UNICEP - CENTRO UNIVERSITÁRIO CENTRAL PAULISTA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO

CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO

PROTÓTIPO DE UM CARREGADOR DE BATERIA DE DISPOSITIVOS MÓVEIS QUE UTILIZA FONTE DE

ENERGIA SUSTENTÁVEL

Keite Aparecida de Souza

Keite Aparecida de Souza

PROTÓTIPO DE UM CARREGADOR DE BATERIA DE DISPOSITIVOS MÓVEIS QUE UTILIZA FONTE DE

ENERGIA SUSTENTÁVEL

Trabalho de conclusão de curso de graduação apresentado à UNICEP como parte dos requisitos para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia de Computação sob a orientação da profa.Dra. Cristhiane Gonçalves.

São Carlos 2016

Aos meus pais.

AGRADECIMENTOS

Dedico esta, bеm como todas аs minhas demais conquistas, аоs meus amados pais Sebastião е Isabel, pois confiaram em mim e me deram apoio para que eu pudesse concretizar mais essa etapa em minha vida. À minha irmã Amanda, por todo o carinho e apoio de sempre, que me proporcionou momentos agradáveis que me faziam esquecer minhas ansiedades e angústias. À minha irmã Milene (in memoriam), quе infelizmente não pode estar presente neste momento feliz em minha vida, mas não poderia deixar de dedicar a ela, pois sempre teve paciência comigo, entendendo minha ausência e minhas mudanças de humor repentinas, por sua amizade e cumplicidade. À minha orientadora Cristhiane, pela sua paciência, seus ensinamentos, pela amizade e por ser exemplo ao longo da caminhada. Aos meus professores, pelos ensinamentos e todo o apoio que me deram diante das minhas dificuldades durante toda a graduação.

“Conhecimento não é aquilo que você sabe, mas o que você faz com aquilo que você sabe”.

Aldous Huxley “É preciso diminuir a distância entre o que se diz

e o que se faz. Até que num dado momento, a tua fala seja a tua prática”.

Paulo Freire

SUMÁRIO

LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS ....................................................... 7 LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................... 8 LISTA DE TABELAS ............................................................................................................... 9 RESUMO................................................................................................................................. 10 1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 13

1.1.1 Justificativa ................................................................................................................ 14 1.1.2 Objetivo ..................................................................................................................... 15 1.1.3 Metodologia ............................................................................................................... 16

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .......................................................................................... 17 2.1 História dos painéis fotovoltaicos ................................................................................. 17 2.2 Radiação solar ............................................................................................................... 19 2.3 Radiação solar a nível de solo ...................................................................................... 19 2.4 Células solares .............................................................................................................. 20 2.5 Princípio de funcionamento .......................................................................................... 20 2.6 Tipos de células ............................................................................................................. 21 2.7 Módulos fotovoltaicos .................................................................................................. 23

2.7.1 Características dos módulos fotovoltaicos ......................................................... 24 2.7.2 Instalação dos módulos fotovoltaicos ................................................................. 24 2.7.3 Limpeza dos módulos fotovoltaicos ................................................................... 24

2.8 Regulador de tensão ...................................................................................................... 25 3. IMPLEMENTAÇÃO ......................................................................................................... 26

3.1 Circuito carregador ....................................................................................................... 27 3.2 Dimensionamento do resistor ....................................................................................... 28 3.3 Dimensionamento do regulador de tensão .................................................................... 28 3.4 Dimensionamento do painel fotovoltaico ..................................................................... 28 3.5 Testes ............................................................................................................................ 31

4. CONCLUSÃO..................................................................................................................... 33 5. REFERÊNCIAS BIBLIOFRÁFICAS .............................................................................. 34 ANEXO .................................................................................................................................... 35 APÊNDICE ............................................................................................................................. 36 GLOSSÁRIO .......................................................................................................................... 39

LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS

A – Ampère ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas DC – Direct Current (Corrente Contínua) EVA – Etil Vinil Acetato Imp – Corrente máxima de pico Isc – Corrente de curto-circuito LED – Diodo emissor de luz Pmax – Máxima potência Usb – Universal Serial Bus Vmp – Tensão máxima de pico Voc – Tensão de circuito aberto Ω – Ohm

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Diagrama de blocos do projeto .............................................................................. 13 Figura 2 – Silício Monocristalino ........................................................................................... 22 Figura 3 – Constituição do módulo solar ................................................................................ 23 Figura 4 – Circuito carregador ................................................................................................ 27 Figura 5 – Gráfico de medição do painel solar ....................................................................... 30 Figura 6 – Circuito carregador finalizado ............................................................................... 30 Figura 7 – Mochila pronta ....................................................................................................... 29

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Medidas de tensão de saída do painel solar ........................................................... 29 Tabela 2 – Teste de funcionamento do circuito carregador utilizando o painel solar ............. 32

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RESUMO

O consumo de energia elétrica tem aumentado incessantemente, efeito causado pelo aumento da população e sem dúvida pelo crescimento acelerado da tecnologia, que proporciona maior qualidade de vida para essa mesma população.

