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UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA
ALESSANDRO CRISTIANO ARAUJO DE MELLO
EDDY JEAN
ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE UM POSTE COM SISTEMA DE BACKUP
E USO DE ENERGIA RENOVÁVEL
Palhoça
2021
ALESSANDRO CRISTIANO ARAUJO DE MELLO
EDDY JEAN
ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE UM POSTE COM SISTEMA DE BACKUP
E USO DE ENERGIA RENOVÁVEL
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado ao Curso de Engenharia
Elétrica, da Universidade do Sul de Santa
Catarina, como requisito parcial à obtenção
do título de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Anderson Soares André, Dr.
Palhoça
2021
ALESSANDRO CRISTIANO ARAUJO DE MELLO
EDDY JEAN
ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE UM POSTE COM SISTEMA DE BACKUP
E USO DE ENERGIA RENOVÁVEL
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi
julgado adequado à obtenção do título de
Engenheiro Eletricista e aprovado em sua
forma final pelo Curso de Engenharia
Elétrica da Universidade do Sul de Santa
Catarina.
Palhoça, 08 de setembro de 2021.
______________________________________________________
Professor e Orientador Anderson Soares André, Dr.
Universidade do Sul de Santa Catarina
______________________________________________________
Prof. Djan de Almeida do Rosário, Ms.
Universidade do Sul de Santa Catarina
______________________________________________________
Thiago Scheidt, Eng. Eletricista
Universidade do Sul de Santa Catarina
Esse trabalho é dedicado aos nossos
familiares, que na maioria das vezes estavam
a quilômetros de distância, porém sempre
nos incentivaram e acreditaram no nosso
sonho.
AGRADECIMENTOS
Alessandro e Eddy Agradecem:
Primeiramente agradecemos a Deus, por permitir a realização de mais uma etapa
em nossas vidas, que é a conclusão do curso de Engenharia Elétrica.
Agradecemos ao nosso orientador, professor Anderson Soares André, por todo
ensinamento e suporte para elevar o desenvolvimento deste trabalho.
Agradecemos a equipe de PPA - Programa de Promoção de Acessibilidade, em
especial a Salete Cecilia de Souza.
A esta instituição Universidade do Sul de Santa Catarina, e todos os seus
professores que compartilharam seus conhecimentos e suas experiências para nosso
desenvolvimento acadêmico.
Ao professor avaliador Djan de Almeida do Rosário, pelo seu tempo
disponibilizado para avaliar e contribuir para futuras melhorias desse trabalho de conclusão
de curso.
Ao professor Claudio Coelho, pelo direcionamento prestado nesse trabalho de
conclusão de curso.
Ao Engenheiro Thiago Scheidt, por disponibilizar seu tempo para avaliar esse
trabalho.
Aos nossos colegas de cursos e amigos, que sempre estavam presentes
contribuindo de alguma forma para que superássemos as dificuldade e obstáculos
encontrados nessa jornada.
Alessandro Agradece:
Agradeço a minha família, em especial aos meus pais, Areliano Pereira de Mello
e Maria Gerci Araujo de Mello, que sempre estiveram presentes na minha jornada acadêmica
e por toda compreensão quando estive ausente.
A minha esposa pelos momentos de companheirismo, paciência e motivação que
teve durante toda a graduação.
“Eu tentei 99 vezes e falhei, mas na centésima tentativa eu consegui, nunca
desista de seus objetivos mesmo que esses pareçam impossíveis, a próxima tentativa pode
ser a vitoriosa.” (Albert Einstein).
RESUMO
O presente trabalho aborda o estudo e desenvolvimento de um protótipo, destinado a atender
a iluminação do estacionamento e outras partes externas do Campus da Unisul da Pedra
Branca. Esse sistema de iluminação tem como principal fonte de alimentação a energia
proveniente de um módulo fotovoltaico, que é acoplado a um sistema de armazenamento de
energia baseado em baterias de notebook reutilizadas. O tipo de lâmpada escolhido para a
implementação utiliza a tecnologia de LED, por se tratar de uma das mais eficientes da
atualidade. Esse equipamento gera benefícios adicionais, quando comparado com sistemas
tradicionais, como um bom nível de iluminamento durante a noite e segurança para as
pessoas que transitam na parte externa em períodos noturnos pois, quando ocorre falta de
energia elétrica, o sistema de backup garante a continuidade da operação. Assim, este
trabalho de conclusão de curso apresenta informações técnicas e históricas sobre as
lâmpadas, além de conceitos das tecnologias que compõe o protótipo do poste solar. Através
dos resultados obtidos no experimento, conclui-se que é possível fazer a instalação do
projeto para atender o estacionamento dos Campus da Unisul, porém não foi levado em
consideração o custo de implementação, apenas os benefícios que gera para o local e meio
ambiente, pois o projeto comtempla de lâmpadas com eficiência energética e uso de energia
renovável.
Palavras-chave: Poste solar; Baterias; LED.
ABSTRACT
This work deals with the study and development of a prototype, designed to serve the lighting
of the parking lot and other external parts of the Unisul da Pedra Branca Campus. This
lighting system has as its main power source the energy coming from a photovoltaic module,
which is coupled to an energy storage system based on reused notebook batteries. The type
of lamp chosen for the implementation uses LED technology, as it is one of the most efficient
today. This equipment should generate additional benefits, when compared to traditional
systems, such as a good level of lighting at night and safety for people who travel outside at
night because, when there is a power outage, the backup system must guarantee the
continuity of the operation. Thus, this course conclusion work presents technical and
historical information about the lamps, as well as concepts of the technologies that make up
the prototype of the solar pole.
Keywords: Solar pole. Backup. LEDs Lamp.
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
A – Unidade Ampére
ABSOLAR – Associação Brasileria de Energia Solar Fotovoltaica
ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica
BMS – Sistema de Gerenciamento de bateria (do inglês, Battery Managment System)
CA – Corrente Alternada
CBMM – Companhia Brasileira de Metalurgica e Mineração
eV - Eletron Volt
CC – Corrente Contínua
GW – GigaWatt
KWh – QuiloWatt-hora
LED – Diodo Emissor de Luz ( do inglês, Light-Emitting-Diode)
LI-ION – Ions de Lítio
MW – MegaWatt
PRODIST – Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico
Nacional
PFV – Painel Fotovoltaico
S – Segundo
STC – Condições Padrões de Teste
UNISUL – Universidade do Sul de Santa Catarina
V – Tensão Elétrica
W – Unidade Watt
Wh – Unidade Watt hora
Wp – Watt pico
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Evolução do sistema de iluminação ................................................................... 18
Figura 2 – Ilustração e eficiência luminosa de diferentes lâmpadas ................................... 18
Figura 3 – Lâmpada incandescente ..................................................................................... 19
Figura 4 – Ilustração e estrutura interna de um LED de sinal ............................................. 21
Figura 5 – RGB, mistura de cores ....................................................................................... 22
Figura 6 – Evolução das principais fontes de luz branca .................................................... 23
Figura 7 – Comparativo de iluminação utilizando lâmpadas de vapor de sódio e LEDs .... 23
Figura 8 – Iluminância ......................................................................................................... 24
Figura 9 – Estrutura de bandas de energia em condutor, semicondutor, isolante ............... 25
Figura 10 – Estrutura básica de célula fotovoltaica ............................................................. 26
Figura 11 – Célula de silício monocristalina ....................................................................... 28
Figura 12 – Matriz Elétrica do Brasil .................................................................................. 30
Figura 13 – Evolução do preço da energia fotovoltaica no mercado regulado ................... 31
Figura 14 – Mercado fotovoltaico no mundo ...................................................................... 31
Figura 15 – Estação do ano.................................................................................................. 32
Figura 16 – Orbita da terra em torno do sol, com eixo inclinado de 23,45º ........................ 32
Figura 17 – Irradiação solar no plano inclinado média anual.............................................. 33
Figura 18 – Bateria estacionária e suas características construtivas ................................... 35
Figura 18 – Tempo e limites de tensão de descarga ............................................................ 36
Figura 20 – Bateria de íons de lítio...................................................................................... 36
Figura 21 – Microcontrolador Arduino UNO ..................................................................... 38
Figura 22 – Módulo relé ...................................................................................................... 39
Figura 23 – Principio de operação do retificador onda completa ........................................ 39
Figura 24 – Operação do semiciclo positivo ....................................................................... 40
Figura 25 – Operação do semiciclo positivo ....................................................................... 41
Figura 26 – Poste com iluminação Vapor metálico ............................................................. 42
Figura 27 – Lâmpada LED .................................................................................................. 43
Figura 28 – Bateria de lítio modelo ICR18650 ................................................................... 44
Figura 29 – Certificado do INMETRO ............................................................................... 45
Figura 30 – Coordenadas longitude e latitude do Campus Unisul. ..................................... 47
Figura 31 – Irradiação solar no plano Inclinado em Palhoça - SC ...................................... 47
Figura 32 – Painel e estrutura .............................................................................................. 48
Figura 33 – Módulo BMS .................................................................................................... 49
Figura 34 – Controlador de carga YDTECH ....................................................................... 51
Figura 35 – Configuração do controlador de carga YDTECH ............................................ 52
Figura 36 – Programa na linguagem C ................................................................................ 53
Figura 37 – Diagrama esquemático do poste solar .............................................................. 54
Figura 38 – Protótipo em dia de sol pleno ........................................................................... 56
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Etapas evolutivas da produção da luz. ............................................................... 16
Tabela 2 – Dados técnicos de lâmpadas de três fabricantes ................................................ 21
Tabela 3 – Etapas evolutivas das células fotovoltaica ......................................................... 26
Tabela 4 – Dados elétricos STC - Condições Padrão de Testes .......................................... 28
Tabela 5 – Dados elétricos NOCT -Temperatura Nominal de Operação da Célula Solar .. 29
Tabela 6 – Dados técnicos módulo monocristalino ............................................................. 29
Tabela 8 – Dados técnico da bateria modelo ICR18650 ..................................................... 44
Tabela 7 – Dados técnico do PFV ....................................................................................... 45
Tabela 9 – Dados técnico do módulo BMS ......................................................................... 49
Tabela 10 – Tarifa e consumo de energia. ........................................................................... 55
SUMÁRIO
1.1 JUSTIFICATIVA ....................................................................................................... 12
2 INTRODUÇÃO............................................................................................................ 13
2.1 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA ................................................................................. 14
2.2 OBJETIVOS ............................................................................................................... 14
2.2.1 Objetivo Geral ........................................................................................................ 14
2.2.2 Objetivos Específicos.............................................................................................. 15
2.3 DELIMITAÇÕES ....................................................................................................... 15
2.4 ESTRUTURA DO TRABALHO ............................................................................... 15
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................... 16
3.1.1 Sistema de Iluminação ........................................................................................... 16
3.1.2 Geração de Luz ....................................................................................................... 19
3.1.3 Luminescência ........................................................................................................ 19
3.1.4 Fluorescência .......................................................................................................... 20
3.1.5 Fosforescência ......................................................................................................... 20
