sistemas fotovoltaicos de geração de energia: comparação de desempenho entre um sistema com...
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GUSTAVO DE CARVALHO BERTOLI
Sistemas Fotovoltaicos de Geração de Energia: Comparação de Desempenho entre um Sistema com Rastreamento Solar e um
Sistema Estático
Bauru 2012
GUSTAVO DE CARVALHO BERTOLI
Sistemas Fotovoltaicos de Geração de Energia: Comparação de Desempenho entre um Sistema com Rastreamento Solar e um
Sistema Estático
Trabalho de Graduação do Curso de Engenharia Elétrica apresentado à Faculdade de Engenharia de Bauru/UNESP ORIENTADOR: Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves
Bauru 2012
DEDICATÓRIA
Aos meus pais Ciro e Maria Emília, aos meus irmãos
Guilherme e Mila, à Letícia pela companhia e a Deus que
está sempre presente em nossas vidas.
AGRADECIMENTOS
- Ao meu orientador Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves, pelos ensinamentos e apoio
durante todo o curso de Graduação em Engenharia Elétrica e realização deste
trabalho.
- Aos técnicos de laboratório do departamento de Engenharia Elétrica: Edson,
Osmar, Nelson e Helton que muito contribuíram para a realização deste trabalho.
- Aos professores do Departamento de Engenharia Elétrica pelos ensinamentos
durante toda a graduação.
- A todas as amizades construídas durante a graduação, que com certeza tornou essa
jornada menos árdua.
A ciência é, portanto, uma perversão de si mesma, a
menos que tenha como fim último melhorar a
humanidade.
Nikola Tesla
RESUMO
Este trabalho teve como objetivo a avaliação do desempenho de um Sistema de
Rastreamento Solar aplicado a um painel solar através do uso de sensores, em comparação
com o desempenho de um painel solar fixo. Está dentro de um contexto de eficiência
energética através do melhor aproveitamento dos recursos e também o contexto de geração de
energia elétrica de forma "limpa", isto é, fazendo o uso de fontes renováveis de energia.
Apresenta as formas de rastreamento solar existentes e constou de experimento prático
para comprovação dos ganhos obtidos e discussão das vantagens deste tipo de implementação.
A avaliação desse sistema envolveu o uso de painéis solares de pequenas dimensões
(escala reduzida) e baixa potência, facilitando assim o trabalho em bancada, para sua
montagem e calibração. Com os resultados obtidos, buscou-se uma comparação com os
trabalhos já existentes sobre o mesmo tema.
O experimento prático foi realizado em um dia comum do mês de maio, na região de
Bauru, sendo o sistema submetido às condições naturais de luz solar.
Ao final deste trabalho são apresentados os dados e gráficos obtidos, e a partir destes,
é realizada uma análise sobre o desempenho do sistema de rastreamento solar criado.
Palavras-Chaves: Sistema Fotovoltaico, Rastreamento Solar, Sistema de
Posicionamento, Energia Solar, Eficiência Energética.
ABSTRACT
This study aimed to evaluate the performance of a solar tracking system applied to a
solar panel through the use of sensors, in comparison with the performance of a fixed solar
panel.
It is within the context of energy efficiency through better use of resources and also
the context of “clean” electricity generation, making use of renewable energy sources.
It displays the existing ways of solar tracking and consisted of practical experiment to
demonstrate the obtained improvements and to discuss the advantages of this type of
implementation.
This system’s performance evaluation involved the use of small and low-power solar
panels (reduced scale), thereby facilitating the work at bench for assembly and calibration.
With these results, a comparison with existing works on the same topic was made.
The evaluation of this system involved the use of small dimensions solar panels with
low power characteristics, making easiest the work at laboratories, as your assembly and
calibration. With the results obtained, was made a comparison with the studies already done
about the same topic.
The practical experiment was conducted on a typical day of May, in the region of
Bauru, being the system subjected to natural conditions of sunlight.
At the end of the study, data and graphs obtained are presented, and from these, it was
done an analysis on the performance of solar tracking created.
Keywords: Photovoltaic System, Solar Tracking, Solar Tracker, Solar Positioning
System, Solar Energy, Energy Efficiency.
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 11 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA......................................................................................... 12
2.1 Energias Renováveis ................................................................................................ 12 2.2 Radiação Solar.......................................................................................................... 12 2.3 Energia Solar Fotovoltaica ....................................................................................... 13
2.3.1 Células Fotovoltaicas ....................................................................................... 13 2.4 Rastreamento Solar .................................................................................................. 15 2.5 Sensores Fotoelétricos.............................................................................................. 17
2.5.1 LDR – Light Dependent Resistor..................................................................... 18 2.5.2 Fotodiodos........................................................................................................ 18 2.5.3 Fototransistores ................................................................................................ 19
2.6 Motores de Passo...................................................................................................... 20 2.6.1 Motores de passo Bipolares.............................................................................. 20 2.6.2 Motores de passo Unipolares ........................................................................... 22 2.6.3 Motor de passo de relutância variável.............................................................. 23
2.7 Microcontroladores .................................................................................................. 24 2.7.1 Arduino............................................................................................................. 25 2.7.2 Placa Arduino UNO ......................................................................................... 25
3 MATERIAL E MÉTODO................................................................................................ 26 3.1 Metodologia ............................................................................................................. 26 3.2 Materiais................................................................................................................... 26
3.2.1 Painel Solar ...................................................................................................... 26 3.2.2 Sensores LDR................................................................................................... 27 3.2.3 Motor de Passo................................................................................................. 29 3.2.4 Interface para controle do motor de Passo ....................................................... 29 3.2.5 Placa Microcontrolada Arduino UNO.............................................................. 32 3.2.6 Coleta de Dados ............................................................................................... 35
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ................................................................................... 39 4.1 Análise dos Dados Obtidos ...................................................................................... 39 4.2 Análise de Custos do Projeto ................................................................................... 42 4.3 Resultados Complementares .................................................................................... 43
5 CONCLUSÃO ................................................................................................................. 44 6 REFERÊNCIAS............................................................................................................... 45 7 ANEXOS.......................................................................................................................... 47
7.1 Código Fonte do Microcontrolador.......................................................................... 47 7.2 Código Fonte do Formulário de Coleta de Dados.................................................... 51 7.3 Dados Coletados....................................................................................................... 55
11
1 INTRODUÇÃO
O Sol é a estrela central do universo e através de sua energia, na forma de radiação, é
possível a vida na Terra. A luz do Sol é a principal fonte de energia na superfície do planeta,
sendo aproveitada nas mais diversas formas e processos.
Todas as formas de energia no planeta surgem a partir do Sol: petróleo, gás natural,
carvão e madeira são alguns exemplos e todos são produzidos a partir de processos de
fotossíntese seguidos de complexos processos químicos e físicos, mesmo os ventos e as marés
têm suas origens devido ao Sol, sendo causados pela diferença de temperatura entre as várias
regiões da terra.
O Sol faz parte do homem desde sua existência, serviu para definir o dia e a noite, para
aquecer, para a agricultura, para fins religiosos entre outros.
Além disso, o Sol se apresenta como uma alternativa limpa e renovável de energia, isto
é, não produz resíduos que venham a comprometer o ambiente, além de ser uma fonte
inesgotável em comparação com os combustíveis fósseis, os mais utilizados atualmente.
Durante o século passado, combustíveis fósseis proveram a maioria da energia
necessária, porque eram mais barato e mais convenientes do que a energia fornecida pelas
fontes alternativas e até recentemente a questão ambiental era apenas uma pequena
preocupação (KALOGIROU, 2009).
Com o avanço das pesquisas na área da física dos materiais e o conhecimento do
comportamento fotoelétrico, a energia fotovoltaica se tornou uma forma acessível de geração
de energia elétrica, e no ano de 2011 apresentou um aumento de 74% em comparação com
2010, atingindo aproximadamente 70 GW instalados (REN21, 2011).
O objetivo deste trabalho é mostrar a eficiência de um sistema fotovoltaico com
rastreamento Solar em comparação com um sistema estático.
Objetiva-se também propor novos trabalhos a partir deste e realizar comparações com
trabalhos na área de rastreamento Solar aplicados à sistemas fotovoltaicos.