As fontes geradoras de energia elétrica podem ser renováveis, como a eólica, solar, biomassa e hidráulica, e podem também ser não renováveis como os combustíveis fósseis e a energia nuclear. A matriz energética nacional é baseada na energia produzida a partir do potencial hidráulico. O crescimento da demanda aponta para a necessidade da procura de novas fontes de energia, como as fontes renováveis citadas anteriormente. Dentro desse contexto, a energia solar é uma excelente alternativa, visto que o Brasil é um país com grande insolação, permitindo o uso da energia solar térmica e da energia solar fotovoltaica. Neste projeto, será utilizada a energia solar fotovoltaica na forma de energia elétrica. A energia solar fotovoltaica tem a grande virtude de ser uma energia totalmente limpa, além da vantagem de ter poucas restrições quanto aos sítios de instalação (quando comparada com outras formas de energia), podendo ser instalada em grandes parques geradores ou em domicílios, independente de sua localização.

A proposta deste trabalho é apresentar uma forma de utilizar a energia solar de forma simples, para carregar as baterias de dispositivos móveis.

O projeto do carregador de dispositivos portáteis não exige nenhum tipo de reforma no ambiente a ser utilizado, pode ser utilizado em qualquer lugar e também contribui para a economia no consumo doméstico de energia elétrica, pois este projeto pode ainda ser aproveitado para outros equipamentos eletrônicos, basta fazer as adaptações necessárias.

Neste projeto, ele será implantado em uma mochila como uma proposta de uso. Palavras-chaves: Energia Solar. Fonte de energia renovável. Sustentabilidade.

Carregador de dispositivos portáteis, Mochila com carregador.

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ABSTRACT

The electricity consumption is growing steadily, effect caused by increased population and undoubtedly the rapid growth of technology, which provides higher quality of life for the same population.

The electricity generating sources can be renewable, such as wind, solar, biomass and hydro, and can also be non-renewable and fossil fuels and nuclear power. The national energy matrix is based on energy produced from our hydroelectric potential. The growth in demand points is related to the need to seek new sources of energy, such as renewable sources cited above. In this context, solar energy is an excellent alternative, as Brazil is a country with great sunshine, allowing the use of solar thermal energy and photovoltaic solar energy. In this project, we will use photovoltaic solar energy in the form of electricity. Photovoltaic solar energy has the great virtue of being a totally clean energy, plus the advantage of having few restrictions on installation sites (compared to other forms of energy) and can be installed in large generators parks or in households, regardless of your location.

The purpose of this paper is to present a way to use solar energy in a simple way to charge the batteries of mobile devices.

The project portable device charger does not require any kind of reform in the environment being used, can be used anywhere and also contributes to the economy in the domestic consumption of electricity, for this project can also be used for other electronic equipment, just make the necessary adjustments.

In this project, it will be deployed in a backpack as a proposed use. Keywords: Solar energy; renewable energy source; sustainability; charger portable

devices; backpack charger.

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1 INTRODUÇÃO

O Brasil vem sofrendo uma crise energética severa, devido à falta de planejamento e também pela seca provocada pela falta de chuvas. Além disso, a evolução tecnológica e o estilo de vida da população tem exigido um consumo significativamente maior de energia elétrica, uma vez que são muitos os equipamentos que ficam ligados na rede de energia durante o dia todo. Ao mesmo tempo, a popularização das tecnologias relacionadas à era digital, a maioria da população fica 24 horas conectada à internet, seria inviável para essa população mudar totalmente seus hábitos, mas devido ao problema de fornecimento de energia, será necessário repensar a respeito e realizar mudanças.

Uma alternativa para reduzir o consumo é a utilização de energia “limpa” proveniente de recurso renovável e dentro desse contexto, a energia solar vem ganhando cada vez mais espaço, pois está disponível para toda a população, e o Brasil é um país com geografia e localização favoráveis para esse sistema, tem fortes irradiações solares por todo o território.

O avanço tecnológico vem trazendo inovações na fabricação de produtos para sistemas de energia solar contribuindo para que o preço se torne acessível no futuro.

A radiação solar juntamente com outros recursos secundários de alimentação, é responsável por grande parte da energia renovável disponível na terra, mas apenas uma minúscula fração da energia solar disponível é utilizada. Sua utilização é de altíssima importância para que haja um mundo ecologicamente equilibrado.

Nesse projeto será apresentado o conceito da tecnologia utilizada nos sistemas fotovoltaicos.

Será demonstrada a utilização de um painel fotovoltaico para a construção de um carregador de bateria de smartphone, como uma alternativa para reduzir o consumo de energia elétrica e que se for adaptada adequadamente, a ideia poderá ser empregada para alimentar outros equipamentos dentro da residência.

O painel fotovoltaico transforma a energia solar em energia elétrica, auxiliado por uma bateria interna, necessária para evitar problemas de carga quando não houver luz solar suficiente, um controlador de carga para supervisionar a carga e descarga da bateria interna e, finalmente, um circuito regulador de tensão que controla a tensão proveniente dos painéis solares ou da bateria interna para a tensão exigida pelo smartphone.