3.1.6 Sistemas De Iluminação Atual – Lâmpadas de Vapor Metálico ........................ 20
3.1.7 Sistema de Iluminação Proposto - LED ............................................................... 21
3.1. Iluminância .................................................................. Erro! Indicador não definido.
3.2 ENERGIA SOLAR ................................................................................................... 24
3.2.1 Dados Solarimétricos ............................................................................................. 31
3.3 DIMENSIONAMENTO DE PAINÉIS FOTOVOLTAICO ................................. 34
3.4 SISTEMAS DE ARMAZENAMENTO .................................................................. 34
3.5 BATERIAS DE ÍON DE LÍTIO .............................................................................. 36
3.5.1 Dimensionamento das Baterias ............................................................................. 37
3.5.2 Placa Microcontrolada ........................................................................................... 37
3.5.3 Módulo Relé ............................................................................................................ 38
3.5.4 Retificador Monofásico .......................................................................................... 39
4 DESENVOLVIMENTO .............................................................................................. 42
4.1 PRINCIPAIS COMPONENTES ............................................................................. 43
4.1.1 Lâmpada Led .......................................................................................................... 43
4.1.2 Dimensionamento da bateria ................................................................................ 44
4.1.3 PAINEL SOLAR FOTOVOLTAICO .................................................................. 45
4.1.4 Módulo BMS 3S 20A - 18650 ................................................................................ 48
4.1.5 Controlador de Carga ............................................................................................ 50
4.1.6 Placa Microcontrolada ........................................................................................... 52
5 CONCLUSÃO .............................................................................................................. 57
REFERÊNCIAS ................................................................................................................ 59
12
1.1 JUSTIFICATIVA
O Campus Unisul Pedra Branca, situado na cidade de Palhoça, oferece a maior parte
de seus cursos durante o período noturno, o que leva a uma maior concentração de alunos,
professores e funcionários no intervalo de 18h00 às 22h30. Durante a noite, existe a necessidade
de uma boa iluminação, tanto em áreas internas quanto externas, a fim de garantir a segurança
e facilidade de movimentação.
Entretanto, todo sistema elétrico está sujeito a falhas, que levam a situações em que
ocorrem problemas com o sistema de alimentação e muitos deles não são facilmente evitáveis.
As faltas mais comuns do sistema elétrico costumam ser provenientes de falha humana,
intempéries, ventos, animais, umidade, falhas em linhas transmissões.
Embora o campus já seja dotado de sistema de iluminação de emergência na parte
interna de suas edificações, esta situação leva à possibilidade de desenvolvimento de um
equipamento capaz de garantir iluminação mínima na área externa, em especial, nos
estacionamentos. Como um dos elementos mais importantes dessa proposta será o de
armazenamento de energia, pode-se aproveitar sua presença para adicionar uma nova
funcionalidade que é a utilização da energia solar fotovoltaica.
Devido ao número de interrupções de energia registrados pela concessionária serem
baixos, não se justifica o uso de baterias apenas como sistema backup, porém, se for agregado
com painéis fotovoltaicos, se torna economicamente e tecnicamente viável. Assim, a energia
gerada por painéis fotovoltaicos durante o dia pode ser armazenada utilizando o banco de
baterias e consumida durante a noite, reduzindo o uso da energia da concessionária.
13
2 INTRODUÇÃO
Muitos dos atuais sistemas de iluminação pública utilizam tecnologias e
componentes avançados, e representam uma grande evolução quando comparados com
sistemas do século XX. A iluminação artificial sempre foi importante para toda a humanidade,
pois existem registro de que a primeira fonte de luz utilizada como iluminação foi a fogueira,
cerca de 500.000 A.C. Ao longo dos séculos, vários outros processos foram utilizados na
geração de luz, desde a queima de gorduras e de gás, mas foi a energia elétrica que mais
contribuiu para a evolução do mundo (VALLEJO, 2012).
Atualmente existe inúmeros lugares para aplicações da iluminação pública como
em praças, áreas comerciais, universidades. A iluminação, além de possibilitar visão, influência
a percepção e o comportamento das pessoas, permite ver formas e distinguir objetos, permite
que as pessoas possam andar durante a noite pelas ruas de forma segura (SOUZA, 2018).
A maioria dos sistemas de iluminação atuais são alimentados exclusivamente pela
rede elétrica e utilizam diversos tipos de lâmpadas, como por exemplo: incandescente, vapor
de sódio, vapor metálico, vapor de Mercúrio, compactas ou LEDs. A busca por um sistema de
iluminação pública de qualidade e de baixo impacto ambiental tende a aumentar, a cada dia.
Além disso, alguns setores já estão incorporando o uso energias renováveis em seus projetos de
iluminação pública, tendo como principal fonte de energia a solar fotovoltaica. A energia solar
é convertida em energia elétrica, através dos painéis fotovoltaicos, contendo um sistema de
armazenamento de energia para melhor aproveitamento.
O Brasil é um país privilegiado, pois a radiação solar é ótima quando comparado
com outros países de latitude desfavoráveis. Dados mostram que em 2012, muitas pessoas
tiveram grande interesse na energia fotovoltaica, porém devido aos altos custos a distribuição
dos chamados kits fotovoltaicos tiveram uma venda discreta. Após aproximadamente 4 anos
(2012 a 2016) o cenário brasileiro se manteve em busca de melhores preços e com algumas
instalações. Os preços neste período foram cada vez mais atrativos para o mercado brasileiro,
onde a partir de 2016, o Brasil e o mercado de geração de energia fotovoltaica sentiram um
impacto extraordinário tendo um crescimento exponencial (ABSOLAR ,2020).
14
2.1 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA
A demanda por uma iluminação pública funcional e com continuidade adequada é
cada vez maior, pois é considerada essencial à qualidade de vida nos centros urbanos. Este
serviço começou a ser ofertado em Londres, no ano de 1417, com a instalação de lanternas em
alguns pontos da cidade e já foi baseado no uso de lampiões de óleo de peixe e a gás, que
mantém pouca relação com os modernos sistemas elétricos. Entretanto, os sistemas usualmente
encontrados não possuem qualquer tipo de backup, que permita uma iluminação mínima, no
caso da ocorrência de problemas no sistema de fornecimento de energia da concessionária
(SILVA, 2006).
Conforme o decreto 2.335/1997, a ANEEL estabelece Procedimentos de
Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional – PRODIST. Na seção 8.2, que
trata da qualidade do serviço, a ANEEL determina que as distribuidoras devem fazer a coleta e
apuração dos indicadores de continuidade do serviço de distribuição. Com base nestes dados,
fornecidos pela concessionária, observou-se que no Campus Pedra Branca, da UNISUL,
ocorreram 24 interrupções de energia ao longo do ano de 2019, o que pode ser traduzido em
redução na segurança e bem-estar dos usuários destes ambientes.
Levando-se em consideração a importância da iluminação artificial num ambiente
como um campus universitário, este trabalho apresenta um sistema de iluminação com backup
de baterias. Por outro lado, em função dos custos de um sistema de armazenamento, pode-se
incorporar ao conjunto placas de geração fotovoltaica, que permitirão melhor aproveitamento
das baterias (SHULZ, 2016).
2.2 OBJETIVOS
A seguir são apresentados os objetivos gerais e específicos deste trabalho de conclusão
de curso.
2.2.1 Objetivo Geral
Projetar e implementar um sistema de iluminação, de aplicação externa, capaz de
garantir iluminamento no estacionamento do Campus Pedra Branca, em caso de falhas da rede
15
elétrica, utilizando energia solar fotovoltaica, como forma de garantir melhor aproveitamento
do conjunto de baterias.
2.2.2 Objetivos Específicos
a) Estudar o sistema de iluminação atualmente utilizado no estacionamento do
Campus Pedra Branca da UNISUL;
b) Avaliar a substituição do atual sistema de Iluminação por LED;
c) Dimensionar um banco de baterias compatível com o sistema de iluminação por
LED;
d) Dimensionar painel fotovoltaico compatível com o conjunto eletrônico utilizado.
e) Desenvolver protótipo do equipamento.
2.3 DELIMITAÇÕES
Este trabalho busca o estudo e desenvolvimento do protótipo de um poste, com
sistema de armazenamento e uso de energia fotovoltaica. Esse protótipo contemplará
tecnologias disponíveis no mercado. Não será feita a instalação física deste conjunto no
estacionamento do Campus.
2.4 ESTRUTURA DO TRABALHO
Esse trabalho de conclusão de curso está estruturado em 3 capítulos. No Capítulo 1
é feita a apresentação de uma visão geral do objeto em estudo. No segundo capítulo é
apresentada uma Revisão Bibliográfica, que contempla um breve histórico da evolução dos
sistemas de iluminação pública; conceitos e tipos de lâmpadas utilizados, células e módulos de
silício; Arduino, conceito das principais baterias existentes.
No capítulo 3 é apresentado os principais componentes que compõe o protótipo e
especificações técnicas dos equipamentos, programa na linguagem C, apresentação dos dados
obtidos em experimentos realizado.
16
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A elaboração deste item do trabalho de conclusão de curso, envolveu a escolha de
conceitos científicos e técnico considerados mais significativos para a compreensão do
desenvolvimento do protótipo, incluindo a utilização da energia solar, além de permitir o
entendimento das tecnologias empregadas.
3.1.1 Sistema de Iluminação
A história dos sistemas de iluminação pública está cheia de registro, onde vários
métodos e modelos foram utilizados para iluminar as vias urbanas. Diversos tipos de
equipamentos foram utilizados como forma de iluminação, desde tochas de madeira
impregnadas com óleo, lamparinas, lâmpadas a gás, porém o método que teve maior
contribuição para a humanidade surgiu no ano de 1880, quando Thomas Alva Edison patenteou
a primeira lâmpada incandescente de 16 watts, com duração de 1500 horas (VALLEJO, 2012).