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2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Energias Renováveis
O termo sustentabilidade nunca foi tão falado quanto nos dias atuais. Visto que a
humanidade desloca-se em ritmo descontrolado, rumo a novas catástrofes ambientais,
problemas ecológicos e o aquecimento global. O aproveitamento dos recursos naturais de
maneira correta é o mais importante passo para reverter esse quadro.
Dentre as ações que podem ser tomadas está o uso de fontes de energia renováveis.
Fontes renováveis utilizam recursos naturais considerados inesgotáveis pela sua capacidade
de se regenerar, como: o Sol (energia solar), o Vento (energia eólica), os rios e correntes de
água doce (energia hidráulica), os Mares e Oceanos (energia maremotriz e energia das ondas),
matérias orgânicas (biomassa) e o calor da Terra (energia geotérmica).
Possuem a vantagem de aumentar a quantidade e oferta de energia, garantir a
sustentabilidade e a renovação dos recursos além de reduzir as emissões atmosféricas de
poluentes.
O mercado de Energias Renováveis, atualmente, representa 47,3% da matriz
energética brasileira e, combinado ao uso racional e eficiente de energia, poderá suprir metade
da demanda energética mundial em 2050 e reduzir as emissões globais de gases de efeito
estufa do setor energético em até 50% (FINDER, 2011).
2.2 Radiação Solar
O Sol fornece anualmente, para a atmosfera terrestre, 1,5 x 1018 kWh de energia.
Trata-se de um valor considerável, correspondendo a 10.000 vezes o consumo mundial de
energia neste período. Este fato vem indicar que, além de ser responsável pela manutenção da
vida na Terra, a radiação solar constitui-se numa inesgotável fonte energética, havendo um
enorme potencial de utilização por meio de sistemas de captação e conversão em outra forma
de energia (térmica, elétrica, etc.) (CRESESB, 2006).
A região brasileira menos ensolarada, tem 40% mais radiação do que o local mais
ensolarado da Alemanha, sendo a Alemanha um dos maiores produtores de energia solar
fotovoltaica no mundo (FINDER, 2011).
13
2.3 Energia Solar Fotovoltaica
A conversão de energia solar em energia elétrica foi verificada pela primeira vez por
Edmond Becquerel, em 1839 onde se constatou uma diferença de potencial nos extremos de
uma estrutura de material semicondutor quando exposto a luz. Em 1876 foi montado o
primeiro aparato fotovoltaico resultante de estudos das estruturas no estado sólido, e apenas
em 1956 iniciou-se a produção industrial seguindo o desenvolvimento da microeletrônica.
Neste ano a utilização de fotocélulas foi de papel decisivo para os programas
espaciais. Com este impulso, houve um avanço significativo na tecnologia fotovoltaica onde
se aprimorou o processo de fabricação, a eficiência das células e seu peso. Com a crise
mundial de energia de 1973/74, a preocupação em estudar novas formas de produção de
energia fez com que a utilização de células fotovoltaicas não se restringisse somente para
programas espaciais, mas também estudada e utilizada no meio terrestre para suprir o
fornecimento de energia.
Um dos fatores que impossibilitava a utilização da energia solar fotovoltaica em larga
escala era o alto custo das células fotovoltaicas. As primeiras células foram produzidas com o
custo de US$600/W para o programa espacial. Com a ampliação dos mercados e várias
empresas voltadas para a produção de células fotovoltaicas, o preço tem reduzido ao longo
dos anos podendo ser encontrado hoje, para grandes escalas, ao custo médio de US$ 2,43/W
(QUIGGIN, 2012).
Atualmente, os sistemas fotovoltaicos são utilizados em instalações remotas
possibilitando vários projetos sociais, agropastoris, de irrigação e de comunicações. As
facilidades de sistemas fotovoltaicos tais como: modularidade, baixos custos de manutenção e
vida útil longa, fazem com que sejam de grande importância para instalações em lugares
desprovidos da rede elétrica (CRESESB, 2006).
2.3.1 Células Fotovoltaicas
Segundo Kalogirou (2009), módulos fotovoltaicos são dispositivos que convertem a
luz do Sol, a energia mais abundante no planeta, diretamente em eletricidade. Um módulo
fotovoltaico não possui partes móveis e como resultado, requer uma manutenção mínima e
tem uma boa durabilidade. Ele gera eletricidade sem nenhum tipo de poluição. Sistemas
fotovoltaicos podem ser construídos em qualquer tamanho, podendo gerar de miliwatts a
megawatts, além dos sistemas serem modulares, isto é, mais painéis podem ser facilmente
adicionados para aumentar a geração de energia.
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A tecnologia fotovoltaica utiliza células (que em conjunto formam os módulos) com
camadas de material semicondutor tetravalente (em geral, o silício), justapostas, uma com
dopagem de átomos trivalentes (em geral, o boro) – dita camada tipo p, outra com dopagem
de átomos pentavalentes (em geral, o fósforo) – dita camada tipo n, formando uma junção pn
(Figura 1), onde o movimento de cargas forma um campo elétrico. Quando a luz do Sol incide
sobre uma célula semicondutora pn, os fótons da luz absorvida desalojam elétrons dos átomos
da célula, conforme ilustra a Figura 2. Estes elétrons livres movem-se através da estrutura
cristalina do material, criando pares elétron-lacuna. Este movimento de elétrons e lacunas
forma a corrente elétrica (Figura 3) no processo físico chamado efeito fotovoltaico, com
intensidade proporcional à intensidade de luz incidente (CRESESB, 1999).
Figura 1 - Célula fotovoltaica em um local sem a presença da luz (Adaptado de: SAMSUDDIN, 2010)
Figura 2 - Célula fotovoltaica em presença da luz (Adaptado de: SAMSUDDIN, 2010)
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Figura 3 – Efeito fotovoltaico para fornecimento de eletricidade (Adaptado de: SAMSUDDIN, 2010)
2.4 Rastreamento Solar
Os sistemas conhecidos como Solar Trackers desempenham a tarefa de colocar os
painéis solares com a sua superfície sempre em posição perpendicular aos raios de Sol
incidentes. Desta maneira, as mudanças na posição do Sol em relação à Terra durante o dia e
com respeito às estações do ano, são compensadas com o reposicionamento do módulo,
permitindo que mais energia seja coletada e transformada em eletricidade dentro de um
determinado intervalo de tempo (MARINESCU; MARINESCU, 2006).
Artigos técnicos dão conta de que através do rastreamento solar, particularmente no
verão, a eficiência dos painéis pode atingir valores acima de 50% enquanto em outras épocas
do ano como o outono, valores maiores que 20% são atingidos, dependendo da tecnologia
usada (TUDORACHE; KREINDLER, 2010).
Através de experimentos conduzidos durante a pesquisa de Elliot Larard (1998), foi
concluído que a corrente obtida por células solares é influenciada pelos ângulos em que os
raios solares incidem na superfície das células solares. Esta propriedade pode ser verificada
através da tabela 1 (YUNUS, 2010).
O experimento de Larard (1998) usou uma fonte de luz estacionária e foi se ajustando o
ângulo em que os raios de luz atingiam a célula solar.
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Tabela 1 - Corrente devido a vários ângulos de incidência (Adaptado de YUNUS: 2010)
Ângulo de Incidência (graus)
Corrente In (mA)
0 55 5 54 10 53 15 52 20 51 25 49 30 47 35 44 40 41 45 38 50 35 55 31 60 25
A Figura 4 ilustra graficamente os resultados apresentados na Tabela 1. (YUNUS,
2010).
Corrente x Ângulo de Incidência
0
10
20
30
40
50
60
0 10 20 30 40 50 60 70
Ângulo de Incidência (graus)
Cor
rent
e (m
A)
Figura 4 - Variação de corrente devido ao ângulo de incidência (Adaptado de: YUNUS, 2010)
Há muitas formas de rastreamento solar e eles variam principalmente na forma de
implementação. As duas formas gerais que existem são: algoritmos fixos de controle e
rastreamento dinâmico. A diferença entre os dois métodos é a maneira com que o caminho do
Sol é determinado. Nos algoritmos fixos de controle o caminho do Sol é determinado através
de um cálculo da posição do Sol para cada instante de tempo. Isto é, o sistema de controle não
acha a posição do Sol, ele trabalha a partir do horário, dia, mês e ano para determinar essa
posição.
