estudo e implementação de dispositivo para refrigeração em...

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO S UL

FACULDADE DE ENGENHARIA

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

DISCIPLINA DE TRABALHO DE INTEGRAÇÃO

ESTUDO E IMPLEMENTAÇÃO DE DISPOSITIVO PARA REFRIGERAÇÃO EM ZONAS REMOTAS

AUTOR: LEANDRO DE SOUZA DA SILVA

ORIENTADOR: VICENTE MARIANO CANALLI

Porto Alegre, Novembro de 2006.

2

Dedicatória

Dedico este trabalho às pessoas que, ao longo dos anos, têm contribuído para o meu

crescimento pessoal, acadêmico e profissional.

3

Agradecimentos

Primeiramente gostaria de agradecer a Deus (Pai Celeste) por ter me dado a

oportunidade de chegar até aqui. A minha família, em especial aos meus pais, por sempre

terem acreditado em mim, assim como minha noiva e meus irmãos.

Além disso, agradeço a meus professores, em especial ao Me. Vicente Mariano

Canalli, pelo apoio durante estes cinco anos.

Não poderia deixar de agradecer a meus colegas, amigos e irmãos na fé por todo o

apoio e incentivo.

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Resumo

Este trabalho tem por objetivo propor uma alternativa para a problemática da

refrigeração em zonas remotas, ou seja, onde não existem transmissão e abastecimento de

energia elétrica. Para tanto, o projeto contempla a junção entre algumas tecnologias, muitas

delas ainda em evolução.

Propõe-se um protótipo composto de um sistema que deve funcionar de maneira

conjunta. Este sistema será alimentado por painéis fotovoltaicos. Como alternativa de

refrigeração é empregada uma célula de Peltier, cujo dissipador é refrigerado com água,

método desenvolvido durante a implementação do protótipo.

O desenvolvimento do dispositivo para refrigeração em zonas remotas tem dois

principais objetivos: autonomia e eficiência. Para que um dispositivo opere em um

ambiente remoto (ausência da transmissão de energia elétrica), é importante que ele

adquira uma postura autônoma, tendo uma boa sustentabilidade. Além disso, em ambientes

com estas características, é importante que se economize o máximo possível de energia

elétrica, tendo que assumir também uma postura eficiente.

O protótipo é composto também de uma etapa de controle, onde será possível

controlar a temperatura de refrigeração desejada. Esta etapa é muito importante para o

funcionamento do sistema, pois ela fará o controle de temperatura, através do

sensoriamento e da atuação no sistema.

A realização de testes e ensaios trouxeram algumas conclusões sobre o

funcionamento do protótipo, que tem uma boa capacidade de refrigeração. Foram através

dos ensaios que pode se ter uma visão real do funcionamento do dispositivo.

Outro fator avaliado foi sua viabilidade econômica, ponto de muita importância

também para o bom desenvolvimento do trabalho.

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Sumário

1. Introdução Geral ............................................................................................................ 8 1.1. Introdução.............................................................................................................. 8 1.2. Objetivos do trabalho ............................................................................................ 8 1.3. Principais contribuições......................................................................................... 9 1.4. Vantagens e desvantagens ..................................................................................... 9 1.5. Revisão bibliográfica........................................................................................... 10

1.5.1. Refrigeração Peltier ..................................................................................... 10 1.5.2. Energia fotovoltaica..................................................................................... 11 1.5.3. Princípios de radiação de um dissipador ..................................................... 15 1.5.4. Estudo das propriedades e aplicação do nitrogênio..................................... 16 1.5.5. Eletroválvulas .............................................................................................. 17 1.5.6. Sensores de temperatura .............................................................................. 17

1.6. Conclusões........................................................................................................... 18 2. Implementação............................................................................................................. 19

2.1. Introdução............................................................................................................ 19 2.2. Diagrama de blocos do sistema ........................................................................... 19 2.3. Descrição dos blocos do protótipo ...................................................................... 20

2.3.1. Células fotovoltaicas ................................................................................... 20 2.3.2. Circuito carregador da bateria ..................................................................... 21 2.3.3. Bateria.......................................................................................................... 22 2.3.4. Circuito de monitoramento, acionamento e ajuste ...................................... 23 2.3.5. Célula de Peltier .......................................................................................... 27 2.3.6. Dissipador e seu sistema de refrigeração..................................................... 28 2.3.7. Estudo da condução do calor através da água ............................................. 30 2.3.8. Sistema refrigerado...................................................................................... 31

2.4. Esquema elétrico.................................................................................................. 32 2.5. Análise de viabilidade econômica ....................................................................... 34 2.6. Conclusões........................................................................................................... 35

3. Resultados Experimentais ........................................................................................... 36 3.1. Introdução............................................................................................................ 36 3.2. Montagem............................................................................................................ 36 3.3. Formas de onda.................................................................................................... 37 3.4. Medições de temperatura e ensaios ..................................................................... 38 3.5. Autonomia de funcionamento ............................................................................. 40 3.6. Conclusões........................................................................................................... 40

4. Conclusão Geral .......................................................................................................... 42 5. Anexos......................................................................................................................... 43 6. Referências Bibliográficas........................................................................................... 56

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Lista de Figuras

Figura 1.1: Configuração básica e teórica de uma célula de Peltier............................10

Figura 1.2: Série de células de Peltier …....................................................................11

Figura 1.3: Células, módulos e arranjos......................................................................11

Figura 1.4: Característica I x V real e ideais da célula fotovoltaica............................12

Figura 1.5: Ponto da máxima corrente de saída nas características da célula.............13

Figura 1.6: Ponto da máxima potência de saída nas características da célula.............14

Figura 1.7: Módulos com e sem o diodo.....................................................................15

Figura 1.8: Superfície com emissividade ε e temperatura Tsup ..................................16

Figura 1.9: Esquema básico de um sensor de temperatura LM35..............................17

Figura 2.1: Diagrama de blocos da estrutura proposta ...............................................19

Figura 2.2: Células fotovoltaicas utilizadas no projeto ..............................................20

Figura 2.3: Esquema elétrico do carregador de bateria...............................................21

Figura 2.4: Carregador implementado.........................................................................22

Figura 2.5: Bateria utilizada no processo....................................................................23

Figura 2.6: Processador MSC 1211.............................................................................24

Figura 2.7: Visualização dos parâmetros do ambiente refrigerado.............................24

Figura 2.8: Visualização dos parâmetros do dissipador..............................................25

Figura 2.9: Sensor LM 35............................................................................................26

Figura 2.10: Eletroválvula com alimentação 12Vcc...................................................26

Figura 2.11: Célula de Peltier......................................................................................27

Figura 2.12: Estrutura da montagem da célula............................................................28

Figura 2.13: Dissipador projetado para o sistema.......................................................29

Figura 2.14: Ambiente refrigerado..............................................................................32

Figura 2.15: Esquema elétrico do sistema...................................................................33

Figura 3.1: Montagem da parte eletrônica de microprocessamento............................37

Figura 3.2: Gráfico da Variação de corrente X tempo da célula de Peltier ................38

Figura 3.3: Gráfico da Temperatura do ambiente refrigerado X Tempo....................39

7

Lista de Tabelas

Tabela 1.1: Características nominais da célula fotovoltaica.......................................21

Tabela 1.2: Massas de cada fluído dentro do dissipador ...........................................30

Tabela 1.3: Quantidade de calor recebido por cada fluído..........................................30

Tabela 1.4: Valores dos itens que compõe o protótipo ..............................................34

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1. Introdução Geral

1.1. Introdução

Sabe-se que, atualmente, existe uma grande necessidade de se obter uma boa

eficiência energética nos processos. Em ambientes remotos, isto é ainda mais importante,

devido à escassez de energia elétrica. Além disso, nestes ambientes distantes, normalmente

não se dispõe energia elétrica, necessitando-se de uma autonomia energética no processo.

Mais especificamente na área de refrigeração, existe uma carência de métodos que

busquem estas características, contemplando-as de maneira clara e objetiva, e este é o

desafio a ser enfrentado.

Sendo assim, de maneira a introduzir este trabalho, serão apresentados os objetivos

desta proposta, bem como suas principais contribuições, vantagens e desvantagens. Além

disso, será realizada uma revisão bibliográfica de algumas teorias, de maneira a solidificar

o bom andamento do projeto.

1.2. Objetivos do trabalho

O objetivo principal deste trabalho é propor e implementar um sistema de

refrigeração capaz de ser utilizado em zonas remotas, onde o fornecimento de energia

elétrica é precário ou, até mesmo, inexistente, utilizando célula de Peltier refrigerada à

água e painéis fotovoltaicos.

Desta maneira, o principal elemento de estudo será a autonomia do dispositivo, no

que diz respeito ao fornecimento convencional de energia elétrica.

Outro objetivo, de fundamental importância, será buscar alternativas mais eficientes

de realizar tal tarefa, já que neste caso a energia elétrica será um componente de

fornecimento restrito e de altíssimo valor funcional na estrutura do projeto.

9

1.3. Principais contribuições

Uma das contribuições deste projeto é a possibilidade de oferecer ambientes

refrigerados (que são de altíssima importância para a conservação de substâncias,

principalmente de alimentos, ou até mesmo de cunho médico) em locais onde tal tarefa é

impraticável e ao mesmo tempo necessária.