No ano de 1883 junto com o inglês Josep W. Swan, fundou a empresa Edison & Swan United
Electric Light Company Ltd., onde produziram e venderam as primeiras lâmpadas
incandescente. A partir desse marco histórico, vários outros países passaram a utilizar
iluminação pública e residencial utilizando energia elétrica. Essa descoberta, realizada por
Thomas Edison, contribuiu mundialmente para o desenvolvimento tecnológico e científico.
Desde então, novas pesquisas foram realizadas, o que permitiu desenvolver outros tipos de
lâmpadas, com mais eficiência energética, maior tempo de vida útil e com menor custo de
produção (VALLEJO, 2012). A Tabela 1, apresenta as etapas evolutivas da produção de luz.
Tabela 1 – Etapas evolutivas da produção da luz.
(Continua) ANO FONTE LUMINOSA
DOMÍNIO DO FOGO
? Descoberta do Fogo
500000 a.C. Fogueira
200000 a.C. Tocha
20000 a. C. Lâmpada a óleo animal
Século I Vela de Cera
1780 Vela de Espermacete
1784 Lampião Argand
1803 Lampião a gás de carvão
17
(Conclusão) ANO FONTE LUMINOSA
DOMÍNIO DA ELETRICIDADE
1808 Arco voltaico
1880 Arco voltaico controlado
1901 Lâmpada a vapor baixa pressão
1902 Lâmpada incandescente de ósmio
1906 Lâmpada incandescente Tântonio
1907 Lâmpada incandescente tungstênio
1908 Lâmpada vapor de mercúrio alta pressão
1912 Lâmpada incandescente tungstênio espiral
1931 Lâmpada vapor de sódio baixa pressão
1932 Lâmpada fluorescente
1933 Lâmpada incandescente espiral dupla
1933 Lâmpada de vapor de sódio de baixa pressão
1934 Lâmpada incandescente espiral tripla
1935 Lâmpada vapor de mercúrio alta pressão
1941 Lâmpada de luz mista
1955 Lâmpada vapor de sódio alta pressão
1959 Lãmpada incandescente halógena
1962 Comercialização do Led para sinalização
1964 Lâmpada vapor a iodetos metálicos
1965 Lâmpada de sódio alta pressão
1973 Lâmpada florescente de pós-emissivos
1980 Lâmpada florescente compacta
1987 Lâmpada incandescente econômica
1988 Sistemas integrados
1990 Leds variadas cores
1991 Lâmpada de indução
1992 Lâmpada fluorescente eletrônica compacta
1994 Lâmpada de enxofre
1995 Lâmpadas Leds
1996 Lâmpadas fluorescentes de 16 mm diâmetro
Fonte: Adaptado de Marteleto (2011).
A Figura 1, mostra a ilustração de apenas alguns dos dispositivos que contribuíram
para a evolução do sistema de iluminação.
18
Figura 1 – Evolução do sistema de iluminação
Fonte: Tridan (2021).
A evolução das lâmpadas nem sempre teve como objetivo principal a qualidade da
luz emitida, pois o consumo de energia é o foco principal na maioria dos projetos. Um exemplo
são as lâmpadas de vapor de sódio utilizadas em sistemas de iluminação pública, onde apresenta
uma eficiência melhor na reprodução de luz, porém com índices de reprodução de cores
deficiente, o que dá a sensação de um ambiente melancólico.
Segundo o fabricante OSRAM, atualmente existem vários tipos de lâmpadas
disponíveis, o que as diferenciam são as tecnologias utilizadas, a potência de consumo e o fluxo
luminoso. A eficiência luminosa é a relação entre o fluxo luminoso liberado pela lâmpada
(lumens) e a potência elétrica aplicada (watts) que tem como unidade lumens/watts (lm/W). A
Figura 2, mostra a eficiência energética entre modelos de lâmpadas, como pode ser verificado
uma lâmpada no modelo HCV PAR38, tem um rendimento superior a 140lm/W.
Figura 2 – Ilustração e eficiência luminosa de diferentes lâmpadas
Fonte: Acaroni (2013).
19
3.1.2 Geração de Luz
Segundo André (2004), as fontes de luz são classificadas em duas classes,
conhecidas como; incandescente e luminescente. A forma da emissão da luz é o mesmo em
ambos os casos, isto é, “transição eletrônica de um estado de energia mais alto para um mais
baixo, diferindo apenas no modo de excitação.” (ANDRÉ, 2004, p.56).
A incandescência é um fenômeno que ocorre através emissão de radiação
eletromagnética por um corpo quando submetido a alta temperatura, um exemplo é a construção
de lâmpadas incandescentes e alógenas. A lâmpada incandescente consiste numa base de rosca
e um bulbo onde se encontra um filamento com gás inerte como argônio ou vácuo para evitar
o consumo do filamento, quando a corrente elétrica circula pelo filamento, ocorre o
aquecimento do filamento e torna-se incandescentes (ANDRÉ,2004). Abaixo a Figura 3, mostra
a estrutura de uma lâmpada incandescente.
Figura 3 – Lâmpada incandescente
Meio Interno
Bulbo
Filamento
Tubo de Exaustão
Base
Condutores Internos
Fonte: André (2004).
3.1.3 Luminescência
Luminescência é a característica que alguns corpos têm de absorver energia e
posteriormente emitir essa radiação. Quando uma fonte de fótons de luz é introduzida sobre
esse material ocorre a excitação de elétrons desse material da banda de valência para a banda
de condução. A luminescência é dividida em dois tipos; Fluorescência e Fosforescência
(SMITH; HASHEMI, 2012).
20
3.1.4 Fluorescência
Segundo André (2004, p.14) escreve: “lâmpadas fluorescentes e lâmpadas de
mercúrio, a radiação ultravioleta, resultante da luminescência do vapor de mercúrio devido à
descarga no gás, é convertida em luz visível por uma cobertura de fósforo no interior do tubo
[...]”.
A fluorescência ocorre após a excitação, onde o processo de emissão leva 10−8 s,
e volta ao estado fundamental, em fluorescência o material emite luz visível, enquanto está
sendo excitado por uma fonte de energia (SMITH; HASHEMI, 2012).
3.1.5 Fosforescência
De acordo com Smith e Hashemi (2012) fosforescência ocorre após a excitação,
onde o processo de emissão leva mais de 10−8 s, ou seja, o material emite luz visível, somente
após o corte da fonte de energia.
Segundo André (2004) esse fenômeno chamado fosforescência, ocorre em
lâmpadas fluorescentes de forma muito rápida, quando uma lâmpada é alimentada em corrente
alternada de baixa frequência, esse fenômeno ajuda minimizar o efeito estroboscópio nas
lâmpadas fluorescentes.
3.1.6 Sistemas De Iluminação Atual – Lâmpadas de Vapor Metálico
A lâmpada de vapor metálico é constituída de um bulbo de vidro e um tubo de
quartzo, contendo iodetos metálicos e gás argônio de alta pressão. Quando uma tensão é
aplicada entre os eletrodos cria-se um campo elétrico entre os eletrodos, o que faz gerar um
arco elétrico entre os mesmos, o calor gerado pelo arco elétrico ioniza o argônio, o que causa a
evaporação metálica que se ioniza e passa emitir luz (NERY, 2019).
As lâmpadas de vapor metálico foram projetadas para proporcionar um fluxo
luminoso com excelente reprodução de cores, conseguindo iluminar grandes espaços, com
muita qualidade. Esse modelo de lâmpada necessita de reator para a partida e capacitor para a
correção do fator de potência (NERY, 2019).
A lâmpada de vapor metálico é muito similar a uma lâmpada de vapor mercúrio,
porém com algumas vantagens, pois as lâmpadas de vapor metálico têm melhor fluxo luminoso
e eficiência luminosa, conforme apresentada a Tabela 2.
21
Tabela 2 – Dados técnicos de lâmpadas de três fabricantes
Fonte: Philips; Osram; Ourolux (2020).
3.1.7 Sistema de Iluminação Proposto - LED
Segundo Nery (2019), LED é a sigla em inglês, de Light Emissor Diode, um diodo
emissor de luz é composto de um terminal ânodo, conhecido como polo positivo (+) e outro
chamado cátodo, conhecido como polo negativo (-). Quando polarizado de forma direta ocorre
o efeito luminoso, liberando energia em forma de luz visível. Os materiais utilizados na
construção dos semicondutores são de Silício (Si) e Germânio (Gr). A Figura 4, apresenta a
estrutura interna de um LED de sinal.
Figura 4 – Ilustração e estrutura interna de um LED de sinal
Fonte: Timóteo (2011).
De acordo com Junior (2010), LEDs de alta potência têm como característica a
necessidade do uso de dissipador de energia, e são projetados para suportar potências a partir
de 1W. Esses LEDs são aplicáveis na construção das lâmpadas do modelo LED, contendo um
Lâmpadas Potência
(W)
Fluxo Luminoso
(lm)
Eficiência Luminosa (lm/W)
Lâmpada de vapor Mercúrio HPLN
400W PHILIPS
400 22000 55
Lâmpada de vapor Metálico
3HQIBT 400W/D PRO
OSRAM
420 34000 81
Lâmpada de vapor Mercúrio 400W
Ourolux
400 21000 53
Lâmpada de vapor Metálico 400W
Ourolux
400 32000 80
22
formato de módulos planares, que são constituídos de vários semicondutores encapsulados,
podendo atingir até 200W de potência.
A cor branca é uma das mais utilizada em sistemas de iluminação. Para as lâmpadas
de LEDs emitirem essa cor branca é utilizado uma combinação de três Leds individuais RGB
(vermelho, verde, azul). O RGB pode ser combinado de várias outras formas de modo a
reproduzir um espectro cromático (SOARES, 2013).
A Figura 5 apresenta diferentes maneiras de combinar as cores vermelha, verde e
azul, o que permite reproduzir uma ampla gama de cores.
Figura 5 – RGB, mistura de cores
Fonte: Brito (2013).
Atualmente as lâmpadas LEDs são encontradas com tensão de alimentação bivolt,
127V ou 220V. Para o correto funcionamento utiliza um conversor genericamente chamado de
driver, que é composto de circuitos eletrônicos, transformador, retificador e alguns modelos de
drive utilizam etapas de saída do tipo Buck ou Bock-Boost. As principais funções do driver são
fazer com que a lâmpada de LED receba corrente contínua, filtrar os ruídos, fazer o isolamento
entre a entrada e saída de alimentação, fazer regulação de tensão na saída (SOARES, 2013).
