Temperatura ambiente e do painel móvel durante o dia 09/04 ... 52
Figura 27 - Geração dos módulos durante o dia 10/04 ... 53
Figura 28 - Temperatura ambiente e do painel móvel durante o dia 10/04 ... 54
Figura 29 - Geração dos módulos durante o dia 11/04 ... 55
Figura 30 - Temperatura ambiente e do painel móvel durante o dia 11/04 ... 55
Figura 31 - Geração dos módulos durante o dia 14/04 ... 56
Tabela 1 - Dado placa fotovoltaica ... 42 Tabela 2 – Geração dos módulos, consumo e diferenças ... 60 Tabela 3 - Análise térmica do módulo... 63
WRC Word Radation Centrer TW Terawatts
W/m² Watt por Metro Quadrado RN Resolução Normativa
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica IRENA International Renewable Energy Agency MW Megawatts
Isc Corrente de curto circuito Voc Tensão de circuito aberto FV Fotovoltaico
𝜑 Latitude 𝜆 Longitude
𝛾𝑠 Ângulo Azimutal Ângulo de Altitude Solar ꞵ Ângulo de Inclinação 𝜃𝑠 Ângulo de Incidência 𝜃𝑧 Ângulo de Zenital
𝛿 Ângulo de Declinação Solar 𝜔𝑠 Ângulo Horário do Sol Wp Watt-pico
STC Standart Test Conditions
PSIM Physical Security Information Management V Volts
A Ampéres W Watt
CA Corrente Alternada CC Corrente Contínua
PIC Programmable Interrupt Controller mA Miliampére
mV Milivolts Ohm
PCI Placa de Circuito Impresso LED Light Emitting Diode LCD Liquid Crystal Display A/D Analog-to-Digital Converter Wh Watt-Hora
MPPT Maximum Power Point Tracking ºC Graus Celsius
%/ºC Variação percentual a cada incremento de temperatura Si Silício
1.1 SISTEMAS DE RASTREAMENTO SOLAR ... 14 1.2 MOTIVÇÃO ... 15 1.3 OBJETIVOS ... 16 1.3.1 Objetivo Geral ... 16 1.3.2 Objetivos Específicos ... 16 1.3.3 Metodologia ... 16 1.3.4 Estruturação ... 17 2 EMBASAMENTO TEÓRICO ... 18 2.1 RADIAÇÃO SOLAR ... 18
2.2 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA ... 21
2.2.1 Módulo Fotovoltaico ... 23
2.3 SEGUIDORES SOLARES ... 24
2.3.1 Movimento sobre eixo horizontal (orientação Leste - Oeste) ... 26
2.3.2 Movimento sobre eixo horizontal (orientação Norte - Sul) ... 27
2.3.3 Seguidor Polar (eixo móvel Norte – Sul) ... 28
2.3.4 Seguidor eixo vertical móvel (azimutal)... 29
2.3.5 Seguidor com dois eixos móveis (vertical e horizontal) ... 29
3 MATERIAS E MÉTODOS... 31
3.1 GEOMETRIA SOLAR ... 31
3.2 RASTREADOR SOLAR DE 2 EIXOS ... 37
3.3 ESTRUTURA MECÂNICA ... 39
3.3.1 Motores ... 39
3.3.2 Atuador Azimutal ... 40
3.3.3 Atuador para Elevação ... 41
3.4.2 Alimentação ... 42
3.4.3 Microcontrolador ... 43
3.4.4 Driver para Motores ... 43
3.4.5 Circuito Final ... 45
3.4.6 Lógica do Algoritmo ... 46
3.5 METODOLOGIA PARA COLETA DOS DADOS ... 46
3.5.1 Módulo Fixo ... 47
3.5.2 Aquisição dos Dados ... 47
3.5.2.1 Aquisição de tensão ... 47
3.5.2.2 Aquisição de corrente ... 47
3.5.2.3 Aquisição de temperatura ... 48
4 RESULTADOS ... 49
4.1 GERAÇÃO DE ENERGIA ... 50
4.1.1 Sol com presença de nuvens – 08/04 ... 50
4.1.2 Sol intenso – 09/04 ... 51
4.1.3 Sol e presença parcial de nuvens – 10/04 ... 53
4.1.4 Sol com períodos de chuva – 11/04 ... 54
4.1.5 Sol e presença parcial de nuvens – 14/04 ... 56
4.2 CONSUMO DO SISTEMA ... 57
4.3 RENDIMENTO ... 59
5 DISCUSSÕES ... 61
6 CONCLUSÃO ... 65
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1 INTRODUÇÃO
O sol tem relação direta pela manutenção e existência da vida no planeta terra. A energia proveniente deste astro constitui-se em uma inesgotável fonte energética com grande potencial de aproveitamento. Ao longo do desenvolvimento tecnológico humano, foi desenvolvido e aprimorado diversos meios de captação e conversão dessa energia. Caracterizando-se como uma fonte de energia limpa, a energia solar fotovoltaica consiste na conversão direta da energia disposta da luz solar em energia elétrica, o princípio desta conversão é realizado por materiais semicondutores onde ocorre o efeito fotovoltaico.
Atualmente é crescente e notável a utilização de sistemas para geração de energia elétrica através da conversão fotovoltaica. Essa área se ramifica desde a implementação de grandes centrais geradoras, á instalações de mini e microgeração. De modo especifico a implementação de módulos solares fotovoltaicos é também utilizada para sistemas menores, com finalidades especificas.
Na implantação de sistemas fotovoltaicos, a eficiência dos mesmos fica limitado as especificações do fabricante a respeito da composição e rendimento das células fotovoltaicas, a atribuição de conversores ou reguladores para controle, e a associação de acumuladores (bateria). Nesse contexto, diversos estudos buscam métodos e maneiras de aumentar o rendimento destes sistemas, no que tange a associação das células fotovoltaicas e seu rendimento na conversão em energia (PINHO e GALDINO, 2014), a implementação de rastreadores solares mantendo o painel sempre voltado pro sol para maior incidência diretas dos raios solares sobre sua superfície (OLIVEIRA, 2008), posicionamento dos módulos em diferentes condições e períodos do ano, aplicação de concentradores óticos que intensificam a quantidade de energia irradiada sobre uma área (LORENZO, MUÑOZ e NARVARTE), entre mais estudos que acompanham o atual e crescente uso da tecnologia fotovoltaica para produção de energia elétrica.
O Brasil possui uma posição territorial privilegiada para implantação de geradores fotovoltaicos, referindo-se à irradiação solar global diária que atinge o território. Dessa forma o estudo e implementação de um sistema autônomo responsável por rastrear o movimento solar e manter o painel posicionado na mesma direção do sol, fazendo assim incidir uma quantidade de irradiação maior ao longo do dia, é uma técnica interessante um vez que a aplicação destes sistemas em grandes centrais
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geradores é usado de forma bastante ampla, já que estes proporcionam um ganho relativamente superior a um sistema fixo.