Outro fator de muita relevância dentro deste projeto é que o mesmo buscará trazer

uma contribuição positiva para o estudo de dispositivos refrigeradores. Trata-se de buscar

uma alternativa que atenue a problemática energética destes tipos de dispositivos, já que os

existentes, hoje em dia, requisitam uma boa qualidade do abastecimento energético.

1.4. Vantagens e desvantagens

Algumas vantagens buscadas neste projeto será o fato de se ter às mãos um

dispositivo com temperatura controlada e ajustável, em lugares onde isso poderia ser

praticamente impossível. Atualmente o controle da temperatura dos dispositivos

comerciais é efetuado de forma precária.

Pode-se observar também, que existe uma relação interessante neste estudo: quanto

maior for a incidência solar, maior potência será disponibilizada pela célula e mais será a

necessidade de refrigeração, devido ao aumento do calor.

Além disso, o dispositivo tem uma boa característica ecológica, visto que não utiliza

gases ou líquidos que agridem o ambiente e utiliza uma fonte energética já disponível na

natureza que é o sol. Uma célula fotovoltaica tem uma vida útil de mais de 25 anos [9] e

não modifica a natureza para gerar energia.

Uma aparente desvantagem deste tipo de aplicação é o custo, devido ao preço

elevado das células fotovoltaicas. Porém, se for realizado um levantamento de custo para

se realizar transmissão elétrica em meios remotos, esta desvantagem, na realidade se

tornará uma vantagem.

10

1.5. Revisão bibliográfica

A fim de se obter conhecimentos necessários para o desenvolvimento do estudo e

uma sólida implementação, faz-se necessário a pesquisa de alguns conceitos fundamentais

para o entendimento do problema e uma possível solução.

A preocupação neste item é estudar o método de refrigeração Peltier e seu modo de

funcionamento. Além disso, o estudo do fornecimento de energia por células fotovoltaicas,

uma vez que será o método utilizado. Também, será estudado o princípio de radiação de

dissipadores, já que no projeto propõe-se uma refrigeração por água. Sensores de

temperatura e eletroválvulas também serão estudos, subsidiando o conhecimento.

1.5.1. Refrigeração Peltier

Quando ocorre uma junção de metais diferentes que se encontram em diferentes

temperaturas, uma corrente elétrica é gerada. Estes dispositivos são conhecidos como

termopares. O efeito Peltier funciona de maneira inversa. Quando uma corrente elétrica é

forçada a passar por junções de metais diferentes, um metal é aquecido e o outro é

resfriado.

Para que possa haver uma maior densidade de corrente e conseqüentemente uma

maior potência, são utilizados semicondutores entre estas duas junções. Na figura 1.1 pode

ser observada a configuração básica da chamada célula de Peltier.

Figura 1.1 – Configuração básica e teórica de uma célula de Peltier

Na prática, são utilizadas uma série de junções para que, desta forma, a potência de

resfriamento seja maior, conforme mostra a figura 1.2.

11

Figura 1.2 – Série de células de Peltier

Como são pequenos, confiáveis e não tem partes móveis os dispositivos Peltier são

muito recomendados para pequenas aplicações.

A potência dissipada por unidade de área é relativamente alta, devido a este fato

existe a necessidade de se utilizar a ventilação forçada na junção quente [1].

1.5.2. Energia fotovoltaica

Uma das maneiras de se obter energia em locais remotos é através da utilização e

aproveitamento da irradiação solar. Hoje em dia, este tipo de extração de energia já é

possível através dos sistemas fotovoltaicos, que transformam a energia solar em energia

elétrica. De acordo com [2] segue abaixo um estudo sobre células fotovoltaicas.

Como pode ser visto na figura 1.3, a unidade básica destes sistemas é a célula

fotovoltaica. A partir dela, obtém-se os módulos fotovoltaicos e, então através dos arranjos

chega-se a sistemas com uma maior potência.

Figura 1.3 – Células, módulos e arranjos

12

a) Célula fotovoltaica

Uma célula fotovoltaica é uma junção PN especialmente projetada ou um dispositivo

de barreira de Schottky.

Quando célula é iluminada, pares de elétron-lacuna são produzidos por interação da

incidência de fótons com átomos da célula. O campo elétrico criado pela junção da célula

causa os pares de elétron-lacuna gerados por luz, de forma a separar, com os elétrons sendo

levados para dentro da região N da célula e as lacunas sendo levadas para dentro da região

P.

A figura 1.4 mostra a característica I-V (corrente x tensão) da célula fotovoltaica,

podendo ser notada que a corrente e a tensão disponível na célula depende do nível de

iluminação da célula. A característica ideal da célula pode ser obtida através da equação

1.1, onde Il é a componente de corrente devido aos fótons, q = 1,6x10-19C, k=1,38x10-23j/K

e T é a temperatura em K.

)1(0 −−= kT

qV

L eIII (1.1)

Figura 1.4 – Característica I x V real e ideais da célula fotovoltaica

A corrente de curto-circuito da célula pode ser obtida através da equação 1.2, sendo

G0 = 1 kW/m2, e G a irradiação a que a célula é exposta. Para determinar a tensão de

circuito aberto da célula é empregada a equação 1.3.

13

( ) ( ) ( )00 GIGGGI L= (1.2)

00

0 lnlnI

I

q

kT

I

II

q

kTV LL

OC ≅+

= (1.3)

Multiplicando-se a corrente pela tensão da célula obtém-se a potência fornecida pela

mesma. A fim de obter a maior energia que for possível de uma célula fotovoltaica um

tanto cara, é desejável operar a célula para produzir a máxima potência. A característica de

máxima potência pode ser obtida traçando-se hipérboles (definidas como IV=constante), e

pela figura 1.5 pode-se notar observa-se que a hipérbole tangencia a curva característica de

I-V em apenas um ponto.

Figura 1.5 – Ponto da máxima corrente de saída nas características da célula

Sabendo-se a corrente de máxima potência e a tensão de máxima potência pode-se

obter a máxima potência através da equação 1.4.

mmVIP =max (1.4)

A máxima potência da célula pode ser prontamente obtida através da simples

plotagem da potência da célula pela tensão da célula, como é mostrado na figura 1.6.

Regiões de maxima potência

14

Figura 1.6 – Ponto da máxima potência de saída nas características da célula

b) Módulo Fotovoltaico

Com o objetivo de se obter uma tensão de saída adequada, as células fotovoltaicas

são dispostas em série, a fim de formar o módulo fotovoltaico. Como os sistemas

fotovoltaicos são comumente operados em múltiplos de 12 volts, os módulos são

tipicamente designados para uma operação otimizada em sistemas com estas tensões. O

objetivo (meta) é conectar um número suficiente de células em série, a fim de manter uma

tensão média com uma faixa de tensão confortável do sistema bateria sob as condições das

condições da irradiação média. Se isto é feito, a potência de saída do módulo pode ser

mantida perto do máximo.

Do mesmo modo, quando se necessita de uma maior corrente para alimentar a carga,

os módulos ou painéis fotovoltaicos devem ser dispostos em paralelo. Para realizar esta

disposição deve-se colocar um diodo em série com cada célula, ou com cada arranjo em

série. Isto impossibilita que correntes reversas provindas da célula vizinha passem pela

célula, causando perdas. Na figura 1.7 pode ser vista a ligação do diodo.

Estes fenômenos podem ocorrer também quando um conjunto módulos, sejam eles

em paralelo ou em série, é conectado em uma bateria. Quando o módulo não é iluminado,

o que pode ocorrer à noite ou durante o dia (por qualquer porção da célula que não esta

recebendo irradiação), as células podem ser influenciado pelas baterias, que tem a função

de armazenar energia. Desta forma, é utilizado um diodo em série com o módulo, no

sentido inverso, também como visto na figura 1.7, de forma a bloquear esta corrente

indesejável.

15

Figura 1.7 – Módulos com e sem o diodo

c) Arranjos fotovoltaicos

Em casos onde são requeridas tensões ou correntes elevadas de um simples módulo,

deve-se conectar vários módulos em diversas configurações, conforme o que é desejado.

Conexões em série resultarão em tensões mais elevadas, e conexões em paralelo

disponibilizarão correntes maiores.

1.5.3. Princípios de radiação de um dissipador

Sabe-se que a radiação emitida por uma superfície se propaga em todas as direções

possíveis, e sempre se busca sua distribuição direcional. A tais efeitos direcionais dá-se o

nome de intensidade direcional.

A radiação térmica é a energia emitida por toda a matéria que se encontra a uma

temperatura não-nula. Independentemente da forma da matéria, emissões podem ser

atribuídas a mudanças nas configurações eletrônicas dos átomos ou moléculas que

constituem a matéria. A radiação não necessita de um meio material para se propagar.

O fluxo de calor emitido por uma superfície real é dado pela equação 1.5, onde ε é

a propriedade radiante da superfície conhecida por emissividade, Tsup é a temperatura

absoluta da superfície e σ constante de Stefan-Boltzmann (σ = 5,67 x 10-8 W/m2.K4) [5].