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Os sistemas dinâmicos de rastreamento, por outro lado, procuram pela posição do Sol
em qualquer momento do dia. Comum aos dois métodos de rastreamento é o sistema de
controle. Este sistema consiste em algum método para o controle de direção, seja para
motores DC, motores de passo ou servos motores, que são acionados por uma unidade de
controle, tanto digital ou analógica (YUNUS, 2010).
2.5 Sensores Fotoelétricos
A finalidade de um sensor fotoelétrico é converter um sinal luminoso (luz ou sombra)
em um sinal elétrico que possa ser processado por um circuito eletrônico.
Um sensor pouco sensível numa aplicação que opere com fontes fracas de luz ou ainda
um sensor lento que deva detectar o movimento rápido de luz ou sombra, pode comprometer
o projeto. Um sensor fotoelétrico pode ser tanto um transdutor quanto um sensor
propriamente dito. Diz-se que um sensor fotoelétrico é um transdutor quando ele converte
energia luminosa (radiante) em energia elétrica. É o caso das fotocélulas que convertem
diretamente luz em energia elétrica.
Por outro lado, existem sensores propriamente ditos que convertem luz em uma
variação de uma grandeza elétrica qualquer, como corrente ou resistência. Esse é o caso dos
LDRs (Light Dependent Resistors) e fotodiodos.
Ao escolher um sensor fotoelétrico para uma determinada aplicação é necessário levar
em conta suas características, sendo elas:
• Sensibilidade: A sensibilidade de um sensor fotoelétrico indica de que modo a
grandeza associada em sua saída varia com a intensidade de luz que incide
nesse sensor.
• Resposta Espectral: Diferentemente do olho humano, a maioria dos sensores
fotoelétricos podem “ver” muito mais do que os olhos das pessoas. Em outras
palavras, esses sensores em grande parte podem perceber tanto radiação
infravermelha como ultravioleta.
• Velocidade: Em muitas aplicações os sensores devem detectar variações muito
rápidas de luz (ou sombra), como no caso da leitura de códigos de barras,
controles de velocidade de máquinas, encoders ópticos, links de fibra óptica e
outras aplicações (BRAGA, 2011).
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2.5.1 LDR – Light Dependent Resistor
Os Resistores Dependentes de Luz (LDR ou Light Dependent Resistors), também
conhecidos como fotorresistores ou células de sulfeto de cádmio, são sensores do tipo foto-
condutivo. Neles, a resistência apresentada à passagem de corrente elétrica depende da
quantidade de luz que incide numa superfície sensível à base de Sulfeto de Cádmio ou CdS,
conforme Figura 5.
Figura 5 - LDR (BRAGA, 2011)
Na montagem típica de um sensor desse tipo, de modo a maximizar a superfície
sensível, os eletrodos formam uma estrutura em zigue-zague. Quanto maior o sensor, maior
será a sua capacidade de controlar correntes mais intensas.
No escuro, a resistência típica de um sensor desses pode chegar a mais de 1MΩ. No
claro, sob iluminação solar direta, essa resistência pode cair a algumas dezenas de ohms.
Apesar de ter uma resposta espectral bastante ampla, superando a capacidade do olho
humano, o LDR é um dispositivo lento, sendo usado muito mais em aplicações de automação
em função da luz do que de controle ou sensoriamento de variações rápidas de luz (BRAGA,
2011).
2.5.2 Fotodiodos
Os fotodiodos podem ser usados tanto no modo fotocondutivo como fotovoltaico. O
princípio de funcionamento é simples. Quando a luz incide numa junção semicondutora,
exatamente como no caso das fotocélulas, portadores de carga são liberados. Nessas
condições, temos a manifestação de dois fenômenos que podem ser utilizados na prática.
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Um deles é que a resistência no sentido inverso da junção iluminada diminui e o outro
é que aparece uma tensão no dispositivo. Se o sensor aproveitar a variação da resistência
inversa com a luz no modo de operação, se diz que ele opera no modo fotocondutivo. Se ele
aproveitar a tensão gerada com a luz, se diz que ele opera no modo fotovoltaico.
Desse modo, encontra-se os fotodiodos em chaves ópticas e acopladores ópticos como
os usados em encoders.
Figura 6 - Fotodiodo (BRAGA, 2011)
Uma característica importante dos diodos, entretanto, é sua velocidade de resposta
muito alta que permite detectar pulsos de luz ou sombra muito rapidamente, alcançando
frequências de dezenas ou mesmo centenas de Mega-hertz. Por esse motivo, aplicações desse
sensor incluem aquelas em que a velocidade de resposta é importante, tais como em encoders,
sensores de rotação e posição, recepção de sinais de luz modulados como links de fibras
ópticas, leitores de DVDs e CDs (BRAGA, 2011).
2.5.3 Fototransistores
O princípio de funcionamento do fototransistor é o mesmo do fotodiodo: liberação de
portadores de carga nas junções quando a luz incide. No entanto, no caso dos transistores,
temos uma estrutura maior o que significa uma velocidade um pouco menor.
Os fototransistores são usados em aplicações onde se exige uma maior sensibilidade,
com uma taxa de velocidade intermediária, alcançando alguns MegaHertz.
20
Figura 7 - Fototransistor (BRAGA, 2011)
2.6 Motores de Passo
Os Motores de Passo são dispositivos eletromecânicos que convertem pulsos elétricos
em movimentos mecânicos que geram variações angulares discretas. O rotor ou eixo de um
motor de passo é rotacionado em pequenos incrementos angulares, denominados “passos”,
quando pulsos elétricos são aplicados em uma determinada sequência nos terminais deste.
A rotação de tais motores é diretamente relacionada aos impulsos elétricos que são
recebidos, bem como a sequência a qual tais pulsos são aplicados reflete diretamente na
direção a qual o motor gira. A velocidade que o rotor gira é dado pela frequência de pulsos
recebidos e o tamanho do ângulo rotacionado é diretamente relacionado com o número de
pulsos aplicados (BRITES; SANTOS, 2012).
2.6.1 Motores de passo Bipolares
Um motor bipolar de imã permanente consiste em um rotor de imã permanente e os
enrolamentos nos pólos do estator.
A corrente em um enrolamento precisa ser invertida afim de inverter um pólo
magnético, assim o circuito de condução é um pouco mais complicado, usando um arranjo de
ponte H. Há duas ligações por fase, nenhuma está em comum. Os efeitos de estática da fricção
que usam uma ponte são observados em determinadas topologias de movimentação. Como os
enrolamentos são melhores utilizados, são mais eficientes do que um motor unipolar do
mesmo peso (BRITES; SANTOS, 2012).
O motor funciona de acordo com a sequência de alimentação das bobinas, sendo que
cada passo, ou sequência de alimentação das bobinas, corresponderá a certo grau de rotação.
21
Figura 8 - Motor de passo bipolar de imã permanente simplificado (SGS-THOMSON, 1995)
Para um motor deste tipo (Figura 8), existem três formas de realizar essa sequência. O
primeiro é alimentando os enrolamentos AB/CD/BA/DC (onde BA significa que os
enrolamentos AB estão alimentados em sentido contrário). Esta sequência é conhecida como
on-phase-on passo completo, em que uma única fase é alimentada por vez. A segunda
possibilidade é alimentar as fases juntas, fazendo com que o rotor sempre se alinhe entre duas
posições do pólo do estator. Chamada de two-phase-on passo completo, esta é a forma normal
de controlar o motor e proporciona o maior torque.
A terceira opção é alimentar uma fase, depois duas, depois uma, assim por diante,
então o motor se movimenta em incrementos de meio-passo. O meio-passo aumenta a
precisão de movimento do motor, porém diminui seu torque.
Para o motor se movimentar em sentido contrário, basta somente trocar a sequência de
alimentação das fases. Como mostrado na Figura 8, o passo do motor seria de 90º, mas
motores reais possuem múltiplos pólos que diminuem o ângulo de passo a alguns graus, mas o
número de enrolamentos e a sequência de alimentação não se alteram (SGS-THOMSON,
1995).
Estas possibilidades de alimentação e sequência de fases estão ilustradas na Figura 9.