1.1 SISTEMAS DE RASTREAMENTO SOLAR
Na execução de um sistema para rastrear o movimento do sol e manter a superfície coletora sempre perpendicular a este, aproveitando ao máximo a radiação direta por todo período diurno, os acionamentos são controlados através do sensoriamento instantâneo da posição do sol, ou pela implementação de modelos matemáticos que definam os ângulos específicos da geometria solar para o respectivo momento do dia. De maneira geral, estes sistemas são caracterizados entre ativos (OLIVEIRA, 2008), quanto utilizam-se de motores elétricos e conjunto de polias ou engrenagens como atuadores, e caracterizados como passivos (CASTAÑEDA, 2011), quando a atuação mecânica no sistema é realizada baseando-se no deslocamento de algum fluido, alterando a posição de equilíbrio do conjunto.
Na literatura é abordado diversos estudos e técnicas sobre a geometria para posicionamento dos módulos fotovoltaicos, que atuam sobre 1 ou 2 eixos variáveis. Os rastreadores de eixo único normalmente usam uma montagem polar para máxima eficiência solar e empregam ajuste manual de elevação (inclinação do eixo) em um segundo eixo, que pode ser ajustado regularmente durante o ano. Estima-se que o rendimento dos painéis solares pode ser aumentado em 30% a 60%, utilizando um sistema de rastreamento em vez de uma matriz estacionária (KASSEM e HAMAD). A complexidade destes sistemas corresponde na quantidade de atuadores utilizados, o que acarreta consequentemente um melhor aproveitamento. Modelos atuais para movimentação de um conjunto fotovoltaico pode ser observado em (SOLAR, 2007), onde é descrito tecnicamente a composição do sistema instalado em grandes centrais geradoras, alegando a diferença de geração de energia para modelos fixos, com 1 e 2 eixos variáveis.
Sistemas fotovoltaicos que empregam o método para rastrear o movimento do sol também são presentes em sistemas menores não conectados à rede elétrica, denominados Off Grid. Essas aplicações são presentes em áreas rurais para abastecimentos energéticos específicos na agricultura, como relata o trabalho descrito por Grah, Ponciano, et al. (2015), que empregando rastreamento solar de três passos de 1 eixo variável (leste - oeste) com operação manual, avaliou o incremento na produção de energia e a configuração da posição angular do gerador que melhor se adéqua à estação de irrigação no local.
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O amplo estudo desenvolvido por Chun-Sheng, Yi-Bo, et al. (2008), de caráter pioneiro com uma estação geradora fotovoltaica instalada em Yang Bajin no Tibet, relata a implementação de um sistemas ativo microcontrolado com grande grau de complexidade que obtém a posição solar exata através de modelo matemático, atuando no rastreio com sistemas de 1 e 2 eixos variáveis, e realizando a comparação entre ambos e sobre o sistema estático alcançando a eficiência na geração de energia elétrica de 49,2 32 e 32,4 ％, respectivamente durante aplicação.
Com a redução dos custos de microprocessadores e microcontroladores, os circuitos de controle para diversos métodos para rastreio e movimentação tiveram uma redução em seus valores, viabilizando desse modo sistemas simples e confiáveis (OLIVEIRA, 2008). De modo geral, constatar a viabilidade e rendimento na implantação de um seguidor solar em um sistema fotovoltaico fica restringido a geração de energia elétrica superior ao modelo fixo, e a capacidade de realizar o rastreio com os atuadores consumindo reativamente baixa energia em relação a capacidade de geração do sistema em si, essencialmente em projetos menores e com finalidades especificas.
1.2 MOTIVAÇÃO
Uma das principais soluções para redução da matriz energética relacionada à geração de energia usando combustíveis fósseis é a energia renovável. Fontes de energia não convencionais são comprovadas como as melhores fontes de energia nesse contexto. Entre todas as fontes de energia sustentáveis, a fonte de energia limpa mais abundante, a energia solar tem uma fonte infinita com enorme potencial nos países tropicais (JADHAV, GODSE, et al., 2018).
Nestes contextos busca-se dentro dessa área de energia renovável, onde se caracteriza a geração de energia por sistemas fotovoltaicos, encontrar outras técnicas que aumentem a eficiência e aproveitamento da matriz energética disponível pelo sol, onde ocorre a implementação de sistemas ativos para correção angular e movimentação dos painéis de modo a rastrear a posição do sol.
Os rastreadores solares embora já sejam uma realidade com diferentes níveis de complexidade, são empregados principalmente em grandes centrais geradoras. Desse modo denotam uma interessante análise, que contemple um sistema que se utilize de uma metodologia de posicionamento via modelo matemático, responsável por fornecer os ângulos que descrevam a movimentação solar durante o dia, e servindo como referência para os atuadores do rastreador, proporcionado assim, uma eficiência maior no aproveitamento de radiação solar em relação a um sistema com painéis posicionados de maneira estática, como são empregados usualmente.
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1.3 OBJETIVOS
Os objetivos gerais e específicos deste trabalho são: 1.3.1 Objetivo Geral
O presente trabalho visa desenvolver um protótipo eletromecânico de um sistema de rastreamento solar, de modo a ser capaz de movimentar de maneira automática o painel fotovoltaico empregado sobre 2 eixos móveis, que consistem no plano do ângulo azimutal e do ângulo de elevação solar.
1.3.2 Objetivos Específicos
São propostos os seguintes objetivos específicos:
• Desenvolver estrutura eletromecânica capaz de alojar todos componentes no sistema, efetuando a movimentação automática de um painel fotovoltaicos de 10Wp.
• Desenvolver circuito embarcado responsável pelo controle e acionamento dos atuadores eletromecânicos (motores), que utilize como princípio o modelo matemático responsável por descrever a movimentação angular do sol.
• Coletar dados de tensão e corrente do módulo móvel e fixo, de modo a constatar a diferença e eficiência na geração de energia entre ambos.
• Coletar dados de temperatura do ambiente e no módulo móvel, durante período de atuação do sistema.
• Definir o ganho de rendimento sobre painel fotovoltaico móvel em detrimento do fixo.
1.3.3 Metodologia
A opção de metodologia deste trabalho consiste no método hipotético dedutivo e a combinação entre documentação direta e indireta das técnicas de pesquisa. A etapa referente a revisão bibliográfica e de fundamental importância para compreensão e concepção do sistema proposto. O trabalho desenvolvido remete ao desenvolvimento de projeto com capacidade estrutural para abrigar as peças que compõem o sistema, desde do módulo, motores e circuito
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eletrônico para controle. A qualidade na execução do protótipo irá proporcionar movimentação automático angular do módulo fotovoltaico ao longo do dia, de modo a manter posicionamento preciso acompanhado a movimentação do sol.
A validação e verificação do funcionamento, que remete ao desempenho na geração de energia é realizada através de análise comparativa. Esta comparação será realizada através entre a energia elétrica gerada pelo módulo beneficiado pelo sistema de rastreamento, sobre a geração do módulo fixo, resultando na eficiência do rastreador. A análise será subdividida na comparação entre a geração bruta de energia dos sistemas, e na geração considerando o consumo demandado do sistema de rastreio solar.