4sup.. TE σε= (1.5)

Painéis fotovoltaicos

Painéis fotovoltaicos

16

Considerando-se este mecanismo percebe-se que a única variável que pode ser

alterada para o aumento da eficiência de calor é a emissividade (ε), que é função apenas do

tipo de acabamento da superfície que irradia o calor. Desta forma o projeto deve prever um

cálculo adequado das dimensões do dissipador [6]. Na figura 1.8 pode ser vista uma

superfície emitindo calor para o meio (fluido).

Figura 1.8 – Superfície com emissividade ε e temperatura Tsup

1.5.4. Estudo das propriedades e aplicação do nitrogênio

O nitrogênio é um gás inerte, não-metal, incolor, inodoro e insípido. Tem uma

elevada eletronegatividade (3 na escala de Pauling) e 5 elétrons no nível mais externo

(camada de valência). Na maioria dos compostos que forma comporta-se como trivalente.

O nitrogênio condensa a uma temperatura 77 K e solidifica a 63 K, desta forma é utilizado,

comumente, em aplicações criogênicas.

A criogenia estuda a produção de baixas temperaturas (abaixo de -150ºC),

principalmente até a temperatura de ebulição do nitrogênio líquido ou ainda mais baixas, e

o comportamento dos elementos e materiais nessas temperaturas.

Quando liquefeitos, gases como o nitrogênio e o hélio são utilizados em muitas

aplicações criogênicas. Na criogenia o elemento mais utilizado é o nitrogênio líquido, e ele

pode ser comprado legalmente em todo o mundo [4].

Na indústria eletrônica, o nitrogênio líquido vem sendo cada vez mais utilizado

para realizar a refrigeração de componentes eletrônicos.

17

1.5.5. Eletroválvulas

Eletroválvulas são válvulas acionadas pelo campo magnético de um solenóide. É

um dos atuadores elétricos mais simples e de emprego mais comum. Somente dois estados

são admitidos neste tipo de componente, a posição aberta permitindo que todo o fluido

passe pela válvula, e a posição fechada, não permitindo que o fluido passe pela válvula.

A válvula solenóide é constituída por uma bobina solenóide fixa em tubo

cilíndrico, em cujo interior desliza um núcleo móvel provido em seu extremo de um

dispositivo que realizará o bloqueio total do fluido [3].

1.5.6. Sensores de temperatura

O controle de temperatura através de sensores eletrônicos é cada vez mais

utilizado, devido a sua facilidade e precisão.

Circuitos integrados com base em transistores de silício podem ser usados para

medir a temperatura. Este tipo de sensores operam geralmente num intervalo de

temperatura que vai desde -55 ºC até mais 150 ºC. Uma das vantagens destes sensores é o

fato de já incluírem processamento de sinal, o que simplifica a sua aplicação prática. Ao

contrario dos termopares não necessitam de uma temperatura de referência, nem de

circuitos de linearização como nos RTDs.

Na figura 1.9 é apresentado o esquema elétrico básico de um sensor de temperatura

inserido em um circuito integrado conhecido por LM35 [7].

Figura 1.9 – Esquema básico de um sensor de temperatura LM35

18

Sabendo-se a equação característica da junção semicondutora pode-se chegar as

seguintes equações:

=

TK

VqI

TK

VqI

I

I

B

BES

B

BES

hC

C

2

1

2

1

.exp.

.exp.

(1.6)

)2/1ln()/(21 ICICqKBTVBEVBE =− (1.7)

1.6. Conclusões

Nesta capítulo foram estudadas e conhecidas diferentes tecnologias com o objetivo de

viabilizar a construção do protótipo. Sabe-se que apenas o conhecimento destas tecnologias

não seria o suficiente para a realização do projeto. Porém como estas estão presentes no

estudo e desenvolvimento, o aprofundamento nas mesmas trouxe um acréscimo,

permitindo aplica-las e utiliza-las de maneira adequada.

Nota-se que as tecnologias estudadas, por trabalharem em baixa tensão contínua,

proporcionam uma boa compatibilidade entre si. Sendo assim, é possível após este estudo,

realizar-se algumas considerações.

Deve-se, acima de tudo, verificar como estas tecnologias serão utilizadas no

protótipo. Suas configurações e a maneira como serão interligadas irão definir o bom

andamento da tarefa.

19

2. Implementação

2.1. Introdução

Na implementação do protótipo proposto, deve-se ter sempre em vista o objetivo

final da aplicação: obter um dispositivo capaz de refrigerar a partir de fontes de energia

disponíveis em ambientes remotos. Além disso, para que tal feito seja realizado, é

necessário que exista uma preocupação quanto à eficiência do processo, da maneira a

aproveitar toda, ou quase toda, energia disponível.

2.2. Diagrama de blocos do sistema

O dispositivo foi estruturado de maneira organizada visando à funcionalidade ou

natureza de cada parte. Assim, é de suma importância para que se tenha uma visão ampla

do mesmo. Na figura 2.1 ilustra-se o diagrama de blocos do sistema, contendo todos os

blocos do protótipo.

Figura 2.1 – Diagrama de blocos da estrutura proposta

Sistema refrigerado

Sensor 1

Dissipador

Refrigeração dissipador

Circuito de

Controle

Célula de Peltier

Eletro-Válvula

Bateria Circuito

Carregador Células

Fotovoltaicas

Sensor 2

20

2.3. Descrição dos blocos do protótipo

É importante que se conheça o funcionamento interno de cada bloco do protótipo.

Sendo assim, neste item serão abordadas as características de cada um dos blocos.

2.3.1. Células fotovoltaicas

Como a utilização do dispositivo será destinada à ambientes remotos, é fundamental

que uma fonte de energia alternativa seja integrada ao processo. Optou-se por implementar

o projeto tomando por fonte energética a célula fotovoltaica.

A utilização da energia fotovoltaica, neste caso, proporciona algo interessante e de

boa adaptação ao sistema, já que a mesma trabalha com corrente contínua e o projeto

desenvolvido utiliza corrente contínua também.

Em seu funcionamento a célula fotovoltaica terá duas funcionalidades: alimentar o

protótipo e carregar a bateria. Este recarregamento da bateria será importante para que a

mesma opere nos momentos de escuridão da célula e durante a noite.

No desenvolvimento do projeto serão utilizados os dois painéis fotovoltaicos já

instalados na parte superior do prédio 30 da Faculdade de Engenharia da PUCRS. Na

figura 2.2 podem ser vistas as células em questão.

Figura 2.2 – Células fotovoltaicas utilizadas no projeto

21

Estão disponíveis atualmente dois painéis fotovoltaicos da Siemens modelo SR50.

Esta célula tem suas características nominais apresentadas na tabela 2.1.

Tabela 2.1 – Características nominais da célula fotovoltaica

I curto circuito 3,20 A

I nominal 2,95 A

V ckt aberto 21,6 V

V nominal 17,0 V

De modo a se obter uma corrente que atenda aos objetivos do projeto, os dois

painéis serão ligados em paralelo, formando um simples arranjo paralelo. Como cada

painel tem uma corrente nominal de 2,95A, a configuração em paralelo a corrente

disponibilizada será de 5,90A. Esta corrente alimentará uma carga de 3,35A em média,

ficando o restante disponível para o carregamento da bateria.

2.3.2. Circuito carregador da bateria

Este circuito terá como responsabilidade adequar à tensão fornecida pela célula

fotovoltaica e aplica-la sobre a bateria e o sistema. O carregador de bateria irá operar

somente nos períodos do dia.

Neste circuito utiliza-se um regulador de tensão 7815. A saída do mesmo é ligado à

base do transistor 2n3055 que é um transistor NPN de potência. Este terá a função de

permitir que uma maior corrente seja drenada para a bateria e o sistema. Na figura 2.3 pode

ser visto o esquema elétrico do carregador.

Figura 2.3 – Esquema elétrico do carregador de bateria

22

A corrente que a carga da bateria recebe precisa ser limitada. Sabe-se que quando

descarregada, a bateria tem uma tensão em torno de 10,5V [11], sendo a corrente drenada

para o seu carregamento mais alta. Com o passar do carregamento, esta corrente vai

diminuindo até assumir a condição de plena carga, quando a mesma atinge 13,7V[11].

O carregador implementado pode ser visto na figura 2.4, e será utilizado em parceira

com a célula fotovoltaica.

Figura 2.4 – Carregador implementado

2.3.3. Bateria

Em geral os sistemas que utilizam células fotovoltaicas empregam um banco de

baterias para que a energia elétrica seja armazenada. Este armazenamento deve ocorrer

pelo fato das células fotovoltaicas, ficarem, muitas vezes, submetidas a momentos de

escuridão durante o dia, ou até mesmo por ficarem inoperantes a noite.

Esta etapa do protótipo é composta de uma bateria comum de +12V. É utilizada,

então, uma bateria de automóvel, devido ao seu baixo custo, boa disponibilidade e

capacidade.

Esta bateria terá a função de alimentar o protótipo durante a noite ou durante os

momentos de escuridão. O protótipo necessita de duas tensões: +12V e +5V.

23

Por se tratar de uma bateria, seu tempo de uso é limitado. Sendo assim, é importante

que a etapa de carregamento esteja funcionando de maneira apropriada, de modo a

proporcionar o recarregamento adequado da bateria em questão.