22
Figura 9 - Sequências de alimentação para um motor de passo bipolar de duas fases (SGS-THOMSON,
1995)
2.6.2 Motores de passo Unipolares
Conforme Microchip (2012), os motores unipolares são compostos de dois
enrolamentos, cada um com um center tap. Os center taps são disponíveis externamente ao
motor como dois fios separados ou conectados internamente entre eles e disponível
externamente como um único fio. Como resultado, motores de passo unipolar possuem 5 ou 6
fios para ligação.
Ainda segundo Microchip (2012), motores de passo unipolar, assim como os motores
de imã permanente e os híbridos, operam de forma diferente ao de relutância variável.
Em vez de operar minimizando o comprimento do caminho do fluxo entre os pólos do
estator e os dentes do rotor, onde a direção do fluxo de corrente através dos enrolamentos do
estator é irrelevante, estes motores operam pela atração dos pólos norte e sul do rotor
permanentemente magnetizado ao pólos do estator.
23
Assim, nesses motores, a direção da corrente através dos enrolamentos do estator
determina qual pólo do rotor será atraído a cada pólo do estator.
A direção da corrente em motores unipolares é dependente de qual metade do
enrolamento é energizada.
Figura 10 - Motor de passo Unipolar (SGS-THOMSON, 1995)
2.6.3 Motor de passo de relutância variável
As máquinas de relutância variável são talvez as mais simples das máquinas.
Consistem em um estator com enrolamentos de excitação e um rotor magnético com
saliências. Os condutores do rotor não são necessários porque o conjugado é produzido pela
tendência do rotor a se alinhar com a onda de fluxo produzida pelo estator (FITZGERALD,
2006).
O motor de passo de relutância variável possui um rotor não magnetizado com poucos
pólos a menos que o estator. Os passos do motor são obtidos alimentando-se pares de pólos
do estator para alinhar o rotor com os pólos de enrolamentos alimentados. Mais uma vez
(assim como no caso dos unipolares), três diferentes sequências podem ser usadas: A/B/C/D;
two-phase-on: AC/CB/BD/DA e a forma meio-passo: A/AC/C/BC/B/BD/D/DA. Note que o
ângulo de passo do motor da Figura 11 é de 15º e não 45 º. Como já mencionado,
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normalmente os motores possuem múltiplos pólos para fornecer passos mais precisos (SGS-
THOMSON, 1995).
Figura 11 - Motor de Passo de Relutância Variável (SGS-THOMSON, 1995)
2.7 Microcontroladores
Para uma melhor eficiência no processamento de dados, na década de 1970 começaram
a ser utilizados microprocessadores em computadores.
O microprocessador Intel foi um dos precursores, e, a partir daí, houve uma
preocupação em melhorar cada vez mais o sistema de processamento de dados por meio
desses componentes. Com base na arquitetura de um microprocessador e seus periféricos, foi
criado um componente que (fisicamente integrado em uma única unidade) comportava todo
um sistema entre equivalente a um microprocessador e seus periféricos. Assim surgiu o
microcontrolador.
Com o passar dos anos e com os avanços da tecnologia, os microcontroladores
tornaram-se uma das melhores relações custo/benefício em se tratando de soluções que
demandam processamento, baixo custo de hardware e pequena necessidade de espaço físico.
Os microcotroladores estão presentes em quase tudo o que envolve a Eletrônica,
diminuindo o tamanho, facilitando a manutenção e gerenciando tarefas internas de aparelhos
eletrônicos.
Um microcontrolador pode efetuar várias funções que necessitariam de um grande
número de outros componentes. Assim, usar um microcontrolador significa “resumir circuitos
25
a um único componente”. Para suprir exigências de projetos, existe uma ampla gama de
microcontroladores disponíveis no mercado, diferenciando-se pelo número de linhas de
entradas/saídas (I/O – Input/Output) e pelos recursos periféricos do dispositivo (MARTINS,
2005).
2.7.1 Arduino
Arduino é uma plataforma física open-source, baseada em uma placa microcontrolada
e um ambiente de desenvolvimento para escrever o código na placa.
O Arduino pode ser usado para desenvolver os mais diversos tipos de projetos,
recebendo os dados de uma variedade de sensores ou chaves e controlando uma variedade de
luzes, motores e outros elementos físicos de saída. Os projetos com Arduino podem ser stand-
alone ou então se comunicar com softwares funcionando no computador. As placas podem ser
montadas a mão ou então compradas pré-montadas. O ambiente de desenvolvimento pode ser
obtido de graça (ARDUINO, 2012a).
2.7.2 Placa Arduino UNO
A placa ARDUINO UNO (Figura 12) é uma placa microcontrolada, baseada no
microcontrolador da empresa ATMEL, ATMEGA328. Ele possui 14 pinos de input/output,
dos quais 6 podem ser usados como saídas PWM (Pulse Width Modulation), 6 entradas
analógicas, um oscilador a cristal de 16MHz, uma porta USB (Universal Serial Bus), um
conector jack para alimentação, um leitor ICSP (In-circuit serial programming) e um botão de
reset. Ele contem tudo que é necessário para utilizar o microcontrolador, necessitando apenas
conecta-lo ao computador através do cabo USB ou através da alimentação em seu conector
jack fazendo-se uso de uma fonte ou bateria (ARDUINO, 2012b).
Figura 12 - Placa Arduino UNO (ARDUINO, 2012b)
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3 MATERIAL E MÉTODO
Tratou-se de uma pesquisa teórica e experimental, sendo que a parte experimental foi
desenvolvida nos Laboratórios do Departamento de Engenharia Elétrica, da Faculdade de
Engenharia da UNESP, Campus de Bauru, durante o segundo semestre de 2011 e o primeiro
semestre de 2012. A coleta de dados foi realizada no dia 11 de maio de 2012, submetendo o
trabalho às condições naturais no laboratório de Energia Solar.
3.1 Metodologia
Para realização deste trabalho foram necessárias etapas como pesquisa sobre formas
de rastreamento solar com uso de sensores, calibração e testes em laboratório, levantamento
de dados em campo e comparação dos resultados obtidos para analisar a viabilidade do
projeto.
A etapa de levantamento de dados em campo serviu para analisar o desempenho dos
painéis e através dos dados obtidos, permitir a avaliação do projeto.
Ao término desta etapa foi realizada uma análise dos dados para posterior comparação
do sistema móvel com o sistema estático.
3.2 Materiais
Neste tópico serão detalhados os materiais e equipamentos utilizados durante o
desenvolvimento do trabalho.
3.2.1 Painel Solar
O painel solar utilizado para realização do trabalho é um painel solar comprado
através da empresa Adafruit (www.adafruit.com). Este painel possui pequenas dimensões e
baixa potência, servindo neste caso para atender à finalidade do projeto que é realizar uma
avaliação em escala reduzida. Como o trabalho consistia na comparação entre um painel
realizando o solar tracking e outro estático, um dos painéis foi acoplado ao eixo do motor de
passo com a possibilidade de mudança de seu ângulo de azimute, enquanto o outro painel se
manteve de forma estática, isto é, não sofrendo influências do sistema de rastreamento solar.
27
Optou-se por esse painel devido ao seu pequeno tamanho e também ao seu
acabamento, que permitiu assim uma economia de tempo durante a confecção da estrutura em
que ele seria fixado.
Figura 13 - Painel utilizado no trabalho
As informações técnicas do painel são apresentadas na Tabela 2:
Tabela 2 - Dados técnicos do Painel Utilizado
Potência 2 W
Tensão 6 V
Corrente 330 mA
Tamanho 110 mm x 140 mm
Peso 90 g
Tipo de Célula Monocristalino
Eficiência da Célula 17%+
3.2.2 Sensores LDR
Antes do uso dos sensores LDR, estudou-se a possibilidade de utilizar um método em
que o painel se posicionaria no ponto em que fornece a máxima tensão de saída, excluindo-se
assim o uso de sensores; porém devido aos limites de entrada do conversor analógico-digital
do microcontrolador (máximo 5V), a quantidade de luz para causar uma variação de tensão
mensurável (quantização do conversor) e o tempo para calibração do sistema em ambiente de
28
laboratório com um painel de pequena dimensão, voltou-se os objetivos para o uso de
sensores, no caso LDR, devido as suas características de fácil obtenção e utilização, não
necessitando de outros circuitos de controle como o caso de fototransistores e fotodiodos.