1.3.4 Estruturação
Este trabalho encontra-se estruturado da seguinte forma:
O Capítulo 2 traz toda revisão bibliográfica da literatura a respeito do tema, abordando a radiação e energia solar fotovoltaica de forma a servirem de contexto. Em uma segunda etapa é descrito a abordagem de seguidores solares e seus modelos de aplicação.
O Capítulo 3 engloba primeiramente os métodos e equacionamento para posicionamento solar aplicados ao sistema desenvolvido, seguido da descrição dos materiais empregados e desenvolvimento da estrutura eletromecânica e eletrônica do projeto em sua totalidade.
No Capítulo 4, são demostrados os resultados encontrados proveniente dos métodos e materiais aplicados, apresentando os resultados práticos no que tange a geração dos sistemas e comportamento da temperatura.
Por final, no Capítulo 5 é apresentado as discussões inerentes a os resultados obtidos, abordando também propostas para trabalhos futuros.
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2 EMBASAMENTO TEÓRICO
No presente capítulo é abordado uma síntese do embasamento teórico que contemplam o rastreador solar de forma a contextualizar a implementação deste, é abordado primeiramente a compreensão da radiação solar e sua caracterização, englobando com isso a energia solar fotovoltaica. Posteriormente é abordado a implementação de rastreadores solares e seu rendimento, intrínseco a isso os modelos e métodos existentes.
2.1 RADIAÇÃO SOLAR
Os autores Pinho e Galdino (2014) trazem dois pontos de vista distintos para referenciar-se o termo “radiação solar” que pode ser definido com fluxo de potência, uma vez falando em irradiância solar. Já se referindo a termos de energia por unidade de área, usa-se a denominação de irradiação solar. Existe vasta quantidade de unidades para expressar os valores de radiação solar, mas a usualmente aplicada em processos dinâmicos de engenharia é o W\m² (adotada pelo WRC – Word Radation Centrer).
A radiação solar está constantemente sujeita a variações ao longo dos períodos diurnos e anuais, em consequência da forma elíptica em quem a terra se movimenta em torno do sol, e da inclinação do eixo terrestre em relação ao plano elíptico (CASTAÑEDA, 2011). Outros fatores que implicam na taxa de radiação solar de uma região são a sua variação na latitude e altitude, bem como as condições meteorológicas do período.
Nesse contexto, destaca-se que a irradiação que atinge o topo da camada atmosférica da terra, é denominada de irradiância extraterrestre. O valor da irradiância extraterrestre que atinge uma superfície perpendicular aos raios solares em uma distância média da Terra ao Sol, é definido como Constante Solar (𝑜), e apresenta valor próximo a 1367 W\m² (PINHO e GALDINO, 2014). A partir da relação da Constante Solar com o raio médio da Terra de aproximadamente 6.371 km, estima-se de que no topo da atmosfera tenha uma capacidade de potência disponível equivalente a 174.000 TW (terawatts).
A trajetória elíptica em que a Terra descreve em torno do Sol resulta em uma variação no valor da irradiância extraterreste, ou irradiância extraterreste efetiva, ao longo do ano, esse
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comportamento pode ser visualizado abaixo através da figura 1. O valor máximo de irradiância se dá próximo ao solstício de verão, em torno de 1.412 W/m², já o valor mínimo de 1.322 W/m² é constatado próximo ao solstício de inverno.
Figura 1 - Variação da irradiância solar ao longo do ano
Fonte: (PINHO e GALDINO, 2014)
Estima-se que a terra reflete cerca de 30% da energia irradiada pelo sol, dos 70% restantes, algo próximo a 23% fica armazenado na atmosfera, e os 47% restantes consiste na energia solar que irradiada atinge a superfície da terra sobre a forma de luz e calor (CASTAÑEDA, 2011). De tal modo, algumas definições importantes devem ser abordadas de modo de caracterizar os tipos de radiação solar incidentes e presentes no estudo para aproveitamento energético da energia proveniente do sol. Caracterizam-se 3 tipos de radiação solar incidente sobre o planeta:
• Radiação Direta – consiste na radiação solar recebida do sol sem dispersão na atmosfera.
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• Radiação Global – soma das radiações direta e difusa recebidas em determinada superfície.
Em dias com céu limpo sem a presença de nuvens estima-se que menos 20% da radiação que atinge a superfície é difusa. Já em dias com céu nublado, onde há a presença intensa de nuvens não há radiação direta, e parcialmente 100% da radiação presente é difusa.
Em superfícies que possuem inclinação em relação ao plano horizontal, haverá um terceiro componente a ser refletido pelo ambiente ao entorno (solo, vegetação, terreno, obstáculos, etc...). O componente de reflexão destas superfícies é denominado de “albedo”. Os valores do coeficiente de albedo são normalmente tabelados conforme características do terreno ao entorno da superfície inclinada (OLIVEIRA, 2008). São alguns exemplos destes valores: para gramados (0,18 – 0,23), asfalto (0,15) e concreto presente na construção urbana (0,2) (PINHO e GALDINO, 2014).
A figura 2 abaixo apresenta as componentes descritas da radiação solar sobre determinada superfície inclinada.
Figura 2 - Componentes da radiação solar
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2.2 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
A energia solar fotovoltaica consiste na conversão direta da energia disposta da luz solar em energia elétrica, o princípio desta conversão é realizado por materiais semicondutores onde ocorre o efeito fotovoltaico. Em 1839 Edmund Becquerel constatou que estruturas constituídas de materiais semicondutores, ao serem submetidas a uma exposição de luz, estabeleciam uma diferença de potencial em seus extremos (PEREIRA , 2016). Essa descoberta marcou o início da história do efeito fotoelétrico, e os avanços tecnológicos desde então sucederam possibilidade da criação das primeiras estruturas com material semicondutor.
Intrinsicamente em uma célula fotovoltaica, através da dopagem do material semicondutor pentavalente (doador de elétrons) se produz um condutor do tipo N, logo se a dopagem material for trivalente (aceitadora de elétrons), o semicondutor será do tipo P. Unindo estes materiais constitui-se em uma região do tipo P-N. Com a incidência de fótons presentes na luz solar incidente, ocorre uma excitação dos elétrons e estes se deslocam até a região N e as lacunas para a região P. Este efeito denominado então de fotovoltaico durará enquanto houver luz sobre a junção (OLIVEIRA, 2008).
Figura 3 - Junção P-N sobre efeito fotovoltaico
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Na figura 3 pode-se visualizar breve ilustração do descrito, onde ocorre o efeito fotovoltaico sobre a junção P-N e o surgimento de uma diferença de potencial quando presente a incidência de luz. Se um fio condutor for ligado aos terminais da junção ilustrada, surgirá uma corrente denominada de fotocorrente, e sua intensidade será proporcional a intensidade e luz irradiante.