Na figura 2.5 pode ser observada a bateria de 40Ah utilizada no processo. Esta foi

dimensionada de modo que alimentasse o circuito durante a noite (11 horas). No item 3.5

pode ser observado um balanço do consumo do circuito, justificando assim a escolha desta

bateria.

Figura 2.5 – Bateria utilizada no processo

2.3.4. Circuito de monitoramento, acionamento e ajuste

Nesta etapa se encontra o chamado cérebro do sistema. Atenção especial deve ser

dada a esta etapa, pois é ela que monitora as variáveis consideradas mais importantes,

tomando as decisões dentro do sistema.

Três características e funcionalidades estão presentes nesta etapa: o monitoramento

das variáveis, o acionamento de atuadores e o ajuste da temperatura desejada no ambiente

refrigerado.

O controle de todas estas funcionalidades é regido por um processador. Neste projeto,

foi utilizado o MSC1211 da Texas, conforme pode ser observado na figura 2.6. A

24

programação do processador foi realizada em linguagem assembler, sendo apresentada no

capítulo 5.

Figura 2.6 – Processador MSC 1211

É importante que o usuário do dispositivo possa acompanhar os dados de

temperatura. Sendo assim, foi utilizado um display de LCD de 20x4, ou seja, 20 colunas x

4 linhas. Este display pode ser visto na figura 2.7. Nele serão fornecidos ao usuário dados

de temperatura do ambiente refrigerado e temperatura ajustada.

Figura 2.7 – Visualização dos parâmetros do ambiente refrigerado

25

Além disso, para um acompanhamento da temperatura instantânea no dissipador,

basta apenas o usuário pressionar os dois botões de ajuste ao mesmo tempo. Isto fará com

um novo parâmetro possa ser visualizado na tela, conforme ilustrado na figura 2.8. Ao

liberar os botões este parâmetro novamente desaparece.

Figura 2.8 – Visualização dos parâmetros do dissipador

a) Monitoramento

No processo são utilizados dois sensores de temperatura LM35, conforme pode ser

observado na figura 2.9. Estes sensores são lineares e possuem um fator de escala de +10.0

mV/ºC. São alimentados por +5V e possuem um pino de saída que varia sua tensão

conforme a temperatura a que são submetidos. Os sinais deste pino são, então, emitidos ao

processador. Não se deve esquecer que estes sinais são analógicos, necessitando assim,

passar pelo conversor AD do processador e serem devidamente codificados, para que

possam fornecer uma informação em ºC.

Ocorre no processo, a aquisição da temperatura de dois pontos, considerados de

maior importância. O primeiro é o ambiente refrigerado. Este dado irá permitir que se

tenha a informação da temperatura real do sistema refrigerado. O segundo ponto é a

superfície do dissipador. O monitoramento desta temperatura e a tomada de decisão do

circuito do processador serão de fundamental importância para a eficiência do processo.

26

Figura 2.9 – Sensor LM 35

b) Acionamento

A operação do protótipo é controlada pelo processador. Na realidade ele aciona,

através de dois drivers, dois relés que são acionados com +5V. Estes relés irão acionar a

célula de Peltier (elemento refrigerante), que será descrita no próximo item, e a

eletroválvula que terá a função de liberar o fluido refrigerante do dissipador para o

ambiente. Ambos atuadores serão alimentados diretamente com +12V. Na figura 2.10 é

mostrada a eletroválvula utilizada no sistema, que possui um consumo de 350mA. Trata-se

de uma eletroválvula NF, reduzindo assim o consumo de energia, já que o abertura da

válvula, será apenas em determinados instantes.

Figura 2.10 – Eletroválvula com alimentação 12Vcc

27

c) Ajuste

O sistema implementado possui a característica de se adaptar ao uso a que for

destinado, ou seja, possui um ajuste de temperatura do ambiente refrigerado, que vai de

03,0ºC até 08,0ºC. Para realizar o ajuste desta temperatura foram utilizados dois botões de

fácil manuseio.

2.3.5. Célula de Peltier

Neste sistema o elemento responsável pela refrigeração é uma célula de Peltier. Sua

tecnologia permite um acionamento simples, devido ao fato de não possuir um pico de

corrente que seja considerável no acionamento. A célula, vista na figura 2.11, será

acionada com +12V e quem controlará este acionamento é o processador, através de um

relé, devidamente dimensionado. Com uma corrente de regime em torno de 2,9A, o

dispositivo apresenta um pico de corrente de 5A de duração muito curta, sendo portanto

praticamente desconsiderado.

Figura 2.11 – Célula de Peltier

Sabe-se que o funcionamento da célula se dá a partir da circulação de uma corrente,

de um pólo a outro da célula. Isto faz com que uma de suas faces fique extremamente

quente, e outra extremamente fria. Sendo assim, é importante para a preservação e bom

28

funcionamento deste componente, que seja feita a refrigeração do lado quente. A figura

2.12 ilustra um desenho da estrutura de refrigeração e posição da célula no sistema. Na

junção das faces da célula com o ambiente refrigerado e o dissipador, utilizou-se pasta

térmica para facilitar a absorção de calor. Além disso, uma isolação de borracha foi utiliza

ao redor da célula, de modo a evitar transferências de calor indesejadas.

Figura 2.12 – Estrutura da montagem da célula

2.3.6. Dissipador e seu sistema de refrigeração

Como comentado, para o bom funcionamento de uma célula de Peltier, é necessário

haver uma eficiente dissipação do calor gerado no lado quente da mesma. Nas poucas

aplicações desta tecnologia a solução encontrada para tal problemática é utilizar um

dissipador acoplado juntamente a um cooler, refrigerando-o por ventilação forçada.

Porém neste projeto, buscou-se inovar sobre este método convencional. Dois fatores

estavam em questão: primeiro, o fato de se utilizar um cooler implicava em um gasto a

mais de energia, e em um ambiente remoto isto deverá ser considerado. Segundo, a

tentativa de se buscar uma melhora na eficiência da célula de Peltier, algo que pode ser

realizado com uma boa condução do calor emitido pela face quente da mesma.

Desta forma foi desenvolvido um dissipador simples, e de funcionamento inovador,

ilustrado na figura 2.13. Com as dimensões de 152mm x 183mm x 37mm, de maneira a

Dissipador em alumínio

Ambiente Refrigerado

Lado frio

Lado quente

Célula de Peltier

Isolação de borracha

29

ocupar a maior área permitida pelo invólucro do ambiente e confeccionado em alumínio de

espessura 2mm, ele possui uma entrada na parte superior e uma saída na parte inferior,

sendo completamente oco. Sua espessura foi escolhida sob dois fatores: facilidade de

fabricação e rápida condução do calor ao fluido refrigerante. Nota-se que seu princípio de

funcionamento não seria o mesmo dos dissipadores de sistemas convencionais, onde a

dissipação ocorreria por ventilação.

Figura 2.13 – Dissipador projetado para o sistema

Na realidade, necessitava-se que o calor que a célula retirou do ambiente refrigerado,

através do seu lado frio, e agora estava dissipando na face quente da célula, fosse também

retirado desta face quente de maneira eficiente. Para que tal feito ocorra algo que seja um

bom condutor de calor esteja no interior deste dissipador.

No item 3.4 podem ser observados alguns ensaios e testes realizados. Diversos

fluídos foram testados e ao final, escolheu-se refrigerar o dissipador à água.

Ora, água é facilmente encontrada em ambientes remotos. E, em casos de fácil

disponibilidade, a água poderia circular ininterruptamente sobre a válvula ou então vir de

cisternas, sofrendo um controle através válvula solenóide.

30

2.3.7. Estudo da condução do calor através da água

Tem-se como propósito comparar vantagens da água em relação ao ar, no que diz

respeito à condução do calor. Nota-se que estas comparações, se dão para o fluido parado,

ou seja, o fenômeno que ocorre é somente a condução. Assim, é possível iniciar com a

seguinte pergunta: qual a quantidade de calor recebido por cada um destes fluidos?

Na física, existe uma conhecida formulação que expõe o calor ou quantidade de calor

conforme a equação 2.1, onde Q=quantidade de calor recebido [cal], m=massa [g], c=calor

específico [cal/gºC] e ∆T=Variação de temperatura [ºC].

TcmQ ∆= .. (2.1)

Na prática o dissipador utilizado comporta uma definida quantidade de fluido. Seu

volume interno é 950,25 cm3. A partir deste volume, e sabendo que a massa específica da

água é 1g/cm3 e do ar é 0,0012g/cm3, nas CNTP, pode-se saber a massa de cada um destes

elementos dentro do dissipador.

Tabela 2.2 – Massas de cada fluído dentro do dissipador

Água 950,25 g

Ar 1,1403 g

Sabe-se que o calor específico da água é 1,000 cal/gºC e do ar é 0,240 cal/gºC. Sendo

assim, utilizando a equação 2.1 pode-se chegar a quantidade de calor absorvida por cada

dos fluídos, supondo uma elevação de temperatura de 40ºC, imposta pelo dissipador. Estes

resultados podem ser observados na tabela 2.3.