Para o projeto foram utilizados 3 LDRs de 7mm em uma placa de fenolite. Esta placa
foi fixada junto ao painel que realizaria o rastreamento solar. O princípio de funcionamento
do circuito é que, conhecendo-se o comportamento do LDR (menor resistência para maior
incidência de luz), foi criado um divisor de tensão e portando, o LDR mais iluminado
apresentaria ao mesmo tempo a maior tensão, sendo esta tensão limitada a 5V, atendendo
assim as limitações da porta analógico-digital do microcontrolador.
Levando-se em consideração o fato de que em campo a diferença de iluminação solar
em uma placa de sensores de pequenas dimensões pode não causar uma diferença suficiente
para o sistema, foram colocados anteparos entre os sensores (placas), evitando a interferência
da luz Solar que incide em um sensor sobre o sensor imediatamente ao lado. Deste modo
aumentou-se a diferença entre eles, sendo que, caso o Sol esteja à esquerda da placa, criará
uma sombra em cima do LDR central e o mesmo ocorrerá à direita da placa, o sensor central
também terá uma sombra, reforçando assim o objetivo do sistema, que é manter o sensor
central sempre o mais iluminado, alinhando assim o painel com o Sol.
Figura 14 - Placa construída e acoplada ao sistema
29
3.2.3 Motor de Passo
O motor de passo utilizado no trabalho foi obtido a partir de reutilização de placas de
impressoras matriciais em desuso, sendo este um SANYO C-60X 891012, com alimentação
de 12 V, corrente de eixo bloqueado de 0,4 A, resistência de bobina de 48 Ω e passo de 1,8º.
3.2.4 Interface para controle do motor de Passo
Para o controle do motor de passo optou-se por um circuito que faz uso de dois
circuitos integrados que são muito utilizados no controle de motores de passo, sendo
largamente empregados no controle de máquinas-ferramentas e controle numérico
computacional.
Esses circuitos integrados são o L297 e o L298N que segundo definição do próprio
fabricante:
“O L297 integra todo circuito de controle necessário para o controle
de motores unipolares e bipolares de passo. Usado com um driver de ponte completa como o
L298N forma uma completa interface de processador para motor bipolar de passo.” (SGS-
THOMSON, 1998)
Inicialmente utilizou-se o circuito presente no datasheet do circuito integrado L297,
em que este sugere o uso de um circuito integrado, o L6210, que realiza a função da ponte de
diodos de recuperação rápida (Schottky). Lembrando que os diodos precisam ser utilizados
devido às correntes que surgem por indução nos enrolamentos do motor após as mudanças de
alimentação e precisam ser de recuperação rápida devido à frequência de chaveamento entre
as bobinas do motor de passo.
30
Figura 15 - Circuito inicialmente utilizado
Devido à difícil obtenção do circuito integrado L6210 e também à difícil criação de
uma placa com este circuito impresso, pois o software utilizado para design e simulação não
possuía seu modelo, optou-se por outro circuito que é o presente no Application Note do
circuito integrado L297. Este circuito sugerido não possui muita diferença em relação ao
anterior, apenas o fato de possuir alguns capacitores de filtro nas fontes de alimentação, o que
torna o circuito mais estável no uso de fontes que poderiam causar problemas no circuito.
Para a simulação dos circuitos utilizou-se o software ISIS Proteus 7 e para conseguinte
criação dos layouts das placas de circuito impresso o software ISIS Ares 7. A Figura 16
mostra o circuito simulado.
31
Figura 16 - Circuito de simulação no software ISIS Proteus 7
As figuras Figura 17, Figura 18, Figura 19 ilustram a evolução das placas criadas:
Figura 17 - Vistas da placa criada utilizando o CI L6210
32
Figura 18 - Layout definitivo criado através do software ISIS ARES 7
Figura 19 - Resultado final
3.2.5 Placa Microcontrolada Arduino UNO
O uso do microcontrolador é essencial para a realização de todo o projeto, ele é
responsável por ler os valores dos sensores LDR, decidir pelo movimento ou não do painel e
assim o fazer através dos comandos enviados a placa de controle de motor de passo.
No total foram utilizadas cinco entradas analógicas e três saídas digitais da placa
microcontrolada, conforme a Tabela 3.
33
Tabela 3 - Pinagem da Placa Microcontrolada Arduino UNO
Pinos Analógicos Pinos Digitais
Tensão do Painel Fixo Sentido Horário/Anti-Horário
Tensão do Painel Móvel Clock (“Velocidade”)
Tensão LDR Central Habilitar/Desabilitar
Tensão LDR Direita
Tensão LDR Esquerda
A entrada analógica do Arduino é um conversor analógico-digital de 10 bits, isto
significa que ele irá converter a tensão entre 0 e 5 Volts para valores inteiros entre 0 e 1023.
Isto conduz a uma resolução de leitura de: 5 Volts / 1024 unidades, isto é, 0,0049 V (4,9 mV)
para cada unidade.
Conhecidas as características da placa, passa-se à descrição do algoritmo de controle
desenvolvido.
O Arduino fica monitorando constantemente (em loop infinito) os valores fornecidos
pelos sensores LDR, caso o LDR Central possua um valor menor (esteja menos iluminado)
que os outros LDR, ele analisa qual o LDR mais iluminado (maior valor), seja ele o esquerdo
ou o direito e a partir daí interage com a placa de controle do motor de passo.
Isto é, supor-se-á que o LDR da direita possui um valor maior que o LDR central e o
LDR da esquerda. Assim o microcontrolador concluirá que o LDR da direita possui maior
incidência solar e comandará o motor a dar um passo para a direita enquanto o LDR central
não estiver com o maior valor.
Ao mesmo tempo em que monitora os valores fornecidos pelos LDR, o
microcontrolador lê os valores de tensão fornecidos pelos painéis, este valor de tensão é
obtido através de um divisor de tensão resistivo de 10kΩ, portando o valor lido é na verdade,
metade do valor da tensão fornecida pelo painel; foi adotada esta saída para assim atender a
limitação do microcontrolador que é de leituras até 5 V.
O valor lido é então disponibilizado na porta serial do microcontrolador, que no caso
do projeto está ligada diretamente ao computador. O fluxograma na Figura 20 ilustra o
processo de leitura e tomada de decisões do microcontrolador:
34
Figura 20 - Fluxograma de Controle do Sistema
Nos anexos desta monografia, encontra-se o código fonte do programa criado em
linguagem C para o microcontrolador.
35
A Figura 21 ilustra o ambiente em laboratório onde foi realizado os testes com os
sensores e com a placa microcontrolada até obter as melhores respostas tanto de hardware
quanto de software.
Figura 21 - Ambiente de pesquisa e testes em laboratório
3.2.6 Coleta de Dados
Para a leitura e armazenamento dos dados fornecidos pela porta serial do
microcontrolador, foi desenvolvido um aplicativo que monitora a porta serial do computador
com uma periodicidade definida pelo usuário. Isto foi necessário pois a interface de
desenvolvimento do Arduino não fornece nenhuma função para salvar estes dados.
Assim, o aplicativo que foi desenvolvido utilizando a linguagem Pascal no ambiente
de desenvolvimento Borland Delphi 7, realiza a tarefa de coletar os dados e salvá-los em um
arquivo do tipo texto no computador.
36
Figura 22 - Tela do Programa realizando a coleta de dados
A partir da Figura 22, pode-se entender a funcionalidade do programa que consiste em
definir a porta de comunicação serial, definir a periodicidade de leitura em minutos, o baud
rate de comunicação para leitura dos dados e finalmente um list box com os dados coletados
pelo programa.
O programa possui um timer que realiza a gravação das leituras em um arquivo
chamado log.txt a cada 10 minutos e também é realizada uma gravação neste mesmo arquivo
ao fechar o programa.
O local para realização da coleta de dados foi o Laboratório de Campo de Energias
Alternativas (Figura 23 e Figura 24), que se encontra construído próximo aos laboratórios
didáticos do Departamento de Engenharia Elétrica. Neste local há toda a infraestrutura
necessária para a realização do trabalho como fontes de tensão reguladas e tomadas dentro das
cabines facilitando assim a montagem dos equipamentos.