Atualmente módulos fotovoltaicos constituídos a partir de lâminas de silício cristalino (monocristalino ou policristalino) dominam o mercado mundial. Esta tecnologia impregnada na constituição de módulos fotovoltaicos vem respondendo sempre por mais de 81% da produção mundial desde 2000. Demais tecnologias comercializadas atualmente são baseadas em filmes finos de telureto de cádmio (CdTe), disseleneto de cobre índio e gálio (CIGS), silício amorfo hidrogenado (a-Si:H), silício microcristalino (uc-Si) e silício crescido em fitas (Si-fitas) (PINHO e GALDINO, 2014). Embora atualmente a utilização da tecnologia fotovoltaica tem se mostrado em grande crescimento, no Brasil a implantação da energia solar fotovoltaica como fonte de geração obteve essencialmente grande impulso a partir de 2012 com a RN nº 482/12 implantada pela ANEEL (depois atualizada pela RN nº 687/15) que estipulou e definiu parâmetros para implantação dessa tecnologia através de sistemas de mini e microgeração distribuída por todo território nacional.
Figura 4 - Capacidade FV instalada no mundo
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O gráfico fornecido pela figura 4 ilustra a notável evolução da capacidade fotovoltaica (em MW) instalada em todo planta entre 2010 é 2018, conforme dados disponibilizados pela International Renewable Energy Agency – IRENA.
2.2.1 Módulo Fotovoltaico
A composição de um módulo é o resultado da associação de um especifico número de células fotovoltaicas, uma vez que a tensão gerada por uma única célula fica na ordem de 0,6 V. O arranjo destas células são ligados em conjuntos associados tanto em paralelo como em série, alterando e alcançando as características elétricas que se pretende no módulo em si (OLIVEIRA, 2008). Para compreensão do comportamento elétrico de um módulo fotovoltaico se faz uso da curva característica deste, como ilustra o exemplo trazido pela figura 5.
Figura 5 – Exemplo de curva característica de um módulo FV
Fonte: (OLIVEIRA, 2008)
Nesse contexto, na figura 5 observam-se três pontos importantes de operação: a corrente de curto circuito do módulo (Isc) e a tensão de circuito aberto (Voc), onde ambos os pontos a potência
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tem valor zero. O terceiro, corresponde ao ponto de máxima potência (Pm), sendo seu valor determinado pelo produto da tensão (Vm) com o valor da corrente máxima (Im) (𝑃𝑚 = 𝑉𝑚𝐼𝑚). Logo, o ponto de máxima potência para um módulo qualquer varia conforme o nível de irradiação de luz solar sobre a superfície, e como a incidência está sujeita a variação conforme passa o dia, o ponto de máxima potência a ser alcançado varia ao longo do período de exposição da superfície do módulo. Em sistemas fotovoltaicos, o alcance do ponto de máxima potência é obtido por equipamentos (seguidor do ponto de máxima potência, ou MPPT) que geralmente se caracterizam por ser um conversor CC-CC.
Sob condições de temperatura constante, a corrente de curto circuito (Isc) varia proporcionalmente a variação da intensidade de radiação solar. A tensão de circuito aberto (Voc) por sua vez sofre pouca influência para irradiações variando na faixa de 700 a 1000 W/m², porém para valores inferiores de irradiação, ela decresce de forma logarítmica até alcançar valor nulo, momento este em que não existe mais irradiação de luz solar na superfície do painel (OLIVEIRA,2008).
Outro fator externo que implica variações nas características elétricas do módulo é sua condição térmica. Sob condição de uma radiação constate sobre a superfície fotovoltaica, e ocorrendo uma variação da temperatura sobre o modulo, a tensão de circuito aberto (Voc) tende a diminuir, variando aproximadamente 2 mV para cada grau Celsius de temperatura acrescentados. Já nesse mesmo contexto, nota-se que a corrente de curto circuito (Isc) sofre um aumento de 0,06% no seu valor nominal (OLIVEIRA, 2008).
2.3 SEGUIDORES SOLARES
Como supracitado de maneira introdutória, o seguidor ou rastreador solar, constitui-se em um método para se obter melhor aproveitamento da radiação solar direta incidente, utilizando para isso um dispositivo que oriente o painel, ou conjunto de módulos fotovoltaicos de forma que estes esteja sempre voltado para o Sol, dessa maneira provendo um aumento na geração de energia. Assim obtém-se uma eficiência na capacidade de geração superior a sistemas com painéis estáticos, sendo essa a principal característica que valida e justifica a implementação destes sistemas.
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A complexidade de sistemas para rastrear a posição solar se estendem desde modelos específicos empregados para fornecer energia em atividades específicas no meio agrícola (GRAH, PONCIANO, et al., 2015), modelos ativos controlados atuando em 1 e 2 eixos variáveis (CHUN-SHENG, YI-BO, et al., 2008), e sistemas FV específicos que utilizam de atuadores para limpeza da superfície dos módulos (JADHAV, GODSE, et al., 2018).
Através do gráfico ilustrando conforme figura 6, disponível pelo catalogo técnico para modelo de rastreador desenvolvido por Meca Solar (2017), é possível observar de maneira abrangente a diferença de geração diária e aproveitamento entre sistemas de rastreio que se utilizam de atuadores com 1 e 2 eixos de movimentação e a comparação da geração proporcionada por estes sistema em relação ao modelo fixo.
Figura 6 - Diferença de geração entres sistemas de rastreio
Autor: (MECA SOLAR, 2017)
Identificado em laranja compreende-se a capacidade de geração de energia proporcionada pelo sistema fixo, em cinza a geração proporcionada pelo sistema de rastreio com 1 único eixo móvel, e que pode ministrar uma eficiência em torno de 28%. Já em vermelho, a geração provida pelo sistema de rastreio com 2 eixos móveis, que corresponde a um aumento de 36% na eficiência do sistema em comparação a geração do sistema fixo. (SOLAR, 2007).
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Os modelos de seguidores solares englobam diversificadas complexidades e métodos para trabalharem com o rastreio solar, e se diferenciam conforme as orientações geográficas e os ângulos da geometria solar que atuam. Alguns modelos presentes na literatura, e que são implementados na atualidade são descritos na sequência.
2.3.1 Movimento sobre eixo horizontal (orientação Leste - Oeste)
Nesse modelo de rastreio, o ângulo azimutal solar (gs) irá variar conforme a trajetória do sol durante o período do dia, porém o módulo não se move nesse plano (ângulo azimutal do módulo fixo). Tendo o painel orientado sobre os eixos Leste - Oeste, o movimento usa como referência o valor de 0º no hemisfério Norte, e alcança 180º no hemisfério Sul, acompanhando assim a elevação e declinação angular do sol. A figura 7 ilustra a estrutura para este modelo de seguidor.
Figura 7 - Modelo de seguidor sobre eixo Leste - Oeste
Fonte: Autor
Embora esse modelo possui uma montagem robusta e demanda baixa manutenção, seu uso se torna restrito pois não apresenta um ganho considerável em estações com dias relativamente
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curtos, já que seu princípio de funcionamento baseia-se em seguir a elevação do sol durante sua trajetória, tendo o ponto mínimo de inclinação durante o pico de altitude solar, declinando novamente para a posição inicial de amanhecer. Um exemplo de sua aplicação é na Centra Solar de Serpa em Portugal, que possui 52.000 módulos fotovoltaicos instalados, gerando anualmente cerca de 20GWh (OLIVEIRA, 2008).