Tabela 2.3 – Quantidade de calor recebido por cada fluído

Água 38,01 kcal

Ar 0,01095 kcal

Nota-se que o dissipador preenchido com água proporciona uma melhor dissipação

do calor emitido pelo lado quente da célula. Sendo assim, escolheu água para ser o fluido

refrigerante. Além de ser facilmente obtida e não agredir o meio ambiente, esta não sofre

31

nenhum processo de degradação ao passar pelo dissipador, a não ser uma elevação pequena

de temperatura [8].

2.3.8. Sistema refrigerado

O ambiente refrigerado do sistema é constituído por um recipiente de alumínio, nas

dimensões de 198mm x 283mm x 313mm., sendo observado na figura 2.14. As dimensões

não são expressivas, por se tratar de um pequeno protótipo. Como a refrigeração se dá

através da condução do calor, ou seja, o ambiente refrigerado perde calor para a célula, que

perde calor para o dissipador é de altíssima importância que o recipiente não adquira calor.

Desta forma, o ambiente refrigerado é devidamente isolado com um material de baixa

condutibilidade térmica.

Na realização do protótipo não houve uma grande preocupação em dimensionar o

ambiente refrigerado. Além disso, é um pouco complicado realizar um preciso da

quantidade de calor que o ambiente refrigerado irá fornecer para a célula, pois isto depende

do que estará sendo refrigerado. No entanto, uma demonstração teórica entre o calor

perdido pela massa de ar contida dentro do ambiente refrigerado e sua variação de

temperatura pode ser realizada.

Desconsiderando qualquer perda que possa haver no sistema de refrigeração, com o

sistema funcionando, e admitindo-se que a massa de ar do sistema refrigerado esta

perdendo 30 cal, pode-se ter um simples dimensionamento do sistema refrigerado.

Sabendo-se as dimensões do ambiente refrigerado, pode-se dizer que ele tem um

volume de 17538,64cm3, e dentro do mesmo tem-se uma massa de ar de 21g, já que a

massa específica do ar é 0,0012g.

Sendo assim, perdendo 30 cal, a temperatura do ar, dentro do ambiente refrigerado,

diminui de 5,95ºC.

32

Figura 2.14 – Ambiente refrigerado

2.4. Esquema elétrico

Neste momento a abordagem será voltada para o esquema elétrico do protótipo.

Todo o dispositivo funciona em baixa tensão, e em corrente contínua. Na realidade, se trata

da uma junção de uma parte elétrica com uma parte eletrônica digital microprocessada. O

circuito se divide em duas etapas: primeiramente, a etapa de carregamento da bateria, onde

a célula fotovoltaica, em seus períodos de funcionamento, disponibiliza uma tensão ao

regulador linear CC/CC. O mesmo entrega uma tensão à bateria e ao sistema. Na segunda

etapa, encontra-se a parte de controle do processo, onde podem ser incluídos os sensores,

atuadores e o processamento. A figura 2.15 apresenta o esquema elétrico do dispositivo.

33

Figu

ra 2.15 – Esqu

ema e

létrico do sistema

0

VCC

E

AIN3

RX0

KB0

AIN2

0

C8 100n

R5

4k7

VCC VCC

R7470

J3

Entrada 12V

12D6

1N4007

SDA

VCC

P7

KRE6 - Conexão de Saída dos Relés

123456PSE

VCC

RS

10K

POT12

3+ C310u

RST

0

0

C410p

K1

Relé 1

35

412

SW3

L222u

0

SW2

DB5

001 - Leandro de Souza da Silva 00

Dispositivo para refrigeração em Zonas Remotas

A2

1 1

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

VCC

VCC

0

0

C10

100n

PSE

VCC

AIN2

TX0

0

0

R11

12k

0

R17

10R

R1

470

C131u

J5

Entradas dos Sensores

123456

RL1

RST

SCL

0

C6

100n

RSA

KB1

D4LED

RSA

0

D2 ON

0

U5

Display LCD

1

2

3

4

5

6

789

1011121314

1516

GND

VCC

Vo

RS

R/w*

E

D0D1D3D4D5D6D7D8

BL-BL+

0

R61k

0

DB6

Sensor LM 35

C11100n

JP1

PROG

12

D3

1N914

R8470

+

C9 1u

DB7

+

C1947u

C141u

KB0

0

0

RL2

Sensor LM 35

0

0

L1 22u

Q62N3055

1

2

3

DB4

AIN3

U2

X1

11.0592MHz

DB0

RL2

U3MAX232

138

1110

13

4

5

2

6

129

147

16

15

R1INR2IN

T1INT2IN

C+

C1-

C2+

C2-

V+

V-

R1OUTR2OUT

T1OUTT2OUT

VC

C

GND

R124k7

DB5

Eletroválvula

R134k7

0

+C1

100u

VCC

0

VCC

C151u

DAC0

VCC

POW

PRG

U6

24C512 DIP

123

4

56

78

A0A1A2

GND

SDASCL

WPVcc

RS

Q4BC637

2

3

1

RL1

0

DB1

VCC

R9

12k

VCC

JP31 2

+

C71u

DAC0

CéluladePeltier

0

SDA

0

- +

D1

RC207

2

13

4

Q3BC637

2

3

1

VCC

TX0

0

VCC

0

DB4

0

Q2BC548

1

2

3

DB3DB2

C2100n

+C174700u

Q1

BC558

1

2

3

K2

Relé 2

35

412

SCL

0

VCC

R25 1kU2 7815

1 3

2

VIN VOUT

GN

D

DB3

0

D5LED

RX0

PRG

SW1

12

PainéisFotovoltaicos

VCC

P2

DB9

594837261

C121u

DB6

VCC

DB7

C161u

+C18

47u

0

C510p

R24 1k

1514

54

46

19

11

60

42

63

38

25

2

51

4

55

62

23

35

26

22

12

20

43

27

41

8

47

1

29

5

37

61

31

52

17

34

4813

32

18

406

16

24

49

64

56

36

58

59

10

5321

28

33

30

39

3

9

44

7

57

50

45

DVDD15DVDD14

P0.0/AD0

P0.7/AD7

IDAC1/AIN1

DVDD11

P1.3/TXD1

DVDD42

P1.6/INT4/MISO/SDA

P2.4/A12

AIN7/EXTA

XIN

P0.3/AD3

P3.1/TXD0

P1.0/T2

P1.5/INT3*/MOSI

AIN5

P2.1/A09

AINCOM

AIN4

DGND12

VDAC2/AIN2

P2.7/A15

AGND

DGND41

P3.5/T1

P0.6/AD6

XOUT

REF IN-

P3.2/INT0*

P2.3/A11

P1.4/INT2/SS*

VDAC1

P0.2/AD2

VDAC0

P2.0/A08

EA*RST

RDAC1

IDAC0/AIN0

P2.6/A14P3.3/INT1*/TONE/PWM

RDAC0

AIN6/EXTD

P0.5/AD5

P1.7/INT5*/SCLK/SCK

P1.1/T2EX

P2.2/A10

DVDD

P1.2/RXD1

P3.7/RD*

P0.1/AD1VDAC3/AIN3

AVDD

NC

REF OUT/REF IN+

P2.5/A13

P3.0/RXD0

P3.6/WR*

PSEN*/OSCCLK/MODCLK

P3.4/T0

DGND57

P0.4/AD4

ALE

R44k7

0

DB2

0

R210k

0

R3

4k7

KB1

DB0

0

U1

7805

1 3

2

VIN VOUT

GN

D

Bateria

DB1

E

0

34

2.5. Análise de viabilidade econômica

Para que a implementação do protótipo seja algo aplicável, é importante que seja

realizada uma análise de viabilidade econômica do mesmo. Será, então, realizado um

estudo do custo dos itens que compõe o dispositivo, tendo por base o custo de cada um

deles disponível no mercado. Na tabela 2.4 pode ser observado estes valores. Deve-se

salientar, que os valores da eletroválvula, componentes eletrônicos, estrutura do ambiente

refrigerado e confecção do dissipador são aproximados, porém esta aproximação não

modificarão substancialmente o custo final do protótipo.

Tabela 2.4 – Valores dos itens que compõe o protótipo

Item Valor (R$) Quantidade

Célula Fotovoltaica Siemens SR-50 599,85 [12] 2

Célula de Peltier Danvic DV-40-03 78,00 [13] 1

Microprocessador Texas MSC1211 142,24 [14] 1

Display LCD 20x4 86,00 [15] 1

Eletroválvula e demais componentes eletrônicos 80,00 1

Estrutura do ambiente refrigerado e Dissipador 40,00 1

Bateria 100,00 1

Total 1725,94

Nota-se, que o maior custo fica por conta das células fotovoltaicas. Porém, quando

se analisa custos, deve-se pensar não somente no preço, mas também, no que estes custos

serão transformados.

Trata-se de realizar refrigeração em ambientes remotos, com um dispositivo

controlado, onde o usuário monitorará os valores e escolherá em qual temperatura deseja

que o seu dispositivo trabalhe. Além disso, transmitir energia elétrica para ambientes

remotos, através de linhas de transmissão, é algo que possui um custo alto. Assim, pode-se

ter a idéia que, o custo do dispositivo para refrigeração em zonas remotas é algo aceitável.