Para Soares (2013) o uso da tecnologia LED aplicada em iluminação pública,
permite uma evolução na qualidade de serviços prestados, e ganhos com a redução de consumo
de energia elétrica, visto que o rendimento dessa tecnologia vem permitindo que sejam
alcançados os mesmos níveis de iluminamento, porém com potências elétricas cada vez
menores.
23
A Figura 6, apresenta a “evolução dos LEDs, chamada de lei Craford’s, mostra que
o desempenho da emissão de luz aumenta dez vezes a cada década” (JUNIOR, 2010, p.5).
Figura 6 – Evolução das principais fontes de luz branca
Fonte: Junior (2010).
A Figura 7 mostra uma rua utilizando um sistema de iluminação pública, sendo
iluminada por lâmpadas de vapor de sódio de cor amarelada e após sendo substituídas por
lâmpadas de LEDs de cor branca.
Figura 7 – Comparativo de iluminação utilizando lâmpadas de vapor de sódio e LEDs
Fonte: Vale Pinho (2020).
3.1.8 Iluminância
Segundo Guerrini (2008) iluminância é a densidade de fluxo incidente em uma
superfície por unidade de área, sua unidade de medida é o lúmen/m² ou lux.
24
Para fazer a medida é utilizado um equipamento chamado de luxímetro. O fluxo
luminoso de um lúmen incidindo sobre uma área de um metro quadrado produz o iluminamento
de um lux, conforme apresentada a Figura 8.
Figura 8 – Iluminância
Fonte: Costa (2021).
De acordo com Associação Brasileira de Normas Técnica – ABNT determina que
cada ambiente necessita de um determinado nível de iluminância, esses níveis de iluminância
são estabelecidos de acordo com as atividades que são desenvolvidas.
De acordo com a NBR ISO/CIE 8995-1:2013, para estacionamentos públicos
internos é exigido um iluminância de 75 Lux. Um sistema de iluminação vertical elevada
permite usuários que circulam essa área reconheçam as faces de outras pessoas, o que se traduz
em sensação de segurança.
3.2 Energia Solar
Segundo Moreira (2014) energia solar são todas as formas de energias originadas
pela luz e calor do sol. Essa fonte de energia é gerada a partir do fenômeno de fusão nuclear
nas camadas mais internas do sol, emitindo anualmente para a atmosfera terrestre
1,5×1018kWh de energia. Para medir essa radiação são utilizados dois equipamentos,
piranômetros e pireliômetros.
Todo este potencial usualmente é aproveitado de duas maneiras diferentes. A
energia solar térmica pode ser utilizada através da captação da energia utilizado um sistema
25
com coletores solares e reservatórios térmicos para manter a temperatura de um fluído. A
energia térmica tem diversas aplicações e formas de aproveitamento. (MOREIRA, 2014).
Entretanto, a forma de aproveitamento que se encaixa nesse trabalho de conclusão
de curso e que será melhor debatida é a energia solar fotovoltaica. De acordo com Pinho e
Galdino (2014) a energia solar fotovoltaica é gerada através da conversão de raios solares em
energia elétrica de corrente contínua. Os módulos fotovoltaicos são constituídos de células
semicondutoras que, quando submetidas a uma radiação solar, são responsáveis pelo efeito
fotovoltaico. Em 1839, Edmond Becquerel descobriu o este efeito, pois observou que devido a
absorção de luz, ocorre na junção p-n das células uma diferença de potencial no material
semicondutor.
Ainda segundo Pinho e Galdino (2014), os materiais semicondutores possuem três
bandas chamadas de banda de valência, banda de condução, banda proibida ou gap. Para os
semicondutores a banda de valência é composta somente por elétrons e uma banda de condução
vazia, ou seja, sem elétrons, já na banda proibida apresenta apenas três elétron-volt.
Os semicondutores possuem uma banda proibida intermediaria, com isso são
capazes de mudar sua condição de isolante para condutores. Tal fenômeno ocorre quando um
fóton de luz fornece energia suficiente para elétrons da banda de valência se deslocarem para a
banda de condução. Quando a tensão do fóton é igual a tensão do gap não ocorre tal fenômeno,
isso ocorre devido a energia ser baixa para ultrapassar a banda proibida.
Na Figura 9, apresenta a estrutura da separação de bandas de energia em condutor,
semicondutor e isolante.
Figura 9 – Estrutura de bandas de energia em condutor, semicondutor, isolante
Fonte: Pinho e Galdino (2014).
26
No ano de 1876, foi desenvolvido o primeiro aparato fotovoltaico, através de
estudos da física de estado sólido e em 1956, iniciou se sua produção em escala industrial.
(PINHO; GALDINO, 2014).
A estrutura física de uma célula fotovoltaica é apresentada conforme a Figura 10,
onde fótons de luz incidem sobre o painel e com o uso dessa energia os elétrons ficam excitados
e se deslocam pelos condutores até a carga.
Figura 10 – Estrutura básica de célula fotovoltaica
Fonte: Ramos (2015).
Os principais registros da evolução dos equipamentos fotovoltaicos podem ser
verificados na Tabela 3.
Tabela 3 – Etapas evolutivas das células fotovoltaica
ANO EVOLUÇÃO DAS CÉLULAS
1800 Descoberta do Selênio (Se) (Berzelius)
1820 Preparação do Silício (Si) (Berzelius)
1840 Efeito Fotovotaico (Becquerel)
1860 Efeito Fotocondutivo no Se (Smith)
Retificador de Ponto de Contato (Braun)
1880 Efeito Fotocondutivo no Se (Adams e Day)
27
Célula Fotovotaica de Se (Fritts/Uljanin)
1900 Fotosensitividade em Cu-Cu2O (Hallwachs)
1910 Efeito Fotovotaico com Barreira de Potencial (Goldman e
Brudsky)
1920 Monocristal a partir do Si Fundido (Czochralski)
Retificador de Cu-Cu2O (Grondahl)
1930 Célula Fotovotaica de Cu-Cu2O ( Grondahl eGeiger)
Teorias de Bandas em Sólidos (Strutt/Brillouin/Kröng & P)
Teorias de células com Barreiras V e H (Schotty et al)
1940 Teoria da Difusão Eletrônica (Dember)
Aplicações Fotométricas (Lange) 1% de Eficiência em Células
de Sulfeto de Tálio (Nix & Treptow)
1950 Crescimento de Células fotovoltaicas com Junção (Ohl)
Teoria das Junções p-n (Schockley)
1954 Célula Solar de Si (Person, Fuller & Chapin)
1955 Junções p-n Difundidas (Fuller)
1960 Célula Solar de Cds (Reynolds et al)
Teorias de Células Solares (Piann & Roosbroeck/Prince)
1962 O ``Bandgap´´ e a Eficiência das Células (Loferski, R. & W)
Teoria da Resposta Espectral, Mecanismo de Perdas (Wolf)
Efeitos de Resitência em Série (Wolf & Rauschenbach)
Células de Si n/p Resistentes a Radiação (Kesperis & M.)
Contatos Evaporados de Ti-Ag (BTL)
1973 Células Violeta com 15,2% de Eficiência
1976 Células de Silício Amorfo (a-Si)
1992 Células Metal-Insulator-Semicondutor (MIS) de 24% de
Eficiência
1998 Células de Silício Monocristalino com Eficiência de 24,7%
1999 Potência Instalada Acumulada atinge o Primeiro GWp
2002 Potência Instalada Acumulada Dobra em Relação a 1999
2005 Eficiência Superior a 20% para Células em Silício Policristalino
2006 Células Multijunção com Rendimentos Superiores a 34%
Células de Tripla Junção Superam os 40 % de Eficiência
2008 Módulos de c-Si Dominam 87% do Mercado (John Wiley &
Sons, 2011).
Expansão de Módulos de Filme Fino ( a-Si, CdTe e Módulos
CIS)
2009 Mais de 70GWp de Potência Instalada Acumulada (EPIA,2012)
2012 Potência Instalada Acumulada Supera 100GWp (EPIA, 2013)
Fonte: Adaptado de Pinho e Galdino (2014).
Segundo Pinho e Galdino (2014, p.50) “[...] as células mais comercializadas são
compostas de silício monocristalino (m-Si) e silício policristalino (p-Si), são compostas de uma
tecnologia consolidada, segura, e por possui eficiência, tem uma representatividade com mais
de 85% no mercado.”
A Figura 11, apresenta uma célula de silício monocristalina utilizada em painéis
solares para geração de energia fotovoltaica.
28
Figura 11 – Célula de silício monocristalina
Fonte: Ramos (2015).
De acordo com o fabricante Trina Solar (2018) os módulos monocristalinos
contendo 60 células, atingem 19.2% de máxima eficiência e potência de 315Wp. Abaixo podem
ser verificados dados elétricos de um dos produtos deste fabricante (Tabela 4).
Tabela 4 – Dados elétricos STC - Condições Padrão de Testes
Fonte: Adaptado datasheet trina solar (2018).
Segundo Trina Solar (2018), STC – Condições Padrão de Testes: Irradiância de
1000W/m², Temperatura de Célula de 25°C, Massa de Ar AM1.5. *Tolerância de teste a: ±3%.
São utilizados estes dados de STC para ter um padrão de referência entre
fabricantes. Conforme pode apresentado na Tabela 5.
DESCRIÇÃO VALOR
Potência nominal-PMAX (Wp)* 315
Tolerância de potência nominal-PMAX (W) 0 ~ +5
Voltagem no ponto máximo-VMPP (V) 33.3
Corrente máxima-IMPP (A) 9.46
Voltagem em circuito aberto-V OC (V) 40.5
Corrente em curto-circuito-ISC (A) 10.0
Eficiência do módulo (%) 19.2
29
Tabela 5 – Dados elétricos NOCT -Temperatura Nominal de Operação da Célula Solar
Fonte: Adaptado datasheet trina solar (2018).
NOCT: Irradiância de 800W/m², Temperatura ambiente de 20°C, Velocidade de
vento 1m/s.
O NOCT de uma placa solar pode ser utilizado pelo projetista do sistema
fotovoltaico como um guia para a temperatura à qual um módulo vai funcionar no campo e, por
consequência, é um parâmetro útil quando se compara o desempenho de diferentes modelos de
painéis fotovoltaicos. (TRINASOLAR, 2018). Conforme apresentada Tabela 6.