37
Figura 23 - Laboratório utilizado para coleta de dados
Além disso, esse laboratório oferece segurança para evitar qualquer interrupção ou
alteração durante o andamento do experimento. Também é um ponto que permite a insolação
solar direta durante todo o dia.
Figura 24 - Montagem do Experimento
38
Na Figura 25 registra-se o início do dia em que o painel móvel já está alinhado com o
Sol. Nota-se também a placa de acionamento do motor em frente a base do painel, a placa
microcontrolada na parte de trás do painel e o protoboard responsável pela leitura dos dados
através de um divisor de tensão resistivo.
Figura 25 - Painel Alinhado com o Sol no início do experimento
39
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os dados coletados para o trabalho foram obtidos no dia 11 de maio de 2012 com uma
periodicidade de um minuto, a partir das 8h45min da manhã. Obtiveram-se, assim, 251
leituras.
A Tabela 5 apresentada no item 7.3 do Anexo contém os valores lidos e calculados a
partir do microcontrolador e do software de coleta de dados.
A primeira coluna desta tabela representa o horário em que foi feita a leitura, a segunda
coluna apresenta a tensão medida no Painel Móvel, a terceira coluna apresenta a corrente do
Painel Móvel, já a quarta coluna representa a potência do Painel Móvel. As colunas 5, 6 e 7
representam os mesmos dados para o Painel Fixo.
4.1 Análise dos Dados Obtidos
Utilizou-se o software MatLab para gerar os gráficos de Potência e Tensão referentes
aos dois painéis (móvel e fixo), e a partir destes gráficos, foram feitas análises e elencadas
conclusões sobre o desempenho do sistema de rastreamento solar.
O gráfico de potência tem a intenção de mostrar a potência fornecida pelos painéis,
enquanto o gráfico de tensão mostra a relação direta de iluminação e a correspondente tensão
de saída dos painéis.
Pelo gráfico de potência (Figura 26) pode-se confirmar a maior energia fornecida pelo
painel móvel; calculando-se a integral de Riemann destas curvas, obteve-se um valor de
0,714Wh para o painel móvel e 0,608Wh para o painel fixo, isto é, uma eficiência superior de
14,84% no painel móvel em comparação com o painel estático.
40
8 9 10 11 12 13 14 15 16 171.4
1.6
1.8
2
2.2
2.4
Azul = Painel MovelVerm = Painel Fixo
Tempo [hora do dia]
Pot
enci
a In
stan
tane
a do
Pai
nel F
otov
olta
ico
[Wat
ts]
Figura 26 - Gráfico de Potência dos painéis a partir dos dados Coletados
Vale ressaltar que a potência de saída de um painel solar é diretamente proporcional à
intensidade luminosa a que ele é submetido, para isso tem-se o gráfico de tensão dos dois
painéis (Figura 27), e assim constata-se que o painel móvel mantém durante todo o
experimento um valor de tensão entre 6,5 e 7 volts, isso devido ao rastreamento solar que
mantém o painel sempre alinhado com o Sol; isto não é verificado no comportamento do
painel fixo, sendo que ele possui valores próximos do máximo nominal somente entre meio-
dia e uma hora da tarde, horários nos quais o Sol incide perpendicularmente sobre o mesmo.
41
8 9 10 11 12 13 14 15 16 174.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
Azul = Painel MovelVerm = Painel Fixo
Tempo [hora do dia]
Ten
são
do P
aine
l Fot
ovol
taic
o [V
]
Figura 27 - Gráfico de Tensão dos painéis a partir dos dados Coletados
Um comportamento interessante que pode ser observado a partir dos gráficos é uma
variação muito grande de valores entre os horários de 13h30min e 15h00; isto ocorreu devido
à presença de nuvens durante a realização do experimento nesses horários, fazendo com que a
potência de saída dos painéis variasse.
A partir do ganho de 14,84% encontrado nesse experimento buscou-se um comparativo
com outros trabalhos. Segundo ALVES (2008) foi possível obter um ganho de 43,77% em um
sistema utilizando algoritmo matemático de posicionamento em um sistema de dois eixos de
movimentação. Já RIZK e CHAIKO (2008), obtiveram um ganho de aproximadamente 30%
com um sistema que utilizava os próprios painéis e suas variações de tensão para orientar o
movimento dos painéis.
No caso de TESSARO (2005), foi obtido um ganho de 20,74%, sem especificar o uso
de sensores ou algoritmo para posicionamento.
No trabalho de BARSOUM e VASANT (2010), conclui-se que sistemas de
rastreamento solar de apenas um eixo tem um ganho aproximado de 20% e em sistemas de
rastreamento solar com dois eixos os ganhos são superiores a 40%.
42
Apesar do ganho médio de 14,84%, vale ressaltar o ganho em horários em que o Sol
está em seus extremos, isto é, nascendo ou se pondo. Nesses pontos a diferença entre os
painéis chega a ser de aproximadamente 25%.
O ganho do sistema não possui um rendimento excepcional, devido a alguns fatores
como:
• A pouca precisão dos sensores LDR, que poderia ser melhorada com a
utilização de formas de concentração de luz sobre os sensores, evitando assim
que a iluminação difusa atingisse os sensores pelas laterais.
• As leituras realizadas pelo microcontrolador poderia levar em conta um limiar
de diferença entre os sensores para comparação, para a partir deste valor de
limiar, considerar o movimento do painel, isso permitiria um comportamento
mais suave do sistema.
4.2 Análise de Custos do Projeto
A Tabela 4 apresenta uma relação simplificada com o custo dos itens, tanto para o
sistema móvel quanto para o sistema fixo. Comparando-se o custo de ambos os sistemas,
verifica-se um custo aproximadamente 260% superior para o sistema móvel, apesar de o
projeto apresentar um propósito didático e não comercial.
O mesmo trabalho poderia ser aplicado a sistemas de maior potência, que devido ao
maior custo do painel, teria o custo dos itens criados diluídos e assim um impacto menor
sobre o preço final do projeto.
Considerando-se um painel de 225Wp que possui um valor aproximado de R$ 1.600,00
(ENERGIA PURA, 2012) e os mesmos custos (controle, microcontrolador, motor de passo) já
apresentados, o sistema móvel apresentaria um valor superior em aproximadamente 6,5%,
comprovando que em um sistema de potência maior.
Tabela 4 - Análise de Custos do Projeto
Sistema Móvel Sistema Fixo Painel Fotovoltaico R$ 40,00 Painel Fotovoltaico R$ 40,00
Motor de Passo R$ 15,00 Placa Driver/Controlador R$ 30,00
Placa Microcontrolada Arduino R$ 60,00 R$ 145,00
43
4.3 Resultados Complementares
Por sua relevância na área de energia solar e seus aspectos de sustentabilidade, não-
agressão ao meio-ambiente, o mérito do trabalho foi reconhecido antes mesmo de seu
término, ao ser convidado para exposição durante o Festival de Tecnologia e Inteligência
Ecológica (FESTIECO) 2012, realizado na cidade de Bauru de 14 a 17 de junho de 2012, no
estande destinado aos trabalhos da Faculdade de Engenharia de Bauru (Figura 28).
Esta exposição serviu para mostrar um viés didático do projeto. Através da interação
dos visitantes com o projeto, mostrando seu comportamento semelhante a um “girassol” e o
objetivo de aumentar a eficiência energética através do rastreamento solar, mostrou-se
também o compromisso da Universidade com formas alternativas de energia e também o
compromisso na pesquisa e busca de soluções para aumentar a eficiência das tecnologias já
existentes.
Figura 28 - Projeto exposto na Festieco 2012
44
5 CONCLUSÃO
Após os estudos realizados no levantamento bibliográfico, da aprendizagem dos
principais conceitos envolvendo a energia solar fotovoltaica e dos trabalhos realizados em
laboratório, podem ser mostradas importantes conclusões, a seguir detalhadas.
Este trabalho atingiu seu objetivo principal, provando que o sistema de rastreamento
solar possui uma eficiência maior quando comparado com o sistema fixo de posicionamento
dos painéis solares, através do ganho de energia médio obtido de 14,84%.
Apesar do custo para realização do projeto em um sistema de escala reduzida e baixa
potência, mostrou-se que o mesmo sistema aplicado à um painel de maior potência, teve seu
preço diluído sobre o custo total do sistema e assim apresentou viabilidade econômica para
sua aplicação.