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O diagrama de blocos na Figura 1 mostra a implementação do projeto.

Figura 1– Diagrama de blocos do projeto

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1.1 JUSTIFICATIVA

Devido à crise energética sofrida no país e às constantes evoluções tecnológicas, é necessário pensar em alternativas viáveis financeiramente e ecologicamente para que não se prive o uso de tal tecnologia.

Nos dias atuais é impensável ficar sem utilizar um aparelho celular, tablet, notebooks e outros equipamentos, pois isto seria um retrocesso.

Para manter todos esses aparelhos funcionando é necessário mantê-los com um bom nível de carga na bateria, o que gera um custo financeiro e também ecológico.

A melhor alternativa para reduzir o consumo de energia elétrica oriunda das hidrelétricas é a utilização de energia “limpa” proveniente de recurso renovável e dentro desse contexto, a energia solar vem ganhando cada vez mais espaço, pois está disponível para toda a população, e o Brasil é um país com geografia e localização favoráveis para esse sistema, tem fortes irradiações solares por todo o território.

A utilização de energia limpa é de altíssima importância para que haja um mundo ecologicamente equilibrado.

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1.2 OBJETIVO

Sabendo que a maior parte da população fica constantemente conectada à internet

através de dispositivos móveis e que tais dispositivos não possuem bateria com autonomia capaz de trabalhar um dia inteiro sem a necessidade de uma ou mais recargas, o presente projeto tem como objetivo, apresentar e implementar uma solução para reduzir o consumo de energia elétrica proveniente de usinas hidrelétricas.

Utilizando o conceito de energia sustentável, serão exploradas tecnologias de estado da arte em sistemas fotovoltaicos, procurando obter um resultado final satisfatório de baixo custo.

Este sistema será capaz de captar os raios solares através de um painel fotovoltaico, controlar a tensão e posteriormente carregar a bateria de um dispositivo móvel.

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1.3 METODOLOGIA

Este projeto utilizará de pesquisas bibliográficas baseadas em consulta a livros e sites da internet na sua primeira etapa.

Na segunda etapa, será realizada a montagem do sistema do carregador, que utilizará o painel fotovoltaico e será montado um circuito carregador para a bateria do dispositivo móvel, baseado nas informações fornecidas pelo fabricante do dispositivo.

Neste trabalho, será utilizada para a implementação do circuito carregador e testes finais a bateria de um smartphone da marca Motorola, pois possui tensão e corrente nominal comuns com vários outros dispositivos móveis de outras marcas.

Posteriormente, serão executados testes para a verificação do funcionamento do presente sistema.

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2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 HISTÓRIA DOS PAINÉIS FOTOVOLTAICOS

O efeito fotovoltaico foi observado pela primeira vez em 1839 por um físico francês chamado Alexandre Edmond Becquerel que verificou que placas metálicas, de platina ou prata produziam uma pequena diferença de potencial quando expostas à luz.

Mais tarde, em 1877, dois inventores norte-americanos, W. G. Adams e R. E. Day utilizaram as propriedades fotocondutoras do selênio para desenvolver o primeiro dispositivo sólido de produção de eletricidade por exposição à luz.

Tratava-se de um filme de selênio depositado num substrato de ferro e com um segundo filme de ouro, semitransparente, que servia de contato frontal. Apesar da baixa eficiência de conversão, da ordem de 0,5%, no final do século XIX, o engenheiro alemão Werner Siemens comercializou células de selênio como fotômetros para máquinas fotográficas (CRESESB/CEPEL).

Anos depois, Charles Fritts conseguiu duplicar essa eficiência para cerca de 1%, construindo as primeiras células solares, dispositivos assentes igualmente em selênio, primeiro com um filme muito fino de ouro e depois uma espécie de “sanduíche” de selênio entre duas camadas delgadas de ouro e outro metal na primeira célula de área grande.

A partir dos grandes desenvolvimentos científicos da primeira metade do século XX, como a explicação do efeito fotoelétrico realizada por Albert Einstein em 1905, o advento da mecânica quântica e, em particular, a teoria de bandas e a física dos semicondutores, assim como as técnicas de purificação e dopagem associadas ao desenvolvimento do transistor de silício foi possível o surgimento da energia solar elétrica.

A história da primeira célula solar começou em Março de 1953 quando Calvin Fuller, um químico dos Bell Laboratories, em Murray Hill, New Jersey, nos Estados Unidos da América, desenvolveu um processo de difusão para introduzir impurezas em cristais de silício, controlando as suas propriedades elétricas, conhecido como “dopagem”. Foi produzida uma barra de silício do “tipo p”. Seguindo as instruções de Fuller, Gerald Pearson, seu colega nos Bell Labs, mergulhou esta barra num banho quente de lítio, criando assim na superfície da barra uma zona com excesso de elétrons livres, portadores com carga negativa (silício do “tipo n”). Na região onde o silício “tipo n” fica em contato com o silício “tipo p”, a chamada “junção p-n”, surge então, um campo elétrico permanente.