2.3.2 Movimento sobre eixo horizontal (orientação Norte - Sul)
Atuando em um único eixo de movimentação, sua aplicação é similar ao item 2.3.1 descrito anteriormente, a diferença deste modelo é sua disposição ao longo do eixo Norte – Sul seguindo o ângulo azimutal do sol através da elevação e declinação do módulo, com descreve a figura 8.
Figura 8 - Modelo de seguidor sobre eixo Norte - Sul
Fonte: Autor
Seu valor azimutal corresponde a -90º quando se inicia o caminho aparente do sol, até atingir o valor de 0º quando o sol se encontra no ponto máximo de altitude. Ao cruzar essa marca, o módulo se volta para o hemisfério oeste tendo o ângulo azimutal igual a 90º. A montagem desse seguidor se mostra robusta e simples, apresentando um rendimento considerável.
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2.3.3 Seguidor Polar (eixo móvel Norte – Sul)
Esse modelo de rastreador possui o plano do módulo inclinado, fixado através do eixo Norte – Sul, dessa forma esta inclinação forma um eixo perpendicular a eclíptica (plano imaginário que descreve o caminho aparente do Sol) nos equinócios. De montagem simples e bastante eficiente usa um atuador elétricos que em muitas montagens é alimentado por um pequeno módulo anexo ao conjuntou, e que também seve de sensor para o seguidor (OLIVEIRA, 2008).
O módulo fixado muitas vezes sobre um tripé de modo a formar a inclinação pode ser visualizado através da figura, onde pode-se observar também o sentido da movimentação que acompanha o Sol.
Figura 9 - Seguidor Polar
Fonte: Autor
Alguns rastreadores que adotam essa configuração polar, empregam um conjunto de espelhos de forma a concentrar os raios solares irradiados na superfície fotovoltaica, e assim promover um aumento na geração.
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2.3.4 Seguidor eixo vertical móvel (azimutal)
Esse tipo de rastreador usa como atuador um motor para movimentação do eixo vertical, fazendo o seguimento no sentido Leste – Oeste sendo um modelo de montagem eletromecânica simples, atingindo bom desempenho em latitudes e estações do ano onde os dias são longos. Os ajustes da inclinação do módulo, ou conjunto FV, geralmente são feitos manualmente conforme a estação (OLIVEIRA, 2008). Na figura 10 é possível identificar esse modelo, onde o ângulo de inclinação do módulo (ꞵ) não possui atuadores, e o rastreio se constitui atuando no ângulo azimutal do módulo que acompanha a movimentação do ângulo azimutal solar (gs).
2.3.5 Seguidor com dois eixos móveis (vertical e horizontal)
O seguimento em dois eixos variáveis tem movimentação azimutal (eixo vertical) e de inclinação (eixo horizontal) o que proporciona um grande rendimento na conversão da componente direta da radiação solar. Este tipo de equipamento pode ser usado em montagens de conversão direta, ou em concentrações de irradiância, com espelhos ou lentes (OLIVEIRA, 2008).
Figura 10 - Seguidor com dois eixos móveis
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A figura 10 descreve as movimentações dessa estrutura e ilustra o rastreio com base nos ângulos de azimutal solar (gs) e de inclinação (ꞵ), onde é possível identificar os eixos móveis e a movimentação aparente do sol no plano.
Este modelo de rastreador solar foi o implementado neste trabalho. A geometria solar para composição dos ângulos que englobam essa estrutura de rastreio e o desenvolvimento do seguidor são descritos nos capítulos subsequentes.
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3 MATERIAIS E MÉTODOS
Neste item serão abordados inicialmente os métodos para definição da posição solar, que se constituem de um conjunto de equações que compõem a geometria solar e descrevem a posição angular do sol. Posteriormente são detalhadas as duas principais estruturas para formar o projeto como um todo: a estrutura mecânica onde são abordados os atuadores e método para realizar os movimentos necessários para o rastreio, e a estrutura eletrônica que aborda toda a composição do circuito desenvolvido com a lógica para realizar o controle e movimentação. De modo final, é descrita a metodologia para coleta dos dados, destacando-se como uma parte fundamental para todo trabalho.
3.1 GEOMETRIA SOLAR
A disposição geográfica estabelecida na Terra possui dois eixos imaginários que dividem o planeta em dois hemisférios: Norte e Sul, divididos pela linha do Equador, e em Leste e Oeste, divididos pelo meridiano de Greenwich. A disposição destes dois eixos determina a criação de dois ângulos: latitude (𝜑) e longitude (𝜆) (FARICELLI, 2008). Estes ângulos são responsáveis por definir a localização de qualquer ponto geográfico no plano terrestre.
A localização do Sol em relação a um determinado local na superfície da Terra pode ser especificada por dois ângulos, ângulo de altitude solar e o ângulo azimutal (CASTAÑEDA, 2011). Para a disposição de uma superfície coletora, que nesse caso entende-se como sendo um painel fotovoltaico, ocorre a associação do ângulo de inclinação desta, e o ângulo de incidência dos raios solares. A descrição destes ângulos na sequência pode ser visualizada na figura 11.
• Azimutal (𝛾𝑠): ou azimute solar, é o ângulo entre a projeção dos raios solares no plano horizontal e o eixo norte-sul. O deslocamento angular azimutal tem como referência o norte (0º) geográfico, definido por convenção positivo quando os valores são à direita (tendendo a leste), e negativo quando se encontra a esquerda (tendendo a oeste).
• Altitude Solar ( ): ângulo entre os raios solares e projeção dos mesmos sobre o pano horizontal (horizonte do observador), valendo 0º o nascer e pôr do sol (OLIVEIRA, 2008).
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• Inclinação (ꞵ): Ângulo entre a inclinação da superfície e o plano horizontal.
• Ângulo de Incidência (𝜃𝑠): Formado entre a normal da superfície de captação da estrutura, e a incidência dos raios solares.
Figura 11 - Ângulos que definem a posição solar, com estrutura inclinada
Fonte: Adaptado de (CASTAÑEDA, 2011)
Estando o observador em um ponto na superfície da terra situado sobre determinada latitude, a geometria associada a movimentação do sol engloba demais ângulos:
• Ângulo Zenital (𝜃𝑧): ângulo formado entre os raios solares incidentes, e o eixo vertical (zênite).
• Declinação Solar (𝛿): é o ângulo entre o plano equatorial e a linha reta traçada que une os centros da terra e do sol.
• Ângulo Horário do Sol ( 𝜔𝑠 ): Corresponde ao ângulo formado entre o plano meridiano passando pelo sol e o plano meridiano local. Também referenciado as vezes na literatura como como Hora Angular.
A figura 12 ilustra a disposição dos ângulos descritos, representados no plano cartesiano. Considerando que o movimento de rotação do planeta é em torno da ordenada Z, “P” ilustra ponto
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sob a superfície terrestre, o ângulo “𝜑’’ identifica a latitude local, ilustrando também o traçado do eixo zenital.
Figura 12 -Angulo horário, zenital e declinação solar.