Tabela 6 – Dados técnicos módulo monocristalino
(Continua)
DESCRIÇÃO VALOR
Potência máxima-PMAX (Wp) 235
Potêmcia máxima de voltagem-VMPP (V) 30.9
Corrente máxima-IMPP (A) 7.60
Voltagem em circuito aberto-VOC (V) 37.6
Corrente em curto-circuito-ISC (A) 810
DADOS TÉCNICOS
Células solares Monocristalino 156,75 × 156,75 mm (6 polegadas)
Distribuição de células 60 células (6 × 10)
Dimensão do módulo 1650 × 992 × 35 mm (65,0 × 39,1 × 1,38 polegadas)
Peso 18,6 kg (41,0 lb)
Vidro 3,2 mm (0,13 polegadas), Alta Transmissão, vidro
temperado
Capa traseira Branca
Moldura Liga de alumínio anodizado cor preto
Caixa de junção Classificação IP 67 ou IP 68
Cabos Classificado cabo de tecnologia fotovoltaica 4.0mm² (0,006
polegadas²)
Classificacão de incêndio Tipo 1 ou Tipo 2
NOCT(TempNominal de
Funcionamento da Célula)
44°C (±2°C)
Coeficiente
de Temperatura Pmax
- 0.39%/°C
Coeficiente de Temp Voc - 0.29%/°C
30
Fonte: Adaptado datasheet trina solar (2018).
De Acordo com a ABSOLAR (2021), as instalações de sistemas fotovoltaicos,
tiveram um crescimento significativo, em primeiro de agosto de 2021, a energia fotovoltaica
representa 1,9% de toda a matriz energética brasileira e com 9,73GW de potência instalada. A
Figura 12, mostra a geração solar centralizada que atingiu o marco de 3.427MW de potência.
Figura 12 – Matriz Elétrica do Brasil
Fonte: ABSOLAR, (2021).
A Figura 13, mostra a evolução do preço da fonte fotovoltaica em leilões de energia
no mercado regulado Brasileiro.
Coeficiente de Temp Isc 0.05%/°C
Tempertura de operação -40~+85°C
Tensão máxima 1000VDC(IEC) 1000VDC (UL)
Valor máximo de fusível em
série
15 A
31
Figura 13 – Evolução do preço da energia fotovoltaica no mercado regulado
Fonte: ABSOLAR (2020).
Em 2019 o Brasil ocupou a décima segunda posição no mercado fotovoltaico no
mundo, com 2.1GW de capacidade adicionada e a décima sexta posição, com 4.5GW de
capacidade instalada acumulada. Conforme pode ser verificado a Figura 14.
Figura 14 – Mercado fotovoltaico no mundo
Fonte: ABSOLAR (2020).
3.2.1 Dados Solarimétricos
O planeta Terra tem seu movimento chamado de translação. Esse movimento ocorre
durante todo ano, com formato de uma elipse. O eixo imaginário da Terra tem inclinação de
23,45º em relação ao plano de sua órbita. As estações do ano são provenientes do movimento
de translação e inclinação da terra. (PINHO; GALDINO, 2014).
Como pode ser verificado a Figura 15, a terra faz diferentes trajetórias de leste a
oeste em torno do sol ao decorrer do ano.
32
Figura 15 – Estação do ano
Fonte: Pereira (2016).
A Figura 16, mostra as datas das estações do ano no hemisfério sul. No dia 21/12
ocorre o solstício de verão, quando verifica-se que o ângulo de incidência de raios solares no
plano do equador forma ângulo de -23,45º e um ângulo de +23,45º na data de 21/06, onde ocorre
solstício de inverno. Na data 21/09, ocorre o equinócio de primavera e no dia 21/03, ocorre o
equinócio de outono (PINHO; GALDINO, 2014).
Figura 16 – Orbita da terra em torno do sol, com eixo inclinado de 23,45º
Fonte: Pinho e Galdino (2014).
Segundo Pinho e Galdino (2014, p.70) “[...], “a diferença entre a declinação e a
latitude determina a trajetória do movimento aparente do sol para um determinado dia e uma
dada localidade na terra.”
33
A Equação 1, pode ser utilizada para calcular o ângulo de declinação solar, onde a
letra d significa dia juliano. Conhecer a posição do sol é importante para determinar a
intensidade da radiação solar que atinge numa determinada localidade da terra. (PINHO;
GALDINO,2020).
𝛿 = 𝑆𝑒𝑛−1[−𝑆𝑒𝑛(23,45º )𝑐𝑜𝑠 [(360
365.25 ) (𝑑 + 10]] (1)
De acordo com o Atlas de energia solar brasileira, disponibilizada pela rede
SONDA- Sistema de Organização Nacional de dados Ambientais, apresenta dados sobre a
irradiação solar global incidente no Brasil. O estado de Santa Catarina situado na região sul do
mapa brasileiro, apresenta a menor irradiação solar global de 4,25kWh/m², sendo que a maior
índice de irradiação solar global está ao norte do estado de Bahia com aproximadamente
6,5kWh/m². A Figura 17, apresenta o mapa brasileiro com a irradiação solar média anual.
Figura 17 – Irradiação solar no plano inclinado média anual
Fonte: INPE (2021).
Segundo Torres (2012) em qualquer parte do território brasileiro apresenta irradiação
solar entre (1.500-2500 kWh/m²) que são índices superiores aos países como Alemanha que
34
apresenta valores entre 900 à 1250 KWh/m² e França que apresenta valores de irradiação solar
entre 900 à 1650kWh/m².
3.3 Dimensionamento de Painéis Fotovoltaico
Segundo Pinto e Galdino (2014), para determinar o dimensionamento dos painéis
solares, é considerado a intensidade da radiação solar da região, potência da lâmpada e a
quantidade de horas que a lâmpada fica ligada. A Equação 2, apresenta a forma de dimensionar
o painel fotovoltaico.
𝑃𝑚 =𝐿𝑖
HSPi×Red1×Red2 (2)
Onde:
𝑃𝑚 Potência total painel (Wp)
𝐿𝑖 Potência consumida diariamente no mês pela Lâmpada (kWh/dia)
𝐻𝑆𝑃𝑖 Horas de sol pleno no plano do painel, horas de sol pico (h/dia)
𝑅𝑒𝑑1 Eficiência da célula, para módulos de c-Si recomendado usar o valor de 0,75.
𝑅𝑒𝑑2 Fator de perdas em controladores, diodos e fiação. É recomendado utilizar o valor 0,9.
3.4 Sistemas de Armazenamento
Segundo Moreira (2014) um sistema de armazenamento, faz uso de tecnologias
para armazenar energia, mantendo armazenada por um período e a devolvendo para suas fontes
para consumo. As fontes renováveis estão sujeitas a intermitências e variações, características
peculiares de cada fonte de energia, quando comparadas com fontes tradicionais. Para se ter
controle do fluxo da energia, incorporou se aos projetos de fontes renováveis, sistema de
armazenamento de energia.
Para Moreira (2014) existem as seguintes formas de armazenar energia:
a) Armazenamento de energia mecânica
b) Armazenamento eletroquímicos de energia
c) Armazenamento diretos de energia elétrica
d) Armazenamento de energia térmica
e) Armazenamento químico de energia
35
As baterias se classificam como sistema de armazenamento eletroquímico,
convertem a energia elétrica em energia química, sendo classificadas em dois tipos: as
recarregáveis e as não-recarregáveis (MOREIRA, 2014).
As baterias recarregáveis são aquelas onde é possível reverter as reações químicas
dos componentes da bateria para que ela possa gerar energia novamente, porém elas têm uma
quantidade de ciclos limitada. Já as baterias não-recarregáveis, são aquelas onde não é possível
reverter a reação química. As baterias mais importantes do grupo eletroquímico são as baterias
de chumbo-ácido (PbA), a de níquel cádmio (NiCd), a de níquel-hidreto metálico (Ni-MH), a
de íon lítio (Li-íon), a de metal-ar e a de sódio-enxofre. (MOREIRA, 2014).
As baterias de chumbo-ácido são as mais recomendáveis para sistema fotovoltaicos
isolados, quando comparado com as baterias do tipo NiCd e NiMH, isso se dá devido ter o
menor custo (PINHO; GALDINO,2020).
Segundo o fabricante Moura (2020) a bateria estacionária – série MVA, tem tensão
nominal de 12V e tensão de flutuação / recarga a 2,27 Vpe ± 1% por elemento a 25°C. 13,65V
para a bateria. A temperatura ideal para funcionamento fica entre 20 ℃ ~ 30 ℃.
A Figura 18, apresenta um modelo de bateria estacionária particionada.
Figura 18 – Bateria estacionária e suas características construtivas
Fonte: Moura (2008)
De acordo com o fabricante Moura (2018), para garantir que as baterias
estacionárias tenham uma vida útil mais longa, recomenda-se que não sejam descarregadas
abaixo dos limites de tensão mínimos indicados. Essa recomendação se dá devido a tensão de
descarga diminuir quando a corrente de descarga aumenta. Conforme apresenta a Figura 19.
36
Figura 19 – Tempo e limites de tensão de descarga
Fonte: Moura (2018).
3.5 Baterias de Íon de Lítio
Segundo Moreira (2014), as baterias de lítio foram projetadas para serem utilizadas
em equipamentos eletrônicos portáteis, com capacidade de armazenamento chegando ao dobro
quando comparado com baterias de NiMH, e três vezes mais que uma bateria de NiCd. Devido
a densidade de energia do lítio ser maior que as outras tecnologias anteriores foram possíveis
desenvolver baterias mais leves e com tamanhos menores.
De acordo com a CBMM (2018) as baterias de lítio são compostas de um polo
negativo (-), um polo positivo (+), separador, eletrólito e camadas de íons de lítio.
A Figura 20 b, mostra o processo de descarga, onde ocorre a migração dos íons de
lítio do polo negativo (-) para o polo positivo (+), passando através do separador, para fazer a
carga é somente fazer o processo reverso, conforme pode ser verificada a Figura 20 a.
Figura 20 – Bateria de íons de lítio
Fonte: CBMM (2018).
37
3.5.1 Dimensionamento das Baterias
Para Alvarenga (2020), a escolha de baterias específicas para sistema fotovoltaico,
ainda tem poucas opções no mercado, baterias especificas tem vida útil longa, porém são caras
quando comparadas com baterias estacionárias. O dimensionamento do banco da bateria do
sistema fotovoltaico, primeiramente deve-se definir a profundidade de descarga que vai atingir
as baterias, a fim de aumentar o tempo da vida útil, quando faz escolhas por ciclos profundos
menor será o tempo de vida útil da bateria.