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Ao caracterizar eletricamente esta amostra, Pearson verificou que produzia uma corrente elétrica quando a amostra era exposta à luz. Pearson tinha acabado de fazer a primeira célula solar de silício.

Continuando os estudos, encontraram vários obstáculos. Por um lado a célula revelava uma resistência série muito significativa, devida à dificuldade em soldar contatos elétricos ao material, mas mesmo à temperatura ambiente, verificaram que o lítio migrava para o interior do silício, pelo que a junção p-n (a “zona ativa” da célula solar) ficava cada vez mais profunda e inacessível aos fótons da radiação solar, o que diminuía a eficiência da célula. A depois de muitos testes, novas células podiam agora ser facilmente soldadas e revelaram uma eficiência de até 6%.

Após estes resultados, o Pentágono autorizou a sua publicação, a primeira célula solar foi apresentada na reunião anual da "National Academy of Sciences", em Washington, e anunciada numa conferência de imprensa no dia 25 de Abril de 1954 e foi registrada uma patente.

Após essa etapa, trabalhou-se na obtenção de um sistema realizável e de longa duração para sistemas de alimentação de satélites.

Com a crise mundial de energia ocorrida entre 1973 e 1974, houve uma preocupação em estudar novas fontes de energia fazendo com que as células fotovoltaicas não se restringissem somente à programas espaciais.

Atualmente, existem muitos materiais semicondutores apropriados para a conversão fotovoltaica, entre o silício cristalino e o silício amorfo hidrogenado, que são os mais comumente usados, existe uma diferença de estrutura. No primeiro, os átomos ocupam posições regulares no espaço, formando uma rede perfeitamente periódica (cristal). No segundo, que é de utilização mais recente, essa periodicidade não é considerada, alguns dos defeitos que acompanham a estrutura são compensados com átomos de hidrogênio.

Resumindo, os principais eventos históricos da energia solar são: 1839 - Efeito Fotovoltaico, descoberto por Becquerel; 1870 - Efeito fotovoltaico em sólidos; 1880 - Construção da primeira célula fotovoltaica; 1950 - Iniciou-se pesquisas para aplicações práticas; 1954 - Surgimento da primeira célula fotovoltaica de silício; 1973 - Estudo das Novas aplicações das células.

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2.2 RADIAÇÃO SOLAR

O Sol é a principal fonte de energia da Terra. Ele é composto de 92% de gás hidrogênio pressurizado pelo forte campo gravitacional, através da fusão nuclear, esse hidrogênio é convertido em átomos de hélio. Esse processo libera energia em forma de fluxo de fótons que são “pacotes” de ondas eletromagnéticas, tais ondas escapam do Sol, de maneira homogênea, em todas as direções do cosmos.

O planeta Terra, distante 150 milhões de quilômetros do Sol, recebe em média, por minuto, a mesma quantidade de energia que a usina hidrelétrica de Itaipu consegue produzir durante 25 anos (VEISSIDI; BARUAL).

A luz solar é constituída de fótons que são caracterizados por sua frequência ou comprimento de onda. A energia de cada fóton aumenta com a diminuição do seu comprimento de onda ou com o aumento de sua frequência.

Radiação solar é o nome dado a uma energia radiante emitida pelo sol, transmitida sob a forma de radiação eletromagnética emitida. Propaga-se a uma velocidade de 300.000 km/s, podendo-se observar aspectos ondulatórios e corpusculares.

Metade desta energia é emitida como luz visível na parte de frequência mais alta do espectro eletromagnético e o restante na forma de infravermelho e radiação ultravioleta.

O Sol fornece anualmente para a atmosfera terrestre cerca de 1,5x1018 kW/h de energia, (CRESESB/CEPEL).

2.3 RADIAÇÃO SOLAR A NÍVEL DE SOLO

Apenas uma fração atinge a superfície terrestre de toda àquela radiação solar que

chega às camadas superiores da atmosfera, isso ocorre devido à reflexão e absorção dos raios solares pela atmosfera.

A radiação que chega à superfície terrestre é formada por uma componente direta e outra difusa; se a superfície receptora estiver inclinada em relação a horizontal, haverá então uma terceira componente, refletida pelo ambiente do entorno, por exemplo: solo, vegetação, obstáculos, etc. O coeficiente de reflexão dessas superfícies é denominado de albedo (VEISSIDI; BARUAL).

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2.4 CÉLULAS SOLARES

As células solares são dispositivos que transformam a energia luminosa em energia elétrica. Uma célula solar pode funcionar como geradora de energia elétrica a partir da luz ou como um sensor capaz de medir a intensidade luminosa.

A célula fotovoltaica é a unidade básica para a conversão da energia radiante do sol em eletricidade, a qual é confeccionada de materiais semicondutores. Sendo o silício (Si) o material semicondutor mais utilizado para a confecção de tais células. Outros materiais também são utilizados, entre eles estão: o Arseneto de Gálio e o Germânio, mas tem um custo muito elevado, por isso, sua aplicação se restringe a projetos onde o custo não é relevante, como em projetos espaciais (MARTIN; AGUILERA, 2005).