Fonte: Adaptado de (Meteonorm Software Handbook part II: Theory, 2015)
O modelo heliocêntrico descreve a terra em movimento elíptico em torno do sol, essa movimentação denominada de translação tem o período de 1 ano (365 dias). O planeta atua também realizando movimento rotacional em torno de seu próprio eixo, este que se encontra com uma inclinação aproximada de 23,45º em relação ao plano de translação. A caracterização destes movimentos em torno do sol reflete em posições angulares em diferentes períodos do ano, o que resulta nas diferentes estações climáticas que são determinadas pelos equinócios e solstícios. O equinócio solar marca o início da primavera, ou o fim do outono, e os solstícios marcam o início do verão ou do inverno, esses fenômenos astronômicos tem como referência o angulo de declinação solar (δ). A figura 13 ilustra o movimento da orbita da terra em torno do sol, onde fica possível identificara s estações do ano e a inclinação do eixo terrestre.
Terra Sol X Y Zênite Z Eixo de rotação
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Figura 13 - Movimento de translação e estações do ano.
Fonte: (CASTAÑEDA, 2011)
Para definição geométrica dos ângulos associados no rastreio solar, de forma inicial é preciso definir o Tempo Solar Verdadeiro (𝑇𝑆𝑉) que se diferencia do horário oficial. O tempo solar é baseado no movimento angular aparente do sol, onde o meio dia solar é o momento em que este cruza o meridiano local. Para obtenção de um valor próximo ao efetivo, usam-se dois fatores de correção: o primeiro é a diferença do meridiano do observador em relação ao meridiano da hora oficial, já o segundo é a equação do tempo que considera a perturbação da taxa rotacional do planeta (OLIVEIRA, 2008). O Tempo Solar Verdadeiro é calculado segundo a equação:
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onde entende-se por 𝑇𝑂 como sendo o horário oficial local, já 𝐿𝑠 é a longitude padrão definida como 45º Oeste no horário de Brasília, 𝐿𝑜𝑐 é a longitude local e 𝐸𝑡 é a equação do tempo definida através da expressão:
𝐸𝑡 = (0,000074 + 0,001868 cos Γ − 0,032077 sin Γ − 0,014615 cos 2Γ
− 0,04089 sin 2Γ)(229,18) (2)
sendo Γ o ângulo para cada respectivo dia (em radianos), encontrado pela equação:
Γ =2𝜋(𝑑𝑛 − 1) 365
(3)
onde 𝑑𝑛 representa o dia juliano do ano, contando de 1 a 365, iniciando em 1 de janeiro. (Exemplo: 25 de fevereiro → n = 56).
Utilizando estes valores previamente calculados, e sabendo que o movimento de translação promove variação no plano da elipse em relação ao plano equatorial da terra, formando o ângulo de declinação solar (δ), este pode ser determinado de forma simplificada pela equação (4) que possui grande uso em processos relacionados à engenharia e considera que a orbita terrestre em torno do sol é circular e adota velocidade constante (OLIVEIRA, 2008).
δ = 23,45 sin [(𝑑𝑛 + 284) 2𝜋
365] (4)
Outro ângulo relacionado na movimentação geométrica é o zenital (𝜃𝑧), como descrito anteriormente, ele pode ser encontrado pela equação:
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onde, 𝛿 é o valor de declinação solar definido pela equação (4), 𝜑 corresponde a latitude local, e 𝜔𝑠 é o ângulo horário do sol formado entre o plano meridiano passando pelo sol e o plano meridiano local e calculado através da expressão:
ωs = 15(𝑇𝑆𝑉 − 12) (6)
valendo 0º ao meio dia e variando 15º a cada hora, ωs possui valor negativo pela manhã e positivo após o meio dia. O valor de 𝑇𝑆𝑉 (Tempo Solar Verdadeiro) foi definido anteriormente através da equação (1).
Definido a composição dos principais ângulos do rastreio geométrico da posição solar, resta definir o cálculo do ângulo que descreve a altura solar (𝛼), calculado pela equação:
sin 𝛼 = sin 𝛿 sin 𝜑 + cos 𝛿 cos 𝜑 cos 𝜔𝑠 (7)
Tendo estipulado o ângulo zenital anteriormente pela equação (5), pode-se simplesmente também definir a altura solar através de:
α = 90 − 𝜃𝑧 (8)
Por final, o último deslocamento preponderante para descrever a movimentação angular da posição solar, é a movimentação azimutal do sol (𝛾𝑠), tendo como referência o Norte (0º) o ângulo azimutal é definido pela expressão:
cos 𝛾𝑠 =sin 𝛼 sin 𝜑 − sin 𝛿
cos 𝛼 cos 𝜑 (9)
De maneira complementar após determinação destes ângulos que remetem a posição solar ao longo do tempo, com a definição destes valores também é possível determinar o ângulo de
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nascer do sol, e consequentemente o ângulo de pôr do sol (𝜔𝑛𝑠). Considerando que estes ângulos são simétricos, para isso:
𝜔𝑛𝑠 = cos−1(− tan 𝛿 tan 𝜑) (10)
Adotando a simetria entre manhã e tarde e com o valor de 𝜔𝑛𝑠 calculado, pode-se também definir o número de horas de luz solar (𝑁𝑑) no dia, através da equação:
𝑁𝑑 = 2
15 𝜔𝑛𝑠 (11)
Todos os ângulos descritos até então que não foram identificados, adotam a unidade de medida em graus (º).
3.2 RASTREADOR SOLAR DE 2 EIXOS
Com a definição da geometria solar consolidada, basta aplicá-la ao acionamento mecânico da placa fotovoltaica atuando nos 2 eixos móveis de modo a contemplar o rastreamento solar.
Para movimentação do 1º eixo móvel considerou-se essencialmente o valor do ângulo azimutal (𝛾𝑠 ) detalhado anteriormente pela equação (9) e utilizado como referência para movimentar a estrutura sobre o plano formado entre as coordenadas leste e oeste.
Para o acionamento do 2º eixo móvel usou-se como referência o ângulo que descreve a altura solar (𝛼), descrito pela equação (7). Desta forma, adotando a simetria, o ângulo de inclinação da estrutura será igual a altura solar (ꞵ= ), onde o painel acompanha a elevação e declinação do sol durante o período diurno. Essas definições como foram descritas podem ser visualizadas conforme figura 11.
O método proposto pelo trabalho atua em malha aberta, caracterizando-se por ser um sistema de modelo caixa branca, onde a dinâmica do mesmo e sua função de transferência define a posição angular do sol em função da data e horário oficial. A figura 14 ilustra de maneira simplificada e abrangente o funcionamento do sistema.
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Figura 14 - Escopo malha aberta do sistema
Fonte: Autor
A lógica do sistema em sua composição geral, através do algoritmo que controla os atuadores e realiza todo processamento matemático é descrito através do diagrama de blocos:
Figura 15 - Diagrama de blocos do sistema
Fonte: Autor
A estrutura do protótipo fica alocada sobre o eixo das coordenadas geográficas leste – oeste, utilizando como referência o eixo leste (0º) por onde o sol nasce, e para onde, após o final do
Data/horário Modelo geométrico Azimute (gs) Altura () para posição solar
Início Definir Data (d/m/a) ds Definir Horário (h:m:s) Período Diurno (06h – 18:59h)
Cálculo dos ângulos (gs) e ()
Rastreio Solar Período Noturno
(19h – 05:59h)
Posição Inicial (leste 0º)
SIM NÃO
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período diurno (19h) o atuador redireciona através do movimento azimutal novamente o painel, aguardando o nascer do próximo dia.