Segundo Alvarenga (2020) as baterias têm o ciclo de carga e o ciclo de descarga,
que acontece diariamente, ou seja, a bateria se carrega durante o dia e descarrega o mais comum
durante a noite, após um tempo fornecendo energia para a carga utilizada. Existe também
profundidade de descarga por falta de energia solar suficiente, que ocorre por exemplo no tempo
chuvoso ou quando o céu está nublado.
É necessário fazer uma análise criteriosa levando em conta as curvas de vida útil
das baterias, em função da profundidade de descarga fornecida pelo fabricante, pois pode afetar
a capacidade do banco da bateria expressada em Ah. Baterias de chumbo-ácido tem descargas
entre 10% a 20%, sendo que para ciclos esporádicos e profundos utiliza descargas em torno de
60% da autonomia da bateria. Para essa aplicação é usado uma bateria de 12V. Esta capacidade
é dada pela Equação 3. (ALVARENGA,2020).
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒(𝐴ℎ) =𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙(𝑊ℎ/𝑑𝑖𝑎)
𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑜 𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜 𝑑𝑎 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎(𝑉)×𝑝𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑛𝑜 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑛𝑜𝑖𝑡𝑒(𝑝𝑢/𝑑𝑖𝑎) (3)
3.5.2 Placa Microcontrolada
O Arduino Uno é uma placa microcontrolada baseada no Atmega328P, sendo que
possui 14 pinos de entrada e 6 saídas digitais que são utilizadas como saídas PWM, 6 entradas
analógicas, um ressonador de cerâmica de 16Mhz, conexão USB, conector de alimentação,
botão de reset. (ARDUINO, 2021)
As entradas e saídas analógicas são grandezas que podem assumir infinitos valores
de amplitude dentro de uma faixa de tensão, para esse estudo é utilizada a entrada analógica A0
conectada ao divisor de tensão que fica em paralelo com a bateria. (ARDUINO, 2021)
38
As entradas e saídas digitais são grandezas que assumem dois estados definidos
como; como nível lógico alto, que tem o valor de 5V e nível lógico baixo, que tem valor de
tensão de 0V. (ARDUINO, 2021).
As saídas PWM é uma modulação de largura de pulso capaz de variar a largura de
pulso de um sinal digital, através dessa função é possível controlar velocidade e posições de
motores ou a intensidade do brilho de LEDs. Essa técnica de modulação varia o valor médio e
uma forma de onda periódica, mantendo sua frequência, porém, mas alterando seu valor médio
de tensão ao longo do tempo. (ARDUINO, 2021). Conforme é apresenta a Figura 21.
Figura 21 – Microcontrolador Arduino UNO
Fonte: ARDUINO (2021).
3.5.3 Módulo Relé
Para Thonsen (2021) módulo relé é um equipamento que permite controlar vários
dispositivos elétricos, como ligar uma carga em 220V, isso só é possível fazendo uso de placas
microcontroladas, como o Arduino. Atualmente existem módulos com diferentes quantidades
de relés, podendo chegar até 16 canais para aquisição.
De acordo com Thonsen (2021) o módulo relé 2 canais é capaz de controlar até dois
dispositivos que pode ser de corrente continua ou de corrente alternada, respeitando os níveis
de corrente que é de 10A.
O módulo relé opera a partir da placa microcontrolada, recebendo tensão de 5 V e
logo após é realizado o chaveamento para comutar seus contatos em normalmente fechado ou
normalmente aberto. o módulo possui optoacopladores, que são responsáveis em isolar uma
região de outra afim de proteger a placa microcontrolada em casos de sobre carga.
39
A Figura 22, mostra o pino IN1 que é responsável pelo acionamento do relé 1 e o
pino IN2 que aciona o relé 2. Uma consideração muito importante é que os relés são ligados
em níveis lógicos baixo LOW e para desligar os relés utiliza HIGH. (THONSEN,2021).
Figura 22 – Módulo relé
Fonte: Felipeflop (2021).
3.5.4 Retificador Monofásico
Segundo Cruz e Júnior (2014), circuitos retificadores são responsáveis por
converter tensão alternada AC em tensão contínua DC, para essa transformação é utilizado
retificador meia onda ou retificador de onda completa.
Entretanto, a forma de aproveitamento que se encaixa nesse trabalho de conclusão
de curso e que será utilizado é o retificador monofásico de onda completa.
De acordo com Cruz e Júnior (2014) no retificador de onda completa utiliza os dois
semiciclos da tensão de alimentação da carga. A Figura 23, apresenta o princípio de
funcionamento do retificador onda completa em ponte.
Figura 23 – Principio de operação do retificador onda completa
Fonte: SENAI (2021).
40
Para Cruz e Júnior (2014) o circuito retificador de onda completa em ponte, contém
quatro diodos e um transformador. Os diodos semicondutores são responsáveis por retificar a
tensão CA em tensão CC.
Quando o semiciclo da tensão é positiva no polo 1 do secundário do transformador,
os diodos D2 e D4 são polarizados diretamente e entram em condução em série. Para os diodos
D1 e D3 não circula corrente nesse ciclo positivo pois, estão polarizados reversamente. A
corrente que circula na carga RL tem sentido de cima para baixo. A Figura 24, apresenta o
circuito com polarizações e regimes de operação dos diodos semicondutores durante o ciclo
positivo da tensão.
Figura 24 – Operação do semiciclo positivo
Fonte: Cruz e Júnior (2014).
Para Cruz e Júnior (2014) considerando agora o semiciclo da tensão sendo positiva
no polo 2 do secundário do transformador, os diodos D1 e D3 são polarizados diretamente e
entram em condução em série. Já os diodos D2 e D4 não circula corrente nesse ciclo negativo,
pois estão polarizados reversamente. A corrente que circula na carga RL tem o mesmo sentido
de cima para baixo.
A Figura 25, apresenta o circuito com polarizações e regimes de operação dos
diodos semicondutores durante o ciclo negativo.
41
Figura 25 – Operação do semiciclo positivo
Fonte: Cruz e Júnior (2014).
42
4 DESENVOLVIMENTO
Este trabalho de conclusão de curso foi proposto e elaborado tomando como base o
sistema de iluminação utilizado na parte externa do Campus Unisul da Pedra Branca, no mês
de setembro de 2020. Uma verificação in loco demonstrou que o sistema era composto,
principalmente, por lâmpadas do tipo vapor metálico de 400W, modelo 645-VM, alimentadas
através de reatores eletromagnético VTE400AHPI, ambos da marca PHILIPS. Tal arranjo pode
ser observado na Figura 26.
Figura 26 – Poste com iluminação Vapor metálico
Fonte: Autores (2021).
Na inspeção inicial verificou se que o sistema de iluminação não é dotado de um
circuito de backup de energia. Assim, sempre que ocorre uma falha no sistema elétrico da
concessionária, com consequente falta de energia, os alunos, professores e colaboradores que
circulam por aquele setor ficam as escuras. Posteriormente, foi realizado análise do histórico
de interrupções de energia, que demonstrou que a concessionária atende a legislação vigente,
porém, o que justifica a troca desse sistema iluminação por um sistema de melhor desempenho
é agregar o uso de energia fotovoltaica, o uso de lâmpadas mais eficientes e baterias. O próximo
43
passo foi a escolha dos equipamentos que compõe a implementação do protótipo como; Painel
solar, baterias de Lítio, lâmpada de LED, controlador de carga, Arduino.
4.1 Principais Componentes
A partir deste ponto, serão apresentados os principais componentes utilizados na
elaboração do protótipo. Embora nem todos os componentes sigam os critérios de
dimensionamento apresentados no capítulo anterior, o trabalho aqui exposto limitou-se a
utilização dos elementos disponíveis no laboratório no momento da implementação prática.
4.1.1 Lâmpada Led
A fim de simplificar e reduzir custos de elaboração do protótipo, não se adotou o
uso de inversor de tensão, o que levou à utilização de uma lâmpada da linha Avant padrão E27,
do modelo LED 7W-12VDC.
Os modelos de lâmpada alimentados em corrente contínua têm a vantagem de ser
ligados diretamente à bateria, dispensando o uso de inversores, que representariam o aumento
das perdas no sistema, além de afetar significativamente o custo do protótipo. O modelo
selecionado para esta aplicação, por ser de 7 watts, apresenta uma corrente aproximada de
580mA, a Figura 27, apresenta o modelo utilizado para esse estudo.
Figura 27 – Lâmpada LED
Fonte: AVANT (2021).
44
4.1.2 Dimensionamento da bateria
Na implementação do protótipo, utilizou-se baterias de lítio, modelo ICR18650,
que também foi selecionada em função da disponibilidade. Esse modelo de bateria de lítio tem
uma forma cilíndrica, com um polo negativo (-) e outro polo positivo (+), como apresenta a
Figura 28.
Figura 28 – Bateria de lítio modelo ICR18650
Fonte: Mercado livre (2021).
A tensão máxima suportada pela bateria é de 4,20V. outras especificações técnicas
são apresentadas na Tabela 8.
Tabela 7 – Dados técnico da bateria modelo ICR18650
Fonte: Adaptado mercado livre (2021).
O dimensionamento da bateria é calculado através da Equação 3. Supondo que
deseja dimensionar uma bateria 12V, com profundidade de descarga de 0,7, para suprir a
necessidade da lâmpada LED com consumo de 56 Wh/dia. Para o dimensionamento bateria não
é considerado como requisito uma autonomia, para dias que não te
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒(𝐴ℎ) =𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙(𝑊ℎ/𝑑𝑖𝑎)
𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑜 𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜 𝑑𝑎 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎(𝑉)×𝑝𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑛𝑜 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑛𝑜𝑖𝑡𝑒(𝑝𝑢/𝑑𝑖𝑎)
DESCRIÇÃO VALOR
Tensão nominal 3,6V
Tensão máxima 4,20V
Tensão mínima 2,50V
Corrente de Carga 2200mA
Descarga máxima 4400mAh
Dimensões 18mm x 65mm
45
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒(𝐴ℎ) =56
12×0.7
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒(𝐴ℎ) = 6.7
𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 = 7Ah
4.1.3 PAINEL SOLAR FOTOVOLTAICO
Para a implementação do protótipo, utilizou-se o painel solar YNGLI de100W,
policristalino com 36 células, que também foi selecionado em função da disponibilidade. O
módulo fotovoltaico tem 10 anos de garantia contra defeitos de fabricação, 25 anos de garantia
linear de produção de energia e tem uma eficiência de 15%. Trata se de um modelo certificado
pelo INMETRO como classe A. Conforme pode ser verificado a Figura 29.