O silício tem como quesitos principais levados em conta na utilização da produção das células solares é a boa interação com os fótons do espectro solar e o fato de o processo de fabricação das lâminas de Si ser bastante desenvolvido, devido ao uso em larga escala pela indústria eletrônica (GRAY, 2003).

2.5 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

O silício é o material mais utilizado para confecção de células solares, porém, o silício

puro não possui elétrons livres, necessitando de uma dopagem. Para fazer um silício do tipo N, utilizado na confecção de uma célula solar, introduz-se em sua rede cristalina um material pentavalente, tal como o fósforo, que possui um elétron a mais do que necessário para formar as ligações covalentes com o silício. Já para fazer um silício do tipo P, é necessário um processo similar, mas utilizando boro, dando origem a lacunas, transferência de elétrons dos átomos de silício da banda de valência para os átomos de boro.

Ambas as dopagens citadas resultam na existência de cargas móveis. No primeiro caso, trata-se de portadores de carga negativa, localizados na banda de condução (materiais tipo N), enquanto que no segundo, trata-se de portadores de carga positiva, localizados na banda de valência (materiais tipo P).

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A célula solar é composta de uma camada fina de material do tipo N e outra com espessura um pouco maior de material tipo P; com esta união, os elétrons do silício tipo N difundem para o lado P, formando assim um dipolo, com cargas positivas na região N e cargas negativas na região P, associado a um campo elétrico interno que restabelece as condições de equilíbrio da junção P-N (GRAY, 2003).

As células solares quando expostas à iluminação absorvem fótons, que são partículas que produzem uma passagem de elétrons da banda de valência para a banda de condução.

Os portadores gerados pelos fótons absorvidos estão sujeitos à ação do campo elétrico interno, que se estabelece na interface da junção P-N, dando origem a uma corrente que atravessa a carga externa.

Enquanto a célula está sob a luz do sol, há uma geração de energia. A corrente gerada varia proporcionalmente à intensidade de luz incidente. Grande parte da luz incidente na célula é perdida antes que possa ser convertida em energia elétrica. Atualmente as células podem chegar a ter uma eficiência de até 30%, mas a grande maioria possui uma eficiência entre 10% a 15%. As perdas de energia podem ocorrer porque aproximadamente 55% do espectro solar é composto por luzes de frequência pequena, por esse motivo, não conseguem excitar os elétrons do silício. Outras são energéticas demais e a energia extra do par elétron-buraco transforma-se em calor, também contribuem para a diminuição da eficiência o reflexo da superfície da célula e a recombinação elétron-buraco.

2.6 TIPOS DE CÉLULAS

A maioria das células solares comercializadas é de silício, mas existem outras células

fabricadas com outros materiais, baseados nos semicondutores das famílias III-V, e II-VI da tabela periódica, a numeração das famílias representa a quantidade de elétrons livres que os materiais possuem para fazer ligações covalentes. No primeiro caso, há a combinação de elementos do grupo III (gálio, índio) e do grupo V (arsênio, fósforo), sendo o principal material estudado o arseneto de gálio (GaAs). No segundo caso, são utilizados elementos do grupo II (cádmio, cobre) e do grupo VI (telúrio, selênio), sendo estudados principalmente o disseleneto de cobre-índio (CuInSe2) e o telureto de cádmio (CdTe).

Existem três tipos de células de silício, que são classificadas conforme o método de fabricação:

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Silício monocristalino: obtidas a partir de barras cilíndricas de silício monocristalino produzidas em fornos especiais. Estas são obtidas por cortes das barras em forma de pastilhas finas (300 µm de espessura). Sua eficiência é da ordem de 15%. A figura 2 abaixo mostra um silício monocristalino;

Silício policristalino: obtidas de blocos de silício a partir da fusão de porções de silício puro em moldes especiais. Uma vez nos moldes, o silício resfria lentamente e solidifica-se. Neste processo, os átomos não se organizam num único cristal, formando assim uma estrutura policristalina com superfícies de separação entre os cristais. Sua eficiência é da ordem de 13%.

Silício amorfo: células obtidas através da deposição de camadas muito finas de silício sobre superfícies de vidro ou metal. Sua eficiência varia de 5% a 7%12. Normalmente estas células sob a luz fluorescente conseguem obter uma eficiência maior do que as células cristalinas. Um problema com estas células é que sua eficiência diminui ao longo do tempo em função da exposição à luz (GRAY, 2003).

Figura 2 – Silício Monocristalino (fonte: CRESESB/CEPEL, “Tutorial solar”).

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1 Tedlar - utilizado nos módulos de silício cristalino, é uma folha branca feita de um fluoreto de polivinilo (PVF). 2 EVA –uma borracha não tóxica, consiste numa mistura de alta tecnologia de Etil, Vinil e Acetato.

2.7 MÓDULOS FOTOVOLTAICOS

As células comuns produzem menos de 3Wp numa tensão de aproximadamente 0,5V, então essas células precisam ser conectadas em configurações série-paralelo, a fim de atingir as potência e tensão necessárias de acordo com a aplicação.