3.3 ESTRUTURA MECÂNICA
De forma a proporcionar maior robustez no protótipo desenvolvido, a estrutura onde os dois atuadores realizam os movimentos para posicionamento automático no painel foi constituída de uma base metálica fixa onde fica o motor responsável pela movimentação azimutal, e sob essa, fica alocada a estrutura junto com o motor responsáveis pela elevação e declinação do painel.
3.3.1 Motores
De modo a obter uma movimentação angular precisa, em ambos os acionamentos (azimutal e altura) foram utilizados 2 motores de passo com características elétricas iguais. Localização dos mesmos na estrutura pode ser verificada conforme. Os motores de passo são caracterizados em dispositivos eletromecânicos que convertem pulsos elétricos em movimentos mecânicos que geram variações angulares discretas. O rotor ou eixo de um motor de passo é rotacionado em pequenos incrementos angulares, denominados “passos”, quando pulsos elétricos são aplicados em uma determinada sequência nos terminais deste (BRITES e SANTOS, 2008).
Figura 16 - Motor de passo utilizado
(a) - Ligação interna das bobinas (b) - Motor
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Na figura 16 (a) é possível ver a ligação interna do motor identificando as cores de cada fase, em (b) o efetivo motor de passo empregado, este sendo da marca japonesa Sanyo Denki Ltda que atende pelo modelo 103-771-18 e possui 5 fios (4 fases e 1 referência), difere-se por ser unipolar possuindo 2 enrolamentos por fase e possuir um deslocamento de 1,8º por passo. Sua tensão e corrente nominal são respectivamente 24 V e 0,180 A por enrolamento.
3.3.2 Atuador Azimutal
De modo a fornecer maior robusteza, a movimentação azimutal se dá através da relação de 2 polias com uma conexão no eixo do motor e interligadas por uma correia dentada, movimentando a estrutura ao longo do planto horizontal formando entre os eixos leste -oeste. A relação de rotação entre as polias é de 5-1, e ambas peças são fabricadas em alumínio conforme ilustra a figura 17.
Figura 17 - Conjunto de polias para movimentação azimutal
Fonte: Autor
Como já mencionado, o sistema adota o Leste (0º) como referência possuindo neste ponto uma chave fim de curso para identificação do posicionamento inicial. A movimentação nesse plano adota uma abertura angular superior a 180º já que nos meses de verão (quando ocorre o maior índicie de irradiação solar, e o dia é consequentemente mais longo) o movimento solar adota um ângulo azimutal superior a 90º (no período da tarde) em relação ao eixo norte (𝛾𝑠 > 90º).
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3.3.3 Atuador para Elevação
O movimento para inclinação e declinação do módulo é constituído através de uma conexão mecânica com um parafuso de avanço, onde o eixo deste é acoplado junto ao eixo do motor de passo. O sentido de rotação do parafuso sob seu próprio eixo proporciona o avanço ou recuo da porca disposta sobre o mesmo, nessa é fixada uma conexão mecânica com o módulo proporcionado, dessa maneira, a elevação e declinação conforme a posição angular estabelecida.
O movimento para elevação do painel possui uma abertura angular de 90º, e detém uma chave fim de curso fixada de modo a manter uma posição inicial de referência (ângulo de elevação em zero, = 0º).
3.3.4 Estrutura Final
Englobando todos itens com os movimentos respectivos que foram descritos até então, montou-se a estrutura mecânica final, a qual foi responsável por promover o rastreamento mecânico solar nos 2 eixos variáveis.
Enquanto a base principal foi constituída de uma chapa metálica de 1 mm (milímetro) em formato retângulo de 18 x 8,5 cm (centímetros), a estrutura pra sustentação do módulo foi elaborada de madeira de modo a contribuir o mínimo possível com peso total a ser movimentado.
3.4 ESTRUTURA ELETRÔNICA
Responsável por todo processamento e controle de todos acionamentos necessários, a estrutura eletrônica corresponde, quase que em sua totalidade, na composição do circuito desenvolvido para efetuar o controle automático da placa.
3.4.1 Módulo Fotovoltaico
O módulo utilizado no protótipo foi definindo de acordo com o tamanho e robusteza da plataforma de movimentação, possuindo uma potência nominal de 10 Wp com acabamento e moldura reforçada em alumínio. Demais dados físicos e elétricos (sob condições de STC) do módulo fotovoltaico são descritos abaixo através da tabela 1, também ilustrando na sequência as curvas características do painel através da figura 18, elaborada via software PSIM:
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Tabela 1 - Dado placa fotovoltaica
ESPECIFICAÇÕES VALOR
Potência Máxima 10 W
Tensão de circuito aberto (Voc) 22 V
Corrente de curto circuito (Isc) 0,62 A
Tensão de máxima potência (Vmp) 18 V
Corrente de máxima potência (Imp) 0,56 A
Dimensões 24x36x1,7 cm
Peso 1,2 kg
Fonte: Autor
Figura 18 - Curvas características via PSIM
(a) - Curva I-V (b) - Curva P-V
Fonte: Autor
3.4.2 Alimentação
No sistema proposto existem 2 níveis de tensão principais para alimentação: • 24 V: Responsável por alimentar os dois motores.
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O barramento de 24 V é proveniente de uma fonte chaveada isolada ligada direta em CA na rede de 220 V e responsável por alimentar todo o sistema. Do nível de alimentação de 24 V a tensão é rebaixada até 5 V através de um pequeno conversor CC Buck, responsável por manter a estabilidade dessa alimentação para o circuito do microcontrolador.
3.4.3 Microcontrolador
O microcontrolador constitui-se na parte principal do circuito responsável por todo processamento matemático com finalidade de definir os ângulos, acionar os atuadores e executar pequenas rotinas externas. O microcontrolador PIC 18F2550 desenvolvido pela Microchip foi definido para controlar o sistema com base em alguns fatores:
• Alta performasse.
• Facilidade de compilação e programação, bem como baixo custo para implantação em sistemas embarcados sem uma alta complexidade demandada.
• Capacidade de cálculo trigonométrico.
• Memória de programa de 32768 bytes, memória de dados de 2048 bytes e memória de EEPROM de dados de 256 bytes (INC, 2006).
• Possuir 4 timers. 3.4.4 Driver para Motores
Para controlar os motores de passo, utilizou-se o driver L297 fabricado pela STMicroelectronics que é especifico para essa atuação. Este faz a interligação entre o microcontrolador e o sistema de potência para acionamento das bobinas.
O Controlador de Motor de Passo L297 IC gera sinais de acionamento de quatro fases para motores bipolares e de fase unipolar de duas fases em aplicações controladas por microcomputador (STMICROELECTRONICS, 2001). Uma característica deste dispositivo é que ele requer apenas sinais de clock na entrada, que então definem a direção de rotação e modo de atuação do motor ( meio-passos half-step quando a polarização das bobina proporciona o rotor se movimentar entre elas, ou em passos completos full-step quando a polarização movimenta o rotor alinhado com as bobinas). Destacando que para o sistema foi adotado o método de passos completos para ambos os motores.