O trabalho atingiu objetivos complementares ao ser reconhecido como uma ferramenta
didática para difundir o uso de energia solar e apresentar o princípio do rastreamento solar
como alternativa para aumento da eficiência. Colaborou com a imagem institucional ao
divulgar o nome da Universidade, mostrando seu compromisso com as formas de uso das
energias renováveis e o compromisso para a pesquisa de soluções que melhorem as
tecnologias já existentes.
Para futuros trabalhos, sugere-se aplicar o mesmo sistema de rastreamento solar com o
uso de sensores em painéis de maior potência. Um projeto otimizado poderia utilizar outras
formas de alinhamento dos sensores, outras formas de calibração e também o uso de outros
tipos de sensores. Sugere-se ainda o uso do sistema criado para a divulgação da Energia Solar,
possibilitado pela facilidade de transporte e montagem do sistema criado.
45
6 REFERÊNCIAS
ALVES, A. F. Desenvolvimento de um sistema de posicionamento automático para painéis fotovoltaicos. 2008. 168 f. Tese (Doutorado) - Unesp, Botucatu, 2008. ARDUINO. Introduction. Disponível em: <http://www.arduino.cc/en/Guide/Introduction>. Acesso em: 15 maio 2012a. ARDUINO. ArduinoBoardUno. Disponível em: <http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardUno>. Acesso em: 15 maio 2012b. BARSOUM, N.; VASANT, P. SIMPLIFIED SOLAR TRACKING PROTOTYPE. In: Global Journal on Technology & Optimization, Transaction in Controllers and Energy. Volume 1; 2010. BRAGA, C. N. Sensores Fotoelétricos. Revista Saber Eletrônica, São Paulo, n. 453, p. 52-57, mai./jun. 2011. BRITES, F. G; SANTOS, V. P. A. Motor de Passo. PET-TELE/UFF. Disponível em: http://www.telecom.uff.br/pet/petws/downloads/tutoriais/stepmotor/stepmotor2k81119.pdf <Acessado em 15 de maio de 2012> CENTRO DE PESQUISAS DE ENERGIA ELÉTRICA (CEPEL) / CENTRO DE REFERÊNCIA PARA ENERGIA SOLAR E EÓLICA SÉRGIO DE SALVO BRITO (CRESESB). Energia Solar Princípios e Aplicações. Rio de Janeiro, 2006. 28 p. CENTRO DE PESQUISAS DE ENERGIA ELÉTRICA (CEPEL) / CENTRO DE REFERÊNCIA PARA ENERGIA SOLAR E EÓLICA SÉRGIO DE SALVO BRITO (CRESESB). Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos. Rio de Janeiro, 1999. 204 p. ENERGIA PURA. Painel Mitsubishi 225 W Premium. Disponível em: <https://www.energiapura.com/content/painel-mitsubishi-225-w-premium>. Acesso em: 22 jun. 2012. FINDER. White Paper: O mundo sustentável das Energias Renováveis. São Paulo: Finder, 2011 FITZGERALD, A. E., et all. Máquinas Elétricas. 6. ed. São Paulo: Bookman, 2006.
46
KALOGIROU, S. Solar Energy Engineering. San Diego: Academic Press, 2009. LARARD, E. Sun Tracking Solar Array System. 1998. 27 f. Monografia (Graduação) - University Of Queensland, St. Lucia, 1998. MARINESCU, D.; MARINESCU, C. Control Optimizing Algorithm for Soft Sun-Trackers. In: IEEE International Conference on Automation, Quality and Testing, Robotics, 2006. Volume 1, pp. 54-57. Maio 2006. MARTINS, N. A. Sistemas Microcontrolados. São Paulo: Novatec, 2005. MICROCHIP. AN907 - Stepping Motors Fundamentals. Disponível em: <http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00907a.pdf>. Acesso em: 22 jun. 2012. QUIGGIN, John. The End of the Nuclear Renaissance. Disponível em: <http://nationalinterest.org/commentary/the-end-the-nuclear-renaissance-6325?page=1>. Acesso em: 22 jun. 2012. REN21 (Org.). Renewables 2012 Global Status Report. Paris, 2012. RIZK, J.; CHAIKO, Y. Solar Tracking System: More Efficient Use of Solar Panels. In: World Academy of Science, Engineering and Technology, 41. 2008 SGS-THOMSON. Application Note: THE L297 STEPPER MOTOR CONTROLLER . SGS-THOMSON Microeletronics, 1995. TESSARO, A. R. DESEMPENHO DE UM PAINEL FOTOVOLTAICO ACOPLADO A UM RASTREADOR SOLAR. 2005. 9 f. Pesquisa (Mestrado) - Unoeste, Cascavel, 2005. TUDORACHE, T., KREINDLER, L. Design of a Solar Tracker System for PV Power Plants. Acta Polytechnica Hungarica. Vol. 7, No. 1, 2010. YUNUS, M. F. B. M. DESIGN AND DEVELOPMENT OF A SOLAR TRACKING SYSTEM. 2010. 103 f. Monografia (Graduação) - Universiti Teknologi Malaysia, Malásia, 2010.
47
7 ANEXOS
7.1 Código Fonte do Microcontrolador
#define NAME "SOLAR TRACKER"
#define R11 10
#define R12 10
#define R21 10
#define R22 10
//Pinos Analógicos
int pinPainel_1 = 0;
int pinPainel_2 = 1;
int pinLdr_1 = 3;
int pinLdr_2 = 4;
int pinLdr_3 = 5;
//Paineis - Tensao, Corrente, Potencia
float painel_1 = 0;
float painel_2 = 0;
float corrente_1 = 0;
float corrente_2 = 0;
float potencia_1 = 0;
float potencia_2 = 0;
// ENABLE, HALF-FULL, CW-CCW, CLK
int pinCwCCW = 13;
int pinCLK = 11;
int pinEnable = 12;
int ldr1 = 0;
int ldr2 = 0;
int ldr3 = 0;
void setup()
pinMode(pinLdr_1,INPUT);
pinMode(pinLdr_2,INPUT);
pinMode(pinLdr_3,INPUT);
48
pinMode(pinEnable, OUTPUT);
pinMode(pinCwCCW, OUTPUT);
pinMode(pinCLK, OUTPUT);
void leitura(void)
ldr1 = analogRead(pinLdr_1);
ldr2 = analogRead(pinLdr_2);
ldr3 = analogRead(pinLdr_3);
void steps(int nro)
int i;
//200 passos = 360 graus (full step)
digitalWrite(pinEnable,HIGH);
for(i=0;i<nro;i++)
digitalWrite(pinCLK,HIGH);
delay(10); //10ms
digitalWrite(pinCLK,LOW);
delay(10);
digitalWrite(pinEnable,LOW);
void loop()
leitura();
digitalWrite(pinEnable,HIGH);
Serial.begin(9600);
if (ldr3 > ldr2 && ldr3 > ldr1)
moveL();
else if (ldr1 > ldr2 && ldr1 > ldr3)
moveR();
// 1023 - 5V | range 0 - 5V
// POT = (U ^ 2) / R -> R = LOAD (Voltage Divider)
49
//CALCULOS PAINEL 1
painel_1 = analogRead(pinPainel_1);
painel_1 = (painel_1 * 5)/1023;
//painel_1 = painel_1*2;
painel_1 = (R11+R12)*(painel_1/R12);
potencia_1 = (painel_1*painel_1)/(R11+R12);
corrente_1 = potencia_1 / painel_1;
//CALCULOS PAINEL 2
painel_2 = analogRead(pinPainel_2);
painel_2 = (painel_2 * 5)/1023;
//painel_2 = painel_2*2;
painel_2 = (R21+R22)*(painel_2/R22);
potencia_2 = (painel_2*painel_2)/(R21+R22);
corrente_2 = potencia_2 / painel_2;
//DADOS PARA A PORTA SERIAL