35

2.6. Conclusões

Após a implementação, alguns fatores importantes são avaliados e analisados de

forma substancialmente definida. Isto possibilita que algumas percepções sejam realizadas

e, muitas vezes, uma análise correta de uma implementação garante a boa continuação do

projeto.

Nota-se que o protótipo desenvolvido, foi projetado para que possuísse uma boa

característica de autonomia, característica esta, que será comprovada através dos testes e

ensaios. É possível perceber, no entanto, que seu funcionamento em ambientes remotos é

algo que pode ser obtido, visto que o sistema foi dimensionado para tanto.

Sua viabilidade e sustentabilidade é um fator de altíssima importância. Sabe-se que,

os painéis fotovoltaicos utilizados duram mais de 25 anos[9]. Sendo assim, será possível

usufruir desta energia durante todo este tempo, e ainda, em diversos lugares, pois estas

células podem ser facilmente instaladas em automóveis.

Além disso, a característica da sua etapa de controle, possuindo uma boa interface

com o usuário e um fácil ajuste, permite avaliar o mesmo de maneira a admitir que sua

viabilidade seja um fator aceitável.

É muito importante também ter a certeza que tudo esta funcionando de maneira

correta ao final da implementação. Isto praticamente irá garantir um início correto da fase

de testes e ensaios, para que se possa ter uma correta finalização do projeto.

36

3. Resultados Experimentais

3.1. Introdução

Em todo o processo e desenvolvimento de um produto é necessário que sejam

realizados ensaios e experimentos, sejam eles antes ou após a finalização do mesmo. Isto

comprova que se esta buscando realizar algo que possua uma funcionalidade adequada.

Sendo assim, neste tópico serão observados alguns fatores práticos do dispositivo, como

montagem e alguns dados técnicos, levantados através de ensaio.

3.2. Montagem

A montagem do dispositivo para refrigeração em zonas remotas é traduzida através

da implementação de um protótipo, onde em princípio fatores estéticos não foram

considerados. Para a implementação do dispositivo foi necessário integrar tecnologias de

ponta, como a célula de Peltier e as células fotovoltaicas.

Na figura 3.1 pode ser observado a montagem da parte eletrônica do processo de

controle. Todo o circuito foi colocado dentro de um invólucro plástico que será acoplado

ao ambiente refrigerado.

37

Figura 3.1 – Montagem da parte eletrônica de microprocessamento

3.3. Formas de onda

Desde o início da realização do projeto, a escolha da célula de Peltier apresentou

vantagem no fato de não possuir um alto pico e longo de corrente no início do seu

funcionamento, além de funcionar em corrente contínua. O pico de corrente apresentado é

compatível com as fontes de energia elétrica utilizadas no projeto.

Na figura 3.2 é ilustrado o transitório de corrente da célula de Peltier desde o seu

acionamento até o regime permanente, sob as condições de temperatura da figura 3.3.

Observa-se que pico inicial de 5A tem a duração aproximada de 1s, caindo rapidamente

para a faixa de 3A.

38

0

1

2

3

4

5

6

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Tempo [min]

Cor

rent

e (A

)

Figura 3.2 – Gráfico da Variação de corrente X tempo da célula de Peltier

3.4. Medições de temperatura e ensaios

Um dos fatores mais importantes na implementação foi a escolha do fluido

refrigerante do dissipador. Na realização do anteprojeto (fase que antecede a realização do

projeto), foi sugerida a utilização de nitrogênio para refrigerar o dissipador. Havia a

intenção de utilizar nitrogênio líquido para realizar esta função. Após estudos e uma maior

informação desta possível solução surgiu uma grande problemática: o nitrogênio líquido (-

196ºC) ao receber calor iria evaporar, passando do estado líquido para o gasoso, desta

forma expandindo o seu volume. Até este ponto nenhum problema. Porém, quando

utilizado dentro do dissipador projetado para o sistema, a vazão do gás poderia ser

insuficiente, gerando assim uma pressão excessiva dentro do dissipador. Obviamente, isto

poderia gerar danos grandes e bastante problemáticos.

O segundo passo nos testes para fluido de dissipador, foi tentar utilizar gás

nitrogênio, controlando a sua pressão na entrada do dissipador. Isto garantiria uma

39

segurança ao sistema. Porém, sua eficiência de refrigeração era baixíssima, e o ensaio

precisou ser interrompido, de maneira a não acarretar em danos à célula.

Do mesmo modo, tentou-se realizar esta refrigeração utilizando-se ar comprido, e

mesmo com uma troca constante do ar contido no dissipador, a eficiência foi também

muito ruim.

Todos estes problemas moveram as pesquisas para a procura e definição de um novo

fluido para o dissipador. Após algumas pesquisas e testes, chegou-se ao excelente fluido

refrigerador: a água. Ora, esta descoberta trouxe somente vantagens, como por exemplo:

água pode ser encontrada em muitos lugares. Além disso, um estudo mais direcionado

poderia criar algo que aproveitasse este calor e aquecesse água para fins diversos.

Na figura 3.3 pode ser observado o gráfico da variação a temperatura do ambiente

refrigerado x tempo, utilizando-se água como fluido refrigerante do dissipador.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Tempo [min]

Tem

pera

tura

[ºC

]

Figura 3.3 – Gráfico da Temperatura do ambiente refrigerado X Tempo

40

3.5. Autonomia de funcionamento

Uma das propostas fundamentais deste trabalho é que o dispositivo ofereça

autonomia razoável, por ser utilizado em ambientes remotos. Sendo assim, foi realizada

uma análise de sustentabilidade do sistema, no qual avaliou sua autonomia de

funcionamento.

a) Circuito operando a noite

O sistema neste período fica dependente apenas da bateria, sendo que a mesma

possui carga muito próxima da nominal, sendo que foi carregada durante todo o dia. A

bateria utilizada no sistema é de 40Ah, ou seja, ela pode fornecer até 40A em uma hora.

Em contrapartida as cargas significativas são: a célula de Peltier e a operação descontínua

(em alguns períodos) da eletroválvula.

Sabe-se que o consumo da célula de Peltier em regime (tempo de pico é desprezível)

é 3A e o consumo da eletroválvula é de 350mA, porém esta funciona somente em curtos

períodos (em média a cada 10 minutos, durante 1 minuto). Isto indica um consumo médio

de 3,35A. Desta forma, considerando que a bateria pode fornecer até 40Ah, o sistema pode

operar até 11 horas, durante a noite.

a) Circuito operando durante o dia

Neste período as células fotovoltaica deverão atender a seguinte carga: célula de

Peltier e eletroválvula, ficando o restante da potência das mesmas disponíveis para o

carregamento da bateria. Com as células fotovoltaicas ligadas em paralelo, há uma

disponibilização de corrente de 6A. Considerando um consumo de 3,35A do circuito,

restam em torno de 2,7A para carregar a bateria.

3.6. Conclusões

Os testes e ensaios realizados não somente comprovam o bom funcionamento de um

sistema, muito pelo contrário, estes procedimentos, na maioria dos casos, detectam pontos

frágeis do funcionamento e desempenho do mesmo. Na prática, isto pôde ser visto, uma

41

vez que, neste sistema problemas de concepção foram identificados e modificados no

período de testes e ensaios. É o caso do fluido refrigerante do dissipador, onde somente

nesta fase foi verificado o bom desempenho da água.

Além disso, este período é muito importante pois, proporciona a oportunidade de

fazer um levantamento das características reais do dispositivo.

42

4. Conclusão Geral

A busca por um dispositivo que solucione a problemática da refrigeração em

ambientes remotos trará, gradativamente, novas e melhores soluções que serão pesquisadas

e implementadas.

Sabe-se que existem estudos visando novas tecnologias e o aperfeiçoamento de

técnicas já existentes, e os resultados tem sido cada vez melhores. Porém, o propósito deste

estudo focou um ponto diferente.

Neste projeto o enfoque principal foi unir diversas tecnologias, sendo elas elétricas

ou térmicas e, a partir desta junção, buscar a configuração que alcance uma maior

eficiência. A utilização de novas tecnologias como a refrigeração eletrônica com células de

Peltier não vem apresentada como a solução de todos os problemas, porém um estudo com

o objetivo de aumentar sua eficiência é enfatizado e levado em conta, tornando-se um dos

principais desafios deste projeto.

Constatou-se, principalmente após a implementação que, este projeto conseguiu

atingir alguns objetivos esperados. Primeiramente, o objetivo de realizar um bom controle,

com uma boa interface para o usuário foi alcançado. Além disso, os testes dos diversos

fluidos refrigerantes do dissipador revelaram uma nova maneira de refrigerar dissipadores

de célula de Peltier, a água. Maneira esta, que ao mesmo tempo de economiza energia, não

agride o ambiente, atuando de maneira ecológica. Outro ponto importante foi a utilização

da célula fotovoltaica, pois, além de ser uma fonte energética de ponta, se adaptou muito

bem ao processo.

43

5. Anexos

Como já foi citado, utilizou-se um processador MSC1211 da Texas para realizar a

parte de processamento do sistema. Abaixo, segue a listagem do programa realizado em

linguagem assembler. Nota-se que, ao fim deste programa, existem alguns arquivos de

“include”. Estes arquivos não serão apresentados, de modo a resumir a exposição do

programa. Outro ponto importante a ser salientado, é o seguinte: dentro do código fonte a

linha que possuir o “;”, será comentada partir do símbolo.