Módulos fotovoltaicos são células fotovoltaicas interconectadas em série ou paralelo para se obter o valor desejado com a soma das potências e tensões dessas células.

A conexão mais comum de células fotovoltaicas em módulos é o arranjo em série para chegar num valor final de 12V (TOLMASQUIM, 2003).

O módulo mais comum é formado por células de silício cristalino de mesmo tamanho, conectadas em série, sobre uma placa de tedlar1, recobertas com EVA2 e vidro temperado de alta transparência, como mostra a figura 3. O conjunto costuma ser protegido por uma estrutura metálica, a qual garante rigidez contra danos decorrentes do manuseio do módulo.

Para evitar que toda corrente de um módulo não seja limitada por uma célula de pior desempenho (no caso de estar encoberta), é necessário utilizar um diodo “bypass”. Este diodo serve como caminho alternativo para a corrente e limita a dissipação de calor na célula defeituosa. Geralmente o uso deste diodo é feito em grupamento de células, ficando mais barato do que conectar um diodo em cada célula.

A figura abaixo mostra como é constituído o módulo formado por células de silício cristalino.

Figura 3 – Constituição do módulo solar

(fonte: PUCRS, “Energia solar fotovoltaica”).

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2.7.1 CARACTERÍSTICAS DOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS

As características elétricas dos módulos fotovoltaicos são: Tensão de circuito aberto (Voc); Corrente de curto circuito (Isc); Potencia máxima normalmente dada pela potencia de pico (Pm); Tensão de potencia máxima (Vpm); Corrente de potencia máxima (Ipm);

A condição padrão para obter as curvas característica dos módulos são definidas para uma radiação de 1000W/m² (radiação recebida na superfície da terra às 12 horas de um dia claro) e temperatura de 25 ºC (a eficiência da célula é reduzida com o aumento da temperatura).

Neste projeto foi utilizado o painel fotovoltaico modelo KM(P)5 da marca Komaes Solar, que segundo especificações técnicas fornecidas pelo fabricante, é capaz de produzir 5W com tensão de pico de 17,56 V e uma corrente de pico de 0,286 A.

2.7.2 INSTALAÇÃO DOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS

Os painéis devem ser fixados em suportes preferencialmente metálicos e aterrados. Devem estar em um local que receba luz solar durante todo o período diurno, sua face

deve estar direcionada para o norte geográfico (hemisfério sul) e sua inclinação entre 25º a 30º.

No caso do presente projeto, a instalação não será considerada, pois o carregador precisa de mobilidade, mas é importante lembrar que a eficiência do carregador depende do contato direto com o sol, ou seja, não pode ficar em locais com sobra.

2.7.3 LIMPEZA DOS PAINÉIS FOTOVOLTAICOS

Como todo equipamento, o painel solar necessita de manutenção, como por exemplo,

a limpeza dos mesmos. Para limpar os painéis deve-se utilizar água e uma esponja não abrasiva. Detergentes

ou sabão neutro podem ser utilizados para remover substâncias mais contaminantes.

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2.8 REGULADOR DE TENSÃO

O regulador de tensão é um dispositivo, geralmente formado por semicondutores, como por exemplo, o diodo zener e circuitos integrados reguladores de tensão.

O regulador de tensão tem como principal função, manter a tensão produzida pelo gerador/alternador dentro dos limites exigidos pela bateria ou sistema elétrico que está alimentando.

Ele é incapaz de gerar energia. A tensão de entrada deve ser sempre superior à sua tensão de regulagem nominal.

Os reguladores de tensão na forma de circuitos integrados de três terminais são muito importantes em projetos de fontes de alimentação para circuitos de pequena e média potência.

Os tipos da série 7800 que podem fornecer tensões de 5 a 24 volts tipicamente com corrente de 1A.

O Regulador de Tensão 7805 pode receber em seu terminal de entrada uma tensão de 7V a 20V, entretanto, oferecerá em seu terminal de saída 5V estabilizado com corrente máxima de 1A.

Os reguladores de tensão na forma de circuitos integrados de três terminais são quase que obrigatórios em projetos de fontes de alimentação para circuitos de pequena e média potência. Os tipos da série 7800 que podem fornecer tensões de 5 a 24 volts tipicamente com corrente de 1A são extremamente atraentes para projetos.

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3 IMPLEMENTAÇÃO

Para a implementação deste trabalho, adotou-se um tipo de carregador de baterias de dispositivos móveis, conhecido como “Carregador universal”, pois este modelo é capaz de recarregar quase todas as baterias disponíveis no mercado atual.

O carregador desenvolvido neste trabalho possui tensão nominal de saída de 5V e corrente de saída de 800mA.

Os materiais necessários para a montagem do circuito carregador são: Regulador de tensão de 5 V modelo 7805; Capacitor eletrolítico de 100 uF / 25 V; Capacitor de poliéster de 0,1 uF /63 V; 1 resistor de 150 Ω e ¼ W; 1 LED; Conector USB fêmea; Chave on/off; Painel solar.