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A parte de potência do driver é composta pelo uso do circuito integrado ULN2003 também fabricado pela STMicroelectronics onde os canais de saída são conectados diretamente com as bobinas do motor de passo isolando a parte digital de controle. A opção por usar este dispositivo se deve principalmente por internamente possuir diodo de roda livre para condução da carga indutiva, canais classificados com corrente nominal de até 500 mA podendo suportar também correntes de pico de 600 mA, suportar níveis de tensão até 50 V, além de ocupar pouco espaço fornecendo maior versatilidade para o circuito.
O circuito que representa o modo de operação do L297 junto com a parte de potência para acionar as bobinas do motor através da ULN2003 é ilustrado abaixo:
Figura 19 - Circuito para controle e acionamento do motor
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3.4.5 Circuito Final
Como etapa final, foi confeccionada Placa de Circuito Impresso (PCI) englobando todos dispositivos descritos e ilustrada na figura 20.
Figura 20 - PCI do sistema
Fonte: Autor
Além dos itens abordados a PCI conta com LED’s para sinalização do status de cada motor: vermelho quando o relé comuta o desligamento do motor obstruindo sua alimentação após atuação, e verde quando está ligado atuando. Estes relés atuam com 5 V e evitam os 2 motores de passo ficarem consumindo energia quando não necessitam de atuação.
A definição do horário e data é realizada com auxílio do circuito integrado Real Time Clock (Relógio de Tempo Real) DS1307 fabricado pela Maxim Integrated que trabalha como relógio e calendário do sistema, informando ao microcontrolador estas informações, essenciais para o processamento do algoritmo com a lógica de controle.
Conversor Buck -5V DS1307
Relé motor altura Relé motor azimutal
Fim de curso azimutal e altura PIC 18F2550 L298 e ULN2003 motor de altura L298 e ULN2003 motor azimutal LED’s de sinalização Botões de configuração
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Outra composição importante do circuito, e visível na figura 20, é um display LCD 16x2 para aferição dos dados em tempo real, ilustrando de maneira instantânea o horário, data e os ângulos de azimute e altura solar.
3.4.6 Lógica do Algoritmo
A lógica de controle empregada funciona de maneira bastante direta, tendo os valores de coordenadas geográficas já fixados no algoritmo: latitude: -28,3885º, e longitude: -53,9155° que remete à cidade de Ijuí, Rio Grande do Sul, Brasil onde o sistema foi implantado junto com a hora e data disponibilizada, é calculado as posições angulares do sol ao longo do tempo. Basicamente a lógica de atuação do circuito corresponde ao supracitado na figura 15.
Os acionamentos para rastreio da posição solar são realizados de hora em hora, recalculando nesse período a mudança das posições angulares. O período de rastreio funciona das 6 horas da manhã até as 18:59 horas da tarde, fora deste o painel se encontra na posição inicial.
3.5 METODOLOGIA PARA COLETA DOS DADOS
A implantação do sistema para rastreamento solar se deu em paralelo com a instalação de outro módulo com características elétricas iguais, porém implantado de maneira fixa. A metodologia para coleta corresponde na obtenção das medições dos seguintes dados:
• Tensão (V) no módulo com rastreamento. • Corrente (A) no módulo com rastreamento. • Tensão (V) no módulo fixo.
• Corrente (A) no módulo fixo.
• Temperatura (ºC) no módulo com rastreamento. • Temperatura ambiente (ºC).
Com a coleta destes dados é possível obter a potência elétrica gerada por cada módulo ao longo do período diurno, onde ambos alimentam uma carga resistiva de 30 (Ohms) constituída através da associação de resistores de potência, e dimensionadas de modo a prover a atuação no ponto de máxima potência do módulo.
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3.5.1 Módulo Fixo
Não existe uma orientação ótima de um painel fixo, na prática recomenda-se que sejam orientados de modo que a sua parte frontal fique virada perpendicular aos raios de Sol. Para conseguir um melhor aproveitamento da radiação solar incidente, os módulos deverão estar inclinados em relação ao plano horizontal num ângulo que irá variar com a latitude do local da instalação (MARCENEIRO , 2018).
O módulo instalado de maneira fixa fica posicionado na posição azimutal igual a zero, ou seja, fixado totalmente para o norte. Sua inclinação segue o mesmo ângulo, na maioria dos casos, da latitude local, neste caso adotado então a inclinação de 28º (cidade de Ijuí-RS). O painel possui as mesmas características elétricas e físicas descritas anteriormente pela tabela 1.
3.5.2 Aquisição dos Dados
Os circuitos responsáveis pela medição e coleta dos dados foram denominados de datalloger 1 para o painel com rastreamento, e datalloger 2 para o painel configurado de maneira estática. Estes circuitos são os mesmos utilizados e detalhados no trabalho de Sauthier (2019) e os métodos de aquisição dos dados são detalhados na sequência.
3.5.2.1 Aquisição de tensão
Para aquisição dos níveis de tensão operacional do painel, é necessário reduzir o nível de tensão, de forma linear, a partir de um divisor resistivo. Assim, este divisor estabelece o nível de tensão que o conversor A/D (Analógico para Digital) do microcontrolador de cada respectivo datalloger consegue realizar leitura.
3.5.2.2 Aquisição de corrente
Como a corrente máxima fornecida pelo painel remete a 0,62 A (corrente de curto circuito), adaptou-se o modo de leitura da corrente do circuito original. Foi utilizado um resistor shunt de 5 (Ohms) ligado em série com o resto da carga (25 ) e medida a queda de tensão neste através do conversor A/D, onde pela linearidade da conversão via software obtém-se a aferição da corrente.
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3.5.2.3 Aquisição de temperatura
A aquisição da temperatura é realizada através de um sensor de temperatura LM35 com uma tensão de saída linearmente proporcional à temperatura de 10 mV/ºC. O dispositivo LM35 não requer nenhuma calibração para fornecer precisões típicas de temperatura ambiente ao longo de uma faixa de temperatura de -55 °C a 150 °C (SAUTHIER, 2019).
O sistema de aquisição ainda compreende o uso de um cartão de memória o qual é usado para registrar os dados organizados juntamente com o horário de cada aquisição a partir do uso de um Real Time Clock (Relógio de Tempo Real) DS1307. O microcontrolador utilizado para gerenciamento é um PIC18F4520 da fabricante Microchip, trabalhando a 48 MHz a partir de um controlador PLL (Phase Locked Loop) (SAUTHIER, 2019).
A taxa de amostragem para aquisição dos dados foi definida para 1 min (minuto) obtendo assim um vasto conjunto de dados, sendo possível a visualização da sensibilidade nas aferições dos dados durante o período diurno de atuação. Para alimentação do sistema optou-se por utilizar uma fonte externa de 12 V. A figura na sequência traz a placa impressa e alocação dos circuitos de cada datalloger utilizados para aferição dos dados.
Figura 21 - Circuitos para coleta dos dados
(a) - Datalloger 1 (b) - Datalloger 2