; **** DPREZR4*.ASM ******************************* **************************

; ** Descrição: Dispositivo para refrigeração em zonas remotas – DPREZR **

; ** Data: 02/11/2006 **

; ** �ímbol: 1.0 **

; ** Ultima �ímbolo��ão em: 02/11/2006 **

; ************************************************* ***by [Leandro Silva] *********

$MOD51

PWMCON NÃO 0A1H

PWMLO NÃO 0A2H

PWMHI NÃO 0A3H

PDCON NÃO 0F1H

DACSEL NÃO 0B7H

DACH NÃO 0B6H

DACL NÃO 0B5H

ADMUX NÃO 0D7H

ADRESL NÃO 0D9H

ADRESM EQU 0DAH

ADRESH EQU 0DBH

ADCON0 EQU 0DCH

ADCON1 EQU 0DDH

ADCON2 EQU 0DEH

ADCON3 EQU 0DFH

ACLK NÃO 0F6H

AIE NÃO 0A6H

_FE NÃO 1 ; FUNDO DE ESCALA = 5V !!

44

;****Declaração dos pinos que acionam os relés*****

RELE1 NÃO P1.1

RELE2 NÃO P1.0

; *** Definições ********************************** ***************************

CS EQU P2.0

CLK EQU P2.1

DOUT NÃO P2.2

; *** Declarações de Variáveis *****************333 3****************************

; ************************************************* *************************

; Exemplo de Declaração de Variáveis

;

CONTADOR EQU 7FH

TICK_TACK EQU 7EH

; *** Vetor de Reset ****************************** **************************

; ************************************************* ***** �ímbolo�: 0000H ***

;

ORG 0000H

LJMP PRINCIPAL

; *** Vetor da INT0 ******************************* *************************

; ************************************************* ***** �ímbolo�: 0003H ***

;

ORG 0003H

RETI

; *** Vetor do Timer 0 **************************** *************************

; ************************************************* ***** �ímbolo�: 000BH ***

;

ORG 000BH

RETI

; *** Vetor da INT1 ******************************* *************************

; ************************************************* ***** �ímbolo�: 0013H ***

;

ORG 0013H

RETI

; *** Vetor do Timer 1 **************************** *************************

; ************************************************* ***** �ímbolo�: 001BH **

ORG 001BH

RETI

45

; *** Vetor da Porta Serial *********************** ****************************

; ************************************************* ***** �ímbolo�: 0023H ***

;

ORG 0023H

RETI

; *** PROGRAMA PRINCIPAL ************************** *************************

; ************************************************* *****************************

PRINCIPAL: LCALL MSG_INICIAL ;Título “Auto Refrigerador”

LCALL MSG_T_ATUAL ;Mensagem “Temp. Atual”

LCALL MSG_T_SET ; Mensagem “Temp. Ajuste”

LCALL INICIA_AJUSTE

LCALL COND_INI_RELE

LCALL CONVAD

;* Rotinas de impressão**************************** *******************************

;************************************************** ****************************

MSG_INICIAL: LCALL INITLCD

MOV A,#1

LCALL MOVCUR1

MOV DPTR,#STRING1

LCALL WRSTR

LCALL CURHIDE

RET

MSG_T_ATUAL: MOV A,#0

LCALL MOVCUR3

MOV DPTR,#STRING2

LCALL WRSTR

LCALL CURHIDE

RET

MSG_T_SET: MOV A,#0

LCALL MOVCUR4

MOV DPTR,#STRING3

LCALL WRSTR

LCALL CURHIDE

RET

;* Rotinas de impressão da temperatura**************************************

;************************************************** *************************

;_Sensor 3 Ambiente Refrigerado

CONVAD: LCALL INITADC3

LCALL LE_AJUSTE

46

LOOPAD: LCALL RETORNA

LCALL READAD8bits

MOV B,#1

DIV AB

LCALL FLOAT8BITS

LCALL COMP_ACIONA ;rotina de comparação e acionamento

LJMP CONVAD1 ;da célula de peltier

;_Sensor 2 Dissipador_______________________________________________________

CONVAD1: LCALL INITADC2

LOOPAD1: LCALL RETORNA2

LCALL READAD8bits

MOV B,#1

DIV AB

LCALL FLOAT8BITS_D

LJMP CONVAD

RETORNA: MOV A,#14 ; faz o cursor retornar para a

LCALL MOVCUR3 ; �ímbolo inicial

RET

RETORNA2: LCALL PRINT_TITULO ; imprime �ímbolo inicial

MOV A,#14

LCALL MOVCUR2

RET

;* Rotinas de inicialização do AD2 e AD3 e leitura destas entradas. *********************

;************************************************** *************************

INITADC2: MOV PDCON,#37H ; Esta rotina inicializa o canal 2

MOV ACLK,#0AH ; do conv AD

MOV ADCON3,#06H

MOV ADCON2,#22H

MOV ADMUX,#2FH

MOV ADCON0,#31H

MOV ADCON1,#41H

RET

INITADC3: MOV PDCON,#37H ; Esta rotina inicializa o canal 3

MOV ACLK,#0AH ; do conv AD

MOV ADCON3,#06H

MOV ADCON2,#22H

MOV ADMUX,#3FH

MOV ADCON0,#31H

MOV ADCON1,#41H

RET

47

READAD8bits: LCALL READADCL ; �í e descarta 3x

LCALL READADCL

LCALL READADCL

LCALL READADCH ; �í 8 bits mais significativos

RET

READADCL: MOV A,AIE

ANL A,#20H

CJNE A,#20H,READADCL

MOV A,ADRESL

MOV AIE,#00H

RET

READADCH: MOV A,AIE

ANL A,#20H

CJNE A,#20H,READADCH

MOV A,ADRESH

MOV AIE,#00H

RET

;* Rotina de codificação, impressão da temperatura do ambiente refrigerado**************

;************************************************** *************************

FLOAT8BITS: MOV B,#_FE

MUL AB

PUSH ACC

MOV A,B

MOV R7,#2

LOOPFLOAT_X: POP ACC ;Imprime dezena e unidade

MOV B,#10

MUL AB

PUSH ACC

MOV A,B

LCALL PRINTASCII

LCALL ARMAZENA ; Armazena os dois primeiros caracteres

DJNZ R7,LOOPFLOAT_X

LCALL PRINT_POINT ;imprime ponto

POP ACC

MOV B,#10

MUL AB

PUSH ACC

MOV A,B

LCALL PRINTASCII

LCALL ARMAZENA_2 ; Armazena o último caracter

LCALL PRINT_SIMBOL ;imprime “º”

LCALL PRINT_C ;imprime “C”

48

POP ACC

RET

ARMAZENA: CJNE R7,#1,ARMAZENA_1

MOV 25H,A ;Armazena o 2º caracter em 25h

RET

ARMAZENA_1: MOV 26H,A ;Armazena o 1º caracter em 26h

RET

ARMAZENA_2: MOV 24H,A ;Armazena 0 3º caracter em 24h

RET

;* Rotinas para imprimir ponto, �ímbolo de grau e c “ºC”, e os números em código ASC II***

;************************************************** *************************

PRINT_POINT: MOV A,#’.’

LCALL WRCHAR

RET

PRINT_SIMBOL: MOV A,#11011111b

LCALL WRCHAR

RET

PRINT_C: MOV A,#’C’

LCALL WRCHAR

RET

PRINTASCII: ADD A,#’0’ ; Converte um número 0..9 em ASCII

LCALL WRCHAR ; Envia para o LCD

RET

;* Rotinas para ajuste da temperatura através dos botões******************************

;************************************************** *************************

INICIA_AJUSTE: MOV R3,#7DH ;Parâmetro inicial da posição do ajuste

MOV A,#14

LCALL MOVCUR4

MOV A,R3

MOV DPTR,#TABELA3

MOV R2,#6

LCALL WRSTR2

LCALL PRINT_SIMBOL

LCALL PRINT_C

RET

LE_AJUSTE: MOV A,R3

JNB KB1,CONFERE_KB0

JNB KB0,CONFERE_KB1

49

MOV R3,A

RET

CONFERE_KB0: JB KB0,INCRE_AJUSTE

RET

CONFERE_KB1: JB KB1,DECRE_AJUSTE

RET

INCRE_AJUSTE: CJNE R3,#0FFH,INCREMENTA

RET

INCREMENTA: INC A

INC A

INC A

INC A

INC A

MOV DPTR,#TABELA3

LCALL PRINT_AJUSTE

RET

DECRE_AJUSTE: CJNE R3,#00H,DECREMENTA

RET

DECREMENTA: DEC A

DEC A

DEC A

DEC A

DEC A

MOV DPTR,#TABELA3

LCALL PRINT_AJUSTE

RET

PRINT_AJUSTE: MOV R3,A

MOV A,#14

LCALL MOVCUR4

MOV A,R3

MOV R2,#6 ;Registrador auxiliar para armazenar caracteres

LCALL WRSTR2

LCALL PRINT_SIMBOL

LCALL PRINT_C

RET

WRSTR2: MOV A,R3

MOVC A,@A+DPTR ;Verifica se chegou o fim de string

CJNE A,#0,WRSTRING2 ;Testa Marcador (/n = 0) chegou!!!