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3.1 CIRCUITO CARREGADOR

O funcionamento do circuito ocorre através da seguinte forma: O painel solar capta a energia dos raios solares e gera a energia elétrica para o circuito,

que tem a função de regular a tensão para os níveis exigidos pela bateria do dispositivo móvel e “enviar” essa tensão para a bateria. Na figura 4, é visto o esquema do circuito carregador.

Figura 4 - Circuito carregador

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3.2 DIMENSIONAMENTO DO RESISTOR

Segundo a Lei de Ohm: Onde: R = resistência, V = tensão e I = corrente. Então obtém-se o valor da resistência:

3.3 DIMENSIONAMENTO DO REGULADOR DE TENSÃO

O regulador de tensão eleito foi o LM7805, através de consulta no seu datasheet,

obtiveram-se as informações necessárias para tal escolha. O terminal de entrada deste regulador pode receber tensão de 7V a 20V, e, oferecerá

em seu terminal de saída 5V estabilizado com corrente máxima de 1A. Especificações: Tensão de entrada: DC 7~20V; Tensão de saída: DC 5V; Corrente máxima: 1A.

3.4 DIMENSIONAMENTO DO PAINEL FOTOVOLTAICO

Entre todos painéis pesquisados durante a elaboração deste projeto foi o eleito o

modelo KM(P)5 da empresa Komaes Solar, pois este modelo apresenta boa relação custo / benefício e suas dimensões são relativamente pequenas, facilitando a fixação na mochila. Segundo as especificações técnicas fornecidas pelo fabricante, este painel solar produz 5W de potência, com tensão de pico de 17.56V e uma corrente de pico de 0.286A, estas características são suficientes para suprir as necessidades do trabalho; mesmo que a corrente

R = V / I

R = 12V / 800mA = 150Ω

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deveria ser maior, o único impacto será a uma demora maior que a bateria seja recarregada completamente.

A Tabela1 abaixo mostra as medições feitas para comprovar a tensão de saída do painel fotovoltaico:

Tabela 1 – Medidas de tensão de saída do painel solar Data Horário Tensão de saída(V)

12/06/2016 09:45 18,41 12/06/2016 10:40 19,35 12/06/2016 11:40 19,57 12/06/2016 12:40 21,92 12/06/2016 15:30 21,76 12/06/2016 16:40 19,32 13/06/2016 09:30 19,45 13/06/2016 14:45 20,65 13/06/2016 17:00 19,25 14/06/2016 09:30 19,95 14/06/2016 14:45 20,45 14/06/2016 17:30 16,57

As medições foram realizadas na cidade de São Carlos-SP, em período não abrangido

pelo horário de verão.

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O gráfico mostrado na Figura 5 abaixo ilustra os dados da tabela das medições da tensão de saída do painel solar.

Figura 5 - Gráfico de medição do painel solar

Após o dimensionamento das peças necessárias para a montagem do circuito, foi

executada a montagem na placa de fenolite e após os testes de funcionamento necessários, o painel solar foi fixado na mochila juntamente com o circuito carregador.

As imagens a seguir mostram o circuito carregador montado (Figura 6) e a mochila pronta, (Figura 7) respectivamente.

Figura 6 – Circuito carregador finalizado

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Figura 7 – Mochila pronta

3.5 TESTES

Para garantir o bom funcionamento do carregador, foram realizados testes em momentos e dispositivos diferentes (Smartphone Moto G II, Smartphone Galaxi-S Duos da marca Samsung, Smartphone Lumia da marca Nokia e Tablet da marca LG, modelo V400). Dessa forma conseguiu-se observar o comportamento do circuito durante variações da incidência solar.

Nestes testes, o circuito carregador utilizou somente a energia do painel solar como fonte. Os resultados mostram que o mesmo funcionou em todos os testes com os dispositivos citados acima.

Constatou-se que o circuito carregador demora aproximadamente 4 horas para completar a carga da bateria do dispositivo móvel.

Para a coleta de dados técnicos, como de saída do circuito, utilizou-se somente o smartphone Moto G II.

A Tabela 2 a seguir detalha os resultados obtidos.

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Tabela 2 – Teste de funcionamento do circuito carregador utilizando o painel solar como fonte

Data Horário Tensão Observação

16/06/2016 14:30 ~5,89V Funcionou

16/06/2016 17:00 ~4,98V Funcionou

16/06/2016 17:00 ~4,98V Funcionou

17/06/2016 14:45 ~4,96V Funcionou

17/06/2016 16:45 ~3,88V Funcionou

17/06/2016 17:45 ~3,85V Funcionou

Os dados foram obtidos na cidade de São Carlos-SP em período não abrangido pelo horário de verão.

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3.6 CONCLUSÃO

A intensidade de radiação solar varia bastante, isso faz com que a geração de energia elétrica através dessa fonte apresente também grande variabilidade, por isso, o tempo de espera para que a bateria atinja toda a sua capacidade de carga depende diretamente da intensidade de radiação solar em determinado momento.