Serial.print(painel_1);
Serial.print(";");
Serial.print(corrente_1);
Serial.print(";");
Serial.print(potencia_1);
Serial.print(";");
Serial.print(painel_2);
Serial.print(";");
Serial.print(corrente_2);
Serial.print(";");
Serial.print(potencia_2);
Serial.println("!");
Serial.end();
delay(500);
50
void moveL()
leitura();
digitalWrite(pinCwCCW,HIGH);
while (ldr2<ldr3)
//executar 1 passos = 1.8 graus
steps(1);
leitura();
if (ldr1>ldr3) return;
void moveR()
leitura();
digitalWrite(pinCwCCW,LOW);
while (ldr2<ldr1)
//executar 1 passo = 1.8 graus
steps(1);
leitura();
if (ldr3>ldr1) return;
51
7.2 Código Fonte do Formulário de Coleta de Dados
unit Unit1;
interface
uses
Windows, Messages, SysUtils, Variants, Classes, Graphics, Controls, Forms,
Dialogs, CPort, ComCtrls, StdCtrls, CPortCtl, ExtCtrls, Registry, Buttons;
type
TForm1 = class(TForm)
ComPort1: TComPort;
StatusBar1: TStatusBar;
GroupBox1: TGroupBox;
Label1: TLabel;
GroupBox2: TGroupBox;
Memo1: TMemo;
Timer1: TTimer;
ListBox1: TListBox;
Label2: TLabel;
ComboBox1: TComboBox;
Shape1: TShape;
BitBtn1: TBitBtn;
CheckBox1: TCheckBox;
Label3: TLabel;
Edit1: TEdit;
Label4: TLabel;
Label5: TLabel;
BitBtn2: TBitBtn;
BitBtn3: TBitBtn;
tmrAuto: TTimer;
procedure BitBtn1Click(Sender: TObject);
procedure Edit1KeyPress(Sender: TObject; var Key: Char);
procedure Timer1Timer(Sender: TObject);
procedure BitBtn2Click(Sender: TObject);
procedure BitBtn3Click(Sender: TObject);
procedure FormActivate(Sender: TObject);
procedure FormClose(Sender: TObject; var Action: TCloseAction);
52
procedure tmrAutoTimer(Sender: TObject);
private
Private declarations
public
Public declarations
end;
var
Form1: TForm1;
implementation
$R *.dfm
procedure TForm1.BitBtn1Click(Sender: TObject);
begin
//showmessage(listbox1.Items[listbox1.itemindex]);
if (listbox1.ItemIndex > -1) then
begin
comport1.open;
comport1.Port := listbox1.Items[listbox1.itemindex];
timer1.interval := 60000 * strtoint(edit1.Text);
timer1.Enabled := true;
comport1.Connected := true;
bitbtn1.Enabled := false;
bitbtn2.Enabled := true;
end
else
begin
showmessage('Selecione a porta para conexão!');
end;
end;
procedure TForm1.Edit1KeyPress(Sender: TObject; var Key: Char);
begin
if not (Key in['0'..'9',Chr(8)]) then Key:= #0;
end;
procedure GravaArquivoLog;
const
53
NomArquivo: String = 'Log.txt';
var
Path: String;
Arquivo: TextFile;
begin
Path := ExtractFilePath(Application.ExeName);
AssignFile(Arquivo, Path + NomArquivo);
if not FileExists(Path + NomArquivo) then
begin
Rewrite(Arquivo);
Closefile(Arquivo);
end
else
AssignFile(Arquivo, Path + NomArquivo);
$I-
Append(Arquivo);
$I+
If IOResult<> 0 Then
Begin
End;
Writeln(Arquivo, '================================================');
Writeln(Arquivo, '============= '+ DateToStr(Date) + ' | ' + TimeToStr(Time) + '
============' );
Writeln(Arquivo, '================================================');
Write(Arquivo,Form1.memo1.text);
writeln(Arquivo,' ');
Closefile(Arquivo);
end;
procedure TForm1.Timer1Timer(Sender: TObject);
var
Str : string;
nPos : integer;
begin
comport1.ReadStr(Str,comport1.Buffer.InputSize);
nPos := pos('!',Str);
Str := Copy(Str,1,nPos-1);
memo1.Lines.add(timetostr(time()) + ';' +Str);
54
end;
procedure TForm1.BitBtn2Click(Sender: TObject);
begin
edit1.Text := '1';
timer1.Enabled := false;
comport1.Connected := false;
bitbtn1.Enabled := true;
bitbtn2.Enabled := false;
end;
procedure TForm1.BitBtn3Click(Sender: TObject);
begin
memo1.Clear;
end;
procedure TForm1.FormActivate(Sender: TObject);
var
Reg : TRegistry;
Lista : TStrings;
i : integer;
begin
Reg := TRegistry.Create;
try
Reg.RootKey := HKEY_LOCAL_MACHINE;
Reg.OpenKey('Hardware\DeviceMap\SerialComm',
false);
Lista := TStringList.Create;
try
Reg.GetValueNames(Lista);
for i := 0 to Lista.Count -1 do
Listbox1.Items.Add(Reg.ReadString(Lista[i]));
finally
Lista.Free;
end;
Reg.CloseKey;
finally
Reg.Free;
end;
55
end;
procedure TForm1.FormClose(Sender: TObject; var Action: TCloseAction);
begin
GravaArquivoLog;
end;
procedure TForm1.tmrAutoTimer(Sender: TObject);
begin
GravaArquivoLog;
end;
end.
7.3 Dados Coletados
Tabela 5 - Dados Coletados
Hora Vpainel1 (V) Ipainel1 (A) Ppainel1 (W) Vpainel2 (V) Ipainel2 (A) Ppainel2 (W) 08:46:20 7,03 0,350 2,47 5,48 0,343 1,88 08:47:20 7,02 0,350 2,46 5,47 0,342 1,87 08:48:20 7,02 0,350 2,46 5,49 0,343 1,88 08:49:20 7 0,350 2,45 5,48 0,343 1,88 08:50:20 7 0,350 2,45 5,48 0,343 1,88 08:51:20 6,99 0,350 2,44 5,48 0,343 1,88 08:52:20 7 0,350 2,45 5,48 0,343 1,88 08:53:20 6,98 0,350 2,44 5,47 0,342 1,87 08:54:20 6,98 0,350 2,44 5,47 0,342 1,87 08:55:20 6,98 0,350 2,44 5,47 0,342 1,87 08:56:20 6,97 0,350 2,43 5,46 0,341 1,86 08:57:20 6,97 0,350 2,43 5,46 0,341 1,86 08:58:20 6,97 0,350 2,43 5,46 0,341 1,86 08:59:20 6,96 0,350 2,42 5,46 0,341 1,86 09:00:20 6,95 0,350 2,42 5,46 0,342 1,86 09:01:20 6,96 0,350 2,42 5,46 0,341 1,86 09:21:28 6,9 0,350 2,38 5,48 0,343 1,88 09:22:28 6,89 0,340 2,37 5,47 0,342 1,87 09:23:28 6,89 0,340 2,37 5,46 0,341 1,86 09:24:28 6,89 0,340 2,37 5,46 0,341 1,86 09:25:28 6,91 0,350 2,39 5,49 0,343 1,88 09:26:28 6,92 0,350 2,39 5,50 0,344 1,90 09:27:28 6,91 0,350 2,39 5,49 0,343 1,88 09:28:28 6,91 0,350 2,39 5,50 0,344 1,89 09:29:28 6,9 0,350 2,38 5,49 0,343 1,88 09:30:28 6,91 0,350 2,39 5,49 0,343 1,88 09:31:28 6,91 0,350 2,39 5,48 0,343 1,88 09:38:48 6,91 0,350 2,39 5,06 0,316 1,60 09:39:48 6,92 0,350 2,39 5,04 0,314 1,58 09:40:48 6,92 0,350 2,39 5,03 0,315 1,58 09:41:48 6,92 0,350 2,39 5,35 0,315 1,68 09:42:48 6,92 0,350 2,39 5,33 0,313 1,67 09:43:48 6,9 0,350 2,38 5,32 0,313 1,67 09:44:48 6,89 0,340 2,37 5,31 0,312 1,66 09:45:48 6,9 0,350 2,38 5,32 0,313 1,67 09:46:48 6,9 0,350 2,38 5,32 0,313 1,67 09:47:48 6,89 0,340 2,37 5,75 0,338 1,95 09:48:48 6,88 0,340 2,37 5,72 0,336 1,92 09:49:48 6,87 0,340 2,36 5,35 0,315 1,68
56
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