RET

WRSTRING2:

LCALL WRCHAR ; Senão, escreve caracter

LCALL ARMAZE_AJUSTE ; Empurra os caracteres para a pilha

INC DPTR ; Incrementa o ponteiro

DJNZ R2,WRSTR2 ; repete escrita até terminar

50

ARMAZE_AJUSTE: CJNE R2,#6,ARMAZE_2

MOV 23H,A ;Armaz. O 1º carac. Do ajuste em 23h

RET

ARMAZE_2: CJNE R2,#5,ARMAZE_3


RET

ARMAZE_3: CJNE R2,#4,ARMAZE_4


RET

ARMAZE_4: CJNE R2,#3,SAI_ARMAZE


SAI_ARMAZE: RET

;* Rotinas de comparação e acionamento do relé do ambiente refrigerado****************

;************************************************** *************************

COMP_ACIONA: LCALL COMP_DEZE

RET

COMP_DEZE: MOV A,26H

SUBB A,23H

ADD A,#’0’

CJNE A,#’0’,COMP_DEZE1

LCALL COMP_UNID

RET

COMP_DEZE1: CJNE A,#’1’,COMP_DEZE2

LCALL ACIONA

RET

COMP_DEZE2: LCALL ACIONA

RET

COMP_UNID:

MOV A,25H

SUBB A,22H

ADD A,#’0’

CJNE A,#’0’,COMP_UNID1

LCALL COMP_DECI

RET

COMP_UNID1: CJNE A,#’1’,COMP_UNID2

LCALL ACIONA

RET


LCALL ACIONA

RET


LCALL ACIONA

51

RET


LCALL ACIONA

RET


LCALL ACIONA

RET


LCALL ACIONA

RET


LCALL ACIONA

RET


LCALL ACIONA

RET

COMP_UNID9: CJNE A,#’9’,NÃO_ACIONA

LCALL ACIONA

RET

COMP_DECI: MOV A,24H

SUBB A,20H

ADD A,#’0’

CJNE A,#’0’,COMP_DECI1

LCALL NÃO_ACIONA

RET

COMP_DECI1: CJNE A,#’1’,COMP_DECI2

LCALL ACIONA

RET


LCALL ACIONA

RET


LCALL ACIONA

RET


LCALL ACIONA

RET


LCALL ACIONA

RET


LCALL ACIONA

RET


LCALL ACIONA

RET


LCALL ACIONA

RET

52

COMP_DECI9: CJNE A,#’9’,NÃO_ACIONA

LCALL ACIONA

RET

ACIONA: SETB RELE1

RET

NÃO_ACIONA: CLR RELE1

RET

;* Rotinas de condiução inicial do relé do ambiente refrigerado************************

;************************************************** *************************

COND_INI_RELE: CLR RELE1

CLR RELE2

RET

;* Rotina de codificação da temperatura do dissipador********************************

;************************************************** *************************

FLOAT8BITS_D: MOV B,#_FE

MUL AB

PUSH ACC

MOV A,B

MOV R7,#2

LOOPFLOAT_X_D: POP ACC ;Imprime dezena e unidade

MOV B,#10

MUL AB

PUSH ACC

MOV A,B

ADD A,#’0’

LCALL ARMAZENA_D ; Armazena os dois primeiros caracteres

SUBB A,#’0’

LCALL PRINCAD

DJNZ R7,LOOPFLOAT_X_D

LCALL PRINT_POINT_D ;imprime ponto

POP ACC

MOV B,#10

MUL AB

PUSH ACC

MOV A,B

ADD A,#’0’

LCALL ARMAZENA_D2 ; Armazena o último caracter

SUBB A,#’0’

LCALL PRINCAD

LCALL COMPARA_D

53

LCALL SIMBOL_D ;imprime “º”

LCALL PRINT_C_D ;imprime “C”

POP ACC

RET

ARMAZENA_D: CJNE R7,#1,ARMAZENA_D1

MOV 28H,A ;Armazena o 2º caracter em 28h

RET

ARMAZENA_D1: MOV 29H,A ;Armazena o 1º caracter em 29h

RET

ARMAZENA_D2: MOV 27H,A ;Armazena 0 3º caracter em 27h

RET

;* Rotina de impressão dos dados do dissipador. Para visualizar estes dados***************

;*pulsar os dois botões ao mesmo tempo!!! *

;************************************************** *************************

PRINT_TITULO: JNB KB1,PRINT_TITULO2

MOV A,#0

LCALL MOVCUR2

MOV DPTR,#STRING4

LCALL WRSTR

RET

PRINT_TITULO2: JNB KB0,PRINT_TITULO3

RET

PRINT_TITULO3: MOV A,#0

LCALL MOVCUR2

MOV DPTR,#STRING5

LCALL WRSTR

RET

PRINCAD: JNB KB1,PCD

MOV A,#’ ‘

LCALL WRCHAR

RET

PCD: JNB KB0,PCD2

RET

PCD2: LCALL PRINTASCII

RET

PRINT_POINT_D: JNB KB1,PRINT_POINT2

MOV A,#’ ‘

LCALL WRCHAR

RET

PRINT_POINT2: JNB KB0,PRINT_POINT3

RET

PRINT_POINT3: LCALL PRINT_POINT

RET

54

SIMBOL_D: JNB KB1,SIMBOLD2

MOV A,#’ ‘

LCALL WRCHAR

RET

SIMBOLD2: JNB KB0,SIMBOLD3

RET

SIMBOLD3: LCALL PRINT_SIMBOL

RET

PRINT_C_D: JNB KB1,PRINT_C2

MOV A,#’ ‘

LCALL WRCHAR

RET

PRINT_C2: JNB KB0,PRINT_C3

RET

PRINT_C3: LCALL PRINT_C

RET

;* Rotina de comparação e acionamento do relé 2, que aciona a válvula do ***************

;*dissipador. Valor determinado para acionar a válvula= 19,0ºC. *

;************************************************** *************************

COMPARA_D: MOV A,29H

CJNE A,#’0’,D1

LCALL TRANCA_GAS

RET

D1: CJNE A,#’1’,D_SAI

LCALL COMPARA_D2

RET

D_SAI: LCALL LIBERA_GAS

RET

COMPARA_D2: MOV A,28H

CJNE A,#’9’,D2_SAI

LCALL COMPARA_D3

RET

D2_SAI: LCALL TRANCA_GAS

RET

COMPARA_D3: MOV A,27H

CJNE A,#’0’,D3_SAI

LCALL TRANCA_GAS

RET

D3_SAI: LCALL LIBERA_GAS

RET

55

LIBERA_GAS: CLR RELE2

RET

TRANCA_GAS: SETB RELE2

RET

; *** ARQUIVOS DE INCLUSAO ************************ *************************

; ************************************************* *****************************

; Exemplos de declaração de Arquivos de Inclusão!!!

; OBS.: Descomente as linhas de comando, caso queira utilizar

; as bibliotecas listadas abaixo.

;

$INCLUDE(DELAY2.INC)

$INCLUDE(LCD2.INC)

$INCLUDE(KEYB2.INC)

$INCLUDE(TABELAF.INC)

;$INCLUDE(CONVERT2.INC)

;$INCLUDE(AD_DA2.INC)

; *** TABELAS, CONSTANTES, STRINGS **************** *************************

; ************************************************* *****************************

;

TABELA: DB 0,1,2,3

TABELA2: DB 0AH,34H,0FCH,0AAH

STRING1: DB ‘Auto Refrigerador’,0

STRING2: DB ‘Temp. Atual ‘,0

STRING3: DB ‘Temp. Ajuste ‘,0

STRING4: DB ‘ ‘,0

STRING5: DB ‘Dissipador’,0

END

56

6. Referências Bibliográficas

[1] http://www.myspace.eng.br/tec/div1/peltier1.asp#princ

[2] MESSENGER, Roger e VENTRE, Jerrry. Photovoltaic Systems Engineering. Boca

Raton: CRC Press, 2000.

[3] Serie Mundo electrónico. Electrónica y automática industriales I. Barcelona:

Marcombo S.A., 1986.

[4] http://enciclopedia.tiosam.com/enciclopedia/enciclopedia.asp?title=Nitrog%C3%AAnio#

Caracter.C3.ADsticas_principais

[5] Wiley, John e Sons. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. Rio de Janeira: LTC,

1998.

[6] http://www.hsdissipadores.com.br/tecnologia.asp

[7] http://www.deei.fct.ualg.pt/Inst/lab02.pdf

[8] http://physics.csustan.edu/HowThingsWork/Topics/Refrigerator/specificheat.htm

[9] http://www.a1solar.co.uk/sr50_sr50z.html

[10] http://www.cresesb.cepel.br/tutorial/tutorial_solar.pdf

[11] http://www.nea.ufma.br/acervo/uploads/Fabio_CLAGTEE.pdf

[12] http://www.solar-tec.com/SiemensSolarModules.htm

[13] http://www.efeitopeltier.com.br

[14] http://www.farnell.com.br

[15] http://www.severoroth.com.br

estudo e implementação de dispositivo para refrigeração em...

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