Figura 29 – Certificado do INMETRO
Fonte: ENERGYSHOP (2021)
As principais especificações técnicas do painel fotovoltaico utilizado nesta
implementação são apresentadas na Tabela 7.
Tabela 8 – Dados técnico do PFV
DESCRIÇÃO VALOR
Potência máxima 100Wp
Tolerância da potência ±5%
46
Fonte: Adaptado datasheet YNGLI (2018).
O dimensionamento do painel solar é calculado através da Equação 2. Supondo que
deseja calcular a quantidade de painéis para uma carga com consumo de 7W/h e seu tempo de
funcionamento sendo de 8 horas diárias.
𝑃𝑚 =𝐿𝑖
HSPi×Red1×Red2
𝑃𝑚 =8×7
3.34×0.75×0.9
𝑃𝑚 = 24.84Wp
Os dados de irradiação solar são de difícil obtenção, pois demanda o uso de
equipamentos para medição e um longo tempo de estudo para a localização desejada.
Entretanto, atualmente, existe uma ampla base de dados onde pode-se consultar a fim de obter
dados solarimetricos.
A base de dados que será utilizado para análise é a do CRESESB – Centro de
Referência para as Energias Solar e Eólica Sérgio de S. Brito. Segundo CRESESB o mesmo
utiliza o programa SunData v3.0 que se destina ao cálculo da irradiação solar diária média
mensal em qualquer ponto do território nacional. Produzido a partir de um total de 17 anos de
imagens de satélite e com informações de mais de 72.000 pontos em todo o território brasileiro,
o Atlas Brasileiro de Energia Solar - 2ª Edição é o que se existe de mais moderno em
informações de irradiação solar no Brasil na atualidade.
Tensão de potência máxima 18.5V
Corrente de potência máxima 5,41 A
Tensão de Circuito aberto 22,9V
Corrente de curto-circuito 5,74 A
Tensão máxima do sistema 1000 V
Eficiência do módulo 15%
Células por módulo 36
Tamanho do painel 1010x660x25mm
Coeficiente de Temperatura do Isc +0,06%/ ºC
Coeficiente de Temperatura do Voc -0,37%/ ºC
Coeficiente de Temperatura da potência -0,45%/ ºC
Temperatura da operação -40 ~ 85 ºC
47
A localização geográfica do Campus Unisul Pedra Branca, foi obtida através do
Google Maps, com latitude de 27.624911 e longitude de 48.68209, abaixo a Figura 30, mostra
a localização e coordenadas geográficas do Campus Unisul.
Figura 30 – Coordenadas longitude e latitude do Campus Unisul.
Fonte Google Maps (2020)
A partir das coordenadas geográfica do Campus, serão coletados dados de
irradiação diária média KWh/m². dia, utilizando o programa SunData como ferramenta de
apoio.
Para o sistema fotovoltaico é recomendado uma inclinação mínima de 10°, afim de
evitar acumulo de poeira e em dias de chuvas facilitar a limpeza dos painéis, sem a necessidade
de intervenção humana. Para sistemas off grid é considerado o pior índice de irradiação solar
para a localização desejada, como pode ser verificado a Figura 31, mostra que no mês de junho
a menor irradiação é de 3. 34KWh/m².dia, com ângulo igual a latitude de 22º apontando para o
norte geográfico.
Figura 31 – Irradiação solar no plano Inclinado em Palhoça - SC
Fonte: CRESESB (2020).
48
A Figura 32, mostra a estrutura montada para suportar o painel solar com inclinação
de 22º, livre sombreamento, pois o sombreamento é um fator que gera perdas na geração.
Figura 32 – Painel e estrutura
Fonte: Autores (2021).
4.1.4 Módulo BMS 3S 20A - 18650
Como citado no capítulo anterior, a energia proveniente do painel fotovoltaico deve
ser condicionada e controlada para carregar a bateria utilizada no protótipo. A primeira
implementação utilizou um controlador de carga do tipo BMS.
O Controlador de Carga 18650 3S BMS, foi escolhido para ser utilizado para a
proteção de baterias de lítio, permitindo que a operação de carga e descarga seja realizada de
forma segura e eficiente. Esse módulo BMS pode ser agregado em projetos a fim de garantir a
proteção dos equipamentos eletrônicos contra curtos-circuitos. O controlador de carga é
projetado para carregar baterias 18650 de 3.6 V. Este circuito é capaz de fazer a identificação
da situação em que as baterias estão com níveis tensão diferentes, através da função auxiliar
balance. O BMS faz a verificação do nível de tensão das baterias e se identificar níveis de
49
tensões diferentes, promove um “descarregamento” da bateria até que todas atinjam o mesmo
nível de potencial elétrico.
Neste modelo de BMS é necessário montar um pack com, no mínimo três baterias,
que são conectadas em série e monitoradas em paralelo. Uma das vantagens deste tipo de
circuito é que, se for necessário aumentar a autonomia do conjunto, é possível utilizar unidades
em paralelo, como demonstrado na Figura 33.
Figura 33 – Módulo BMS
Fonte: Mercado shops (2021).
A Tabela 9, apresenta as principais especificações do módulo BMS utilizado no
protótipo desenvolvido.
Tabela 9 – Dados técnico do módulo BMS
DESCRIÇÃO VALOR
Tensão de operação 9,6V - 12,6V
Tensão recomendada 12V
Corrente máxima de trabalho 20 A
Tensão máx. de carga por bateria 4.25V
Tensão máx. com 3 baterias 12.6V
Tensão de corte por bateria 2.54V
Temperatura de trabalho -40 a +50°C
50
Fonte: Adaptado mercado shops (2021).
Embora os resultados iniciais tenham sido promissores, o módulo BMS apresentou
problemas, deixando de funcionar após algum tempo de operação. Como trata-se de um
equipamento normalmente importado e levando-se em conta o tempo disponível para a
conclusão deste trabalho, optou-se por substituir o módulo por um modelo carregador
controlador tradicionalmente utilizado nos sistemas fotovoltaicos, o que será apresentado a
seguir.
4.1.5 Controlador de Carga
Como comentado no item anterior, em substituição ao módulo BMS, adotou-se um
controlador de carga solar modelo 10A-12/24V-YDTCH, fabricado pela YDTECH. Este
dispositivo contém um controlador do tipo PWM, além de apresentar outras características
como com Led indicador de funcionamento, saída com padrão USB, e proteção contra curto-
circuito e inversão de polaridade da bateria.
O controlador tem uma interface de inicialização de 1S após ser energizado,
posteriormente mostra de forma automática a interface principal, a cada 3S mostra o valor das
seguintes grandezas: tensão de bateria, tensão do painel fotovoltaico, temperatura do ambiente.
A Figura 34, mostra a interface principal, além das conexões do painel solar,
bateria, lâmpada. Para ligar ou desligar a lâmpada de forma manual basta pressionar o botão
seta uma vez. Este modelo também apresenta a característica de acendimento automático da
lâmpada, ou seja, ao anoitecer a lâmpada é automaticamente acionada.
Mantendo pressionado o botão seta por mais cinco segundos, faz acelerar a
visualização dos valores de tensão do PFV, tensão da bateria, temperatura. Soltando o botão
seta volta a configuração automática, mostrando a cada três segundos o valor das grandezas.
Resistência 100mOhm
Proteção contra sobrecarga de tensão 4.25 ± 4.35V
Proteção da seção individual de sobre-
descarga de tensão
2.3 ± 3.0V
Proteção contra curto circuito Sim
Medidas 6cm x 1,5cm
Peso 10,5g
Tensão de operação 9,6V - 12,6V
51
Figura 34 – Controlador de carga YDTECH
Fonte: Shop Time (2021).
Ainda com base na Figura 34, que mostra a interface principal, pressionando o
botão menu para entrar numa sequência de configurações, sendo a primeira delas a tensão de
flutuação, esse parâmetro da tensão flutuante foi ajustado para 11.4V, pois a tensão do estado
de reforço aumenta em 0.6V, ou seja, a tensão atinge 12V. Pressionando o menu mais uma vez
para entra na configuração da tensão de reconexão de baixa tensão (LVR), esse parâmetro tem
a função de controle da tensão da bateria, quando a tensão estiver baixa deixa de oferecer
energia para a carga.
Pressionando novamente o menu entra na função tensão de desconexão de baixa
tensão, esse paramento serve para o proteger as baterias de descargas profundas.
Pressionando o menu novamente entra na seleção de tensão o qual permite 3 modos
de operação, o primeiro é o padrão UTO 12/24V automático, verifica se a tensão da bateria é
superior a 18 V, o controlador faz a mudança automática para sistema de 24V, ajustando dados
de controle de 24V. Se a tensão da bateria é inferior 18V, o controlador reconhece que deve
operar com configurações de 12V. O segundo modo de operação é a seleção do padrão 1, onde
o controlador permite operar somente em 12V, sem reconhecimento automático. O terceiro
modo de operação é o padrão 2, o controlador trabalha com tensão de 24V, sem reconhecimento
automático, para este padrão a tensão da bateria não é válida.
52
Figura 35 – Configuração do controlador de carga YDTECH
Fonte: Shop Time (2021).
4.1.6 Placa Microcontrolada
O Arduino foi adicionado ao protótipo desenvolvido com o objetivo de fazer o
monitoramento das principais variáveis envolvidas no processo de funcionamento. Havia
também o desejo de implementar um sistema de comunicação, entretanto, as limitações
impostas ao acesso dos laboratórios da universidade durante o momento de pandemia, não
permitiram evoluir neste sentido. De qualquer forma, a programação elaborada tornou o circuito
capaz de fazer a leitura das tensões nas baterias utilizadas.
Os experimentos realizados demonstraram que, em dias nublados ou chuvosos, em
função da baixa irradiação solar, ocorre um comprometimento do carregamento das baterias.
Isso significa que, quando ocorrer situações climáticas como esta, a quantidade de energia
acumulada será suficiente para uma autonomia de, no máximo, duas horas no protótipo
implementado. Entretanto, a autonomia pode ser ampliada através da utilização de um maior
número de células no conjunto de 18650 utilizadas. Isso significa que, além da energia solar, o
sistema também deverá ser alimentado pela rede da concessionária, estando alinhado com o
propósito de tornar o sistema um backup.