No início do trabalho tentou-se acrescentar uma bateria do tipo estacionária para armazenar a energia produzida pelo painel solar, mas após perceber que a bateria limitaria muito a mobilidade do sistema e seria necessário fazer alterações no circuito, como por exemplo, acrescentar um controlador de carga, que faria mais volume ainda no produto final, buscou-se alternativa para a situação e foi encontrado no mercado o “power bank”, que é uma bateria recarregável portátil, mas não se obteve êxito no teste, o circuito não conseguiu recarregar esta bateria, apesar de o circuito trabalhar com tensão e corrente comuns com a grande maioria das baterias disponíveis, ainda assim, não é compatível com todas elas.

Durante os testes em bancada, percebeu-se que era difícil enxergar se o LED estava aceso diante da luz do sol, então o LED vermelho foi substituído pelo LED ultrabrilho verde, sem causar nenhuma consequência no funcionamento do circuito.

Diante das pesquisas e do atual mercado brasileiro, buscou-se apresentar uma solução que considere os mais variados aspectos, como praticidade, viabilidade técnica e econômica.

Obviamente já existem muitos outros projetos com circuitos menores e que são capazes inclusive de já armazenar a energia para uso posterior, mas a ideia da mochila é válida, pois o painel sendo maior reduz o tempo de carregamento da bateria e consegue suprir a necessidade momentânea de se recarregar baterias em qualquer lugar com segurança, pois o dispositivo fica guardado na bolsa, não facilitando furtos.

Este trabalho aponta uma alternativa, lembrando a importância da preservação do meio ambiente e não somente do conforto que a tecnologia oferece. O uso consciente sempre será o melhor caminho para a vida no planeta Terra.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 14724: 2011: Procedimentos para Apresentação e Normalização de trabalhos acadêmicos Apresentação. Rio de Janeiro: ABNT, 2011. 11 p. BENEDITO S R ; ZILLES, R. . Caracterização da produção de eletricidade por meio de sistemas fotovoltaicos conectados à rede no Brasil.Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente, v. 13, p. 04.09-04.14, 2009. BOYLESTAD, R.; NASHELSKY, L. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. 6ª Edição. Prentice Hall do Brasil, 1998. GRAY, J. L. The physics of the solar cell. In: HEGEDUS, S. O.; LUQUE, A. O. Handbook of photovoltaic science and engineering. Chichester: John Wiley & Sons Ltd, 2003, Cap.3, p.61-112. GRUPO DE TRABALHO DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA (CRESESB/CEPEL). Tutorial Solar. Disponível em: <http://www.cresesb.cepel.br/download/tutorial/ tutorial_solar_2006.pdf.> Acesso: 25 abril 2016. HINRICHS, ROGER A. Energia e Meio Ambiente. 1ª Edição. Thomson Learning, 2003. MACEDO, W. N.; ZILLES,R. Contribuição energética de um sistema fotovoltaico conectado à rede de baixa tensão. In: I Congresso Brasileiro de Energia Solar, 2007, Fortaleza - CE. Anais. Fortaleza: ABENS, 2007. MALVINO, ALBERT PAUL. Eletrônica – Volume I. 4ª Edição. Makron Books, 2001. MARTÍN, E. C. E. Edifícios fotovoltaicos conectados a la red eléctrica: caracterización y análisis. Madrid: Universidad Politécnica de Madrid, 2005. Disponível em: <http://oa.upm.es/1322/1/ESTEFANIA_CAAMANO_MARTIN.pdf >. Acesso em: 18 mai 2016. NÚCLEO DE TECNOLOGIA EM ENERGIA SOLAR. PUCRS. Energia Solar Fotovoltaica. Disponível em: Acesso: 18 mai 2016. O SOL. Curso de energia solar. Disponível em:http://www.osol.com.br/curso-energia-solar. Acesso: 18 mai 2016. TOLMASQUIM, M. T. Fontes Renováveis de Energia no Brasil. 1ª Edição. Interciência, 2003. VEISSID, NELSON; BARUEL, MARIO FERREIRA. Energia solar e suas aplicações em satélites. 1 ed. São José dos Campos. SindCT, 2012.

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ANEXO

Características do painel solar KM(P)5 da empresa Komaes Solar

Potência Máxima (Pmax): 5W Corrente Máxima de pico (Imp): 0,286A Tensão Máxima de pico(Vmp): 17,56V Tensão Circuito aberto (Voc): 21,52V Corrente de curto-circuito(Isc): 0,31A Dimensões (mm): 220x250x18

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APÊNDICE

Características técnicas dos painéis solares da empresa Komaes Solar:

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GLOSSÁRIO

Efeito Fotovoltaico - Criação de tensão elétrica ou de uma corrente elétrica correspondente num material após ser exposto à luz Fenolite - É um isolante elétrico, comercializado na forma de chapas, tarugos e tubos. LED – Diodo emissor de luz, utilizado para a emissão de luz em locais e instrumentos onde se torna mais conveniente a sua utilização no lugar de uma lâmpada, como em semáforos, lanternas e farol de carros.