A programação desenvolvida avalia a tensão aplicada na porta analógica A0 do
Arduino. Se esta for menor que 9,5 volts (tensão da bateria), o Arduino aciona a saída digital 4
e faz ligar o módulo relé, passando a utilizar a energia da concessionaria por um período
definido no controlador de carga.
A tensão da bateria é monitorada através de um divisor de tensão resistivo, cujo
valor é aplicado ao pino A0 do Arduino, que é configurado como entrada analógica. Os
resistores utilizados neste divisor são de 1Kꭥ e 2,8Kꭥ. A Figura 37, apresenta o diagrama de
53
blocos simplificado do protótipo. Os resistores do divisor de tensão foram selecionados de tal
forma que, quando a bateria atinge sua maior tensão, que é 12 volts, a tensão na porta do
Arduino será de 4.72 volts.
O Arduino monitora o nível da tensão da bateria a fim de, verificar se a bateria está
carregada, garantindo que a mesma não irá ultrapassar níveis mínimo de descarregamento
indicado pelo fabricante, sendo que o nível máximo de carregamento é definido pelo
controlador. A observação dos limites máximo e mínimo de tensão para carregamento e
descarregamento, contribui de forma significativa para que se tenha a manutenção da vida útil
prevista pelo fabricante. Quando o Arduino identifica que a bateria atingiu nível mínimo de
tensão, passa a utilizar energia da concessionaria. A Figura 36, apresenta o código do programa
na linguagem C e o comentário de cada linha do programa.
Figura 36 – Programa na linguagem C
Fonte: Autores (2021).
O diagrama simplificado apresentado na Figura 37, permite o entendimento do
princípio de funcionamento do poste solar proposto. De acordo com o esquemático, a principal
fonte de alimentação é o PFV, onde raios solares incidem e são convertidos em energia elétrica
54
do tipo corrente contínua. A energia gerada é transportada até o controlador que garante o
carregamento adequado da bateria, através do ajuste dos níveis de tensão e corrente fornecidos.
Após o carregamento total, o controlador mantém as baterias em nível de flutuação
e somente faz o monitoramento. Ao anoitecer é ligada automaticamente a saída da lâmpada do
próprio controlador, identificada como LED na Figura 37. Este contato seco é utilizado para
acionar um relé externo, identificado como relé 1, que aciona a lâmpada a partir da energia
disponível no pack de baterias, identificado como BAT. Quando o Arduino verifica que o nível
de tensão das baterias é menor que 9,5V, aciona o módulo relé, que passa a consumir energia
da concessionaria, que é convertida para corrente contínua através de um retificador ponte
completa.
Figura 37 – Diagrama esquemático do poste solar
Fonte: Autores (2021).
De acordo com dados obtidos em experimentos realizados no laboratório de
eletrônica da UNISUL, verificou se que um pack de três baterias do tipo 18650, propiciam uma
autonomia aproximada de 3 horas, tendo um consumo mensal de 630W. Esta autonomia não
foi ampliada adicionando-se novos módulos no pack de baterias, pois o sistema conta com a
55
energia da concessionaria para dias em que as condições climáticas são desfavoráveis. Outra
informação apurada é que em dias de sol pleno o tempo de 35 minutos carregamento da bateria.
Se este protótipo fosse utilizado em uma aplicação residencial, mantendo o
consumo mensal do previsto de 630W, considerando o preço cobrado do KWh pela
concessionaria igual a R$ 0.785 (dados de meados de 2021), incluído todos os tributos e
encargos setoriais mais significativos para determinar o custo da energia elétrica.
A Equação 4, apresenta a forma de calcular o consumo diário de energia, pago em
R$ a concessionária.
𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎 𝑝𝑎𝑔𝑎𝑟 =𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐿â𝑚𝑝𝑎𝑑𝑎 × Horas ligada × Preço KWh
1KWh (4)
Fonte: Cooperluz (2021).
Finalmente, a Tabela 10, apresenta uma comparação entre dois modelos de
lâmpadas, com suas especificações técnicas de fluxos luminosos e potências das lâmpadas,
também apresenta valores em R$ do consumo mensal e anual, considerando que a lâmpada é
ligada três horas diária e o custo total do KWh de R$ 0.785.
Para uma luminária do modelo pétala LED 300W, apresenta fluxo luminoso bem
próximo ao sistema de iluminação que utiliza lâmpada VM 400W, porém com potências
diferentes, uma diferença de 100W entre os modelos de lâmpadas, o que representa
aproximadamente R$ 85,00 anualmente na tarifa de energia.
Tabela 10 – Tarifa e consumo de energia.
Fonte: Philips; Avant; Livre (2021).
Finalmente, a Figura 38, apresenta o protótipo desenvolvido. Em dia de sol pleno
sendo submetido a testes de carregamento das baterias e execução do programa no Arduino
UNO. Ao noitecer o controlador reconhece que é noite e liga a lâmpada, verificando a tensão
Lâmpadas
Potência
(W)
Fluxo
Luminoso
(lm)
Consumo
KW.mês
Horas de
consumo
Preço
R$
KWh
Custo
mensal
R$
Tarifa
anual R$
Lâmpada AVANT
LED
7W
7 630 0,63 3 0,785 0,49 5,88
Luminária LED
Pétala 300W 300 30000 27 3 0,785 21,19 254,28
Lâmpada de vapor
Metálico 645-VM-
400W PHILIPS
400 32000 36 3 0,785 28,26 339,12
56
nos terminais do painel com um multímetro digital Minipa, apresentou uma tensão abaixo de
7V e após 5 minutos fazendo uma nova verificação a tensão apresentou zero volt nos terminais
do painel. No Pack de bateria verificou se que os níveis de tensões medido pelo multímetro
eram muito próximos aos valores de tensão que o Arduino através da porta analógica A0.
Em condições climáticas favoráveis e com a bateria carregada foi realizada medição
da tensão nos terminais do painel utilizando o multímetro Minipa, onde apresentou tensão
máxima de 22.5V e no pack de baterias 12V.
Figura 38 – Protótipo em dia de sol pleno
Fonte: Autores (2021).
57
5 CONCLUSÃO
Para chegar aos objetivos propostos neste trabalho, foram realizados estudos no
referencial teórico já existente sobre o uso da energia solar fotovoltaica, além da utilização da
pesquisa aplicada para o desenvolvimento de um protótipo completo do equipamento proposto.
Entretanto, o resultado final obtido foi limitado por dois fatores principais: a falta de recursos
e a dificuldade de acesso aos laboratórios da universidade em função da pandemia da COVID
19.
Ainda assim, o equipamento implementado mostrou-se funcional e apto a garantir
a iluminação em um ambiente externo, mesmo quando da ocorrência de uma eventual falha no
fornecimento da concessionária. Isso é obtido através do uso de baterias de íons de lítio do tipo
18650, cuja proposta de uso foi baseada no propósito de reduzir o impacto causado pelo descarte
desse tipo de material, ao termino da vida útil das baterias de notebooks. Os dados obtidos do
experimento foram aceitáveis, pois, um conjunto de três baterias apresentou a capacidade de
iluminação de aproximadamente três horas e sua capacidade pode ser facilmente ampliada
através de conexão de outras células em paralelo. Some-se a isso o fato de que essas baterias
são, primordialmente, alimentadas pelo sol, que é um recurso energético ecologicamente
correto e que vem ganhando reconhecimento e representatividade na matriz energética
brasileira.
Assim, a implementação do protótipo foi baseada na utilização de componentes
disponíveis no mercado local, o que exigiu esforço extra de adaptação e integração para garantir
um resultado satisfatório de funcionamento. Para o painel fotovoltaico, foi realizado
dimensionamento através de cálculo, que apresentou um valor de aproximadamente 25Wp.
O sistema também se mostrou capaz de alimentar a lâmpada quando as baterias não
estão disponíveis para isso, quer seja por falha do carregador, condições climáticas
desfavoráveis ou eventuais falhas no próprio conjunto de baterias.
O sistema de iluminação utilizado no estacionamento do Campus Pedra Branca da
UNISUL em setembro de 2020, era composto por lâmpadas de vapor metálico, porém, em
outubro de 2020, a UNISUL contratou uma empresa para substituir e instalar postes novos com
lâmpadas LED, dessa forma comprometeu a coleta de dados do sistema de iluminação que era
utilizado até meados do ano de 2020.
Após esse fato relatado acima e também devido as restrições que foram
determinadas pelo Governador de SC em função da COVID 19, não foi possível cumprir com
todos os objetivos específicos desse trabalho, tivemos que adaptar os objetivos específicos em
58
função do protótipo, portanto, o dimensionamento da bateria estacionaria e painel fotovoltaico
foram calculados em função da potência da lâmpada LED utilizada no protótipo.
Para essa implementação não foram levados em consideração custos com
equipamentos, apenas a segurança e o bem estar das pessoas que circulam no local de aplicação.
Entretanto, em função da flexibilidade e da praticidade que são peculiares às instalações de
plantas solares fotovoltaicas, este trabalho poderia ser expandido para aplicações autônomas,
ou seja, em que o poste trabalharia de maneira independente da rede elétrica, tornando o
investimento ainda mais atrativo.
Dessa forma, espera-se que este trabalho venha contribuir para estudos posteriores,
a fim de nortear novas pesquisas relacionadas, que permitam maior proximidade com
tecnologias sustentáveis e que possuam apelo ecológico.
Como recomendações para futuras pesquisas, sugerimos fazer a instalação física do
poste seja no Campus Pedra Branca ou em outro local carente desse sistema de iluminação,
agregando um modulo wifi integrado no projeto, o que permitirá ver em tempo real no próprio
telefone celular o nível de tensão do conjunto de bateria, ligar ou desligar a lâmpada.
Outra sugestão é fazer análise da viabilidade técnica e financeira do reuso dos
painéis solares utilizados em sistemas de geração de energia, quando estes indicarem baixo
rendimento, verificar se é mais vantajoso descartar os painéis ou fazer uma nova instalação dos
painéis em regiões carentes de energia elétrica.
59
REFERÊNCIAS
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Infográfico ABSOLAR. 2020. Disponível em: https://www.absolar.org.br/infografico-
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337120033364&gclid=EAIaIQobChMI78TTjJ_68QIVBASRCh1r9QuhEAQYASABEgI7sfD
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ANEXO 1 HISTÓRICO DE INTERRUPÇÕES DE ENERGIA ELÉTRICA
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ANEXO 2 HISTÓRICO DE INTERRUPÇÕES DE ENERGIA ELÉTRICA