UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

INSTRUMENTAÇÃO ELETRÔNICA

PROFESSOR: LUCIANO FONTES

Gerenciamento de Inclinação para Recepção Ativa Sensoriada Solar

GIRASSOL

Rafael Medeiros

Natal

junho de 2009

Resumo

Este relatório tem como principal objetivo apresentar os registros sobre a implementação de

um sistema analógico para correção de posicionamento de células foto voltaicas.

Neste relatório será abordado o conceito do projeto os detalhes de sua implementação.

Introdução

Este projeto apresentará a seguinte abordagem, será devolvido um circuito analógico para

atuar na automação e controle de células fotovoltaicas controlando sua posição, este circuito

deve capaz de oferecer uma posição as células perpendicular a fonte de luz e reduzir a

quantidade de painéis estáticos, como característica de robustez podemos citar a

característica do circuito ser capaz de controlar a posição de um painel, resistir a interferência

externa e que permita a inclusão de novos recursos.

Contextualização do problema

Como um desafio de qualquer sistema de geração obter o máximo rendimento é de grande

importância.

Uma constante de qualquer sistema de geração é a eficiência, no caso da energia

elétrica sistemas de geração solar, eólica, hidroelétrica entre outras dependem

diretamente da incidência do ente físico em suas superfícies e geralmente para

melhores rendimentos se faz necessária maior área e no caso da energia solar a área é

um fator critico, pois a posição do sol muda constantemente reduzindo a eficiência das

placas.

Para obter melhor rendimento as placas são dispostas de forma a estarem perpendiculares

no momento que o sol apresentar maior incidência.

O método utilizado atualmente para tirar o maior aproveitamento da luz solar é

direcionar a placa ao meio dia que a incidência da luz solar apresenta seu auge.

Fatores que prejudicam o rendimento;

Placas estáticas: como citado anteriormente o fato da placa se apresentar

estática desperdiça parte da luz que incide em ângulo com relação a placa pois

diminui a área de contato com a luz.

Danos ao equipamento: o fato da instalação deste equipamento ocorrer em

ambientes externos o torna suscetível a danos causados por fenômenos

naturais ou vândalos, um sistema móvel que apresenta a capacidade

movimentar as células pode ser utilizado para proteger o equipamento contra

fortes tempestades, furacões e vândalos durante a noite.

Mudança do percurso do sol durante o ano: Placas instaladas de forma

estática apresentam a desvantagem de mesmo ao meio dia ainda não

apresentar o alinhamento desejado em 90°, pois dependendo da localização

no planeta a rota seguida pelo sol durante as estações do ano varia muito,

ainda é válido citar o fato de se ocorrer alguma alteração na posição da placa a

mesma vai permanecer com aquela posição e tornar o sistema ainda mais

ineficiente, esta alteração pode ocorrer por meio de rajadas de vento ou de

qualquer outra interferência natural, como animais.

Fundamentação teórica

Ponte de Wheatstone

Análise da ponte de Wheatstone como um transdutor para sensores resistivos com

baixa sensibilidade. Análise com simplificações, para uma pequena faixa de atuação.

Figura 1 - Ponte de Wheatstone

A figura acima mostra uma ponte de Wheatstone onde a tensão de saída Vo é dada

por:

0 32 4 1 2 4

1 2 3 4 1 2 3 4( )( )

RR R R R R

E R R R R R R R R

v δδ δ δ = − + −

+ +

Amplificador operacional diferenciador

No circuito abaixo temos que o ganho é dado por 3.9k / 22 e esses ganhos se

subtraem.

Figura 2 - Amplificador operacional diferenciador

R1

22Ω

R2

3.9kΩ

1

R3

22Ω

R4

3.9kΩ

4

0

U1A

TL084CN

3

2

11

4

1

VDD

12V

VEE

-12V

3

Amplificador de par pnp npn

Para obter a inversão do sentido do motor se faz necessário o uso de transistores no

modo complementar.

Figura 3 - Transistores PNP e NPN trabalhando de maneira complementar

Q1

TIP31C

Q2

TIP32C

A disciplina de instrumentação eletrônica

Esta atividade teórica experimental tem como objetivo capacitar o aluno a desenvolver o

raciocínio, a criatividade e organização no desenvolvimento de um projeto que abrange o

setor de instrumentação.

Existe o ramo da eletrônica analógica e o ramo da eletrônica digital, este trabalho se baseia

inteiramente no ramo da eletrônica analógica e mesmo a existência de componentes como

display ou algum controle que tenha como base a lógica binária não elimina o fato da parte

responsável pela instrumentação em si continuar analógica.

Características do projeto

A proposta deste trabalho é desenvolver um dispositivo que tem como principal característica

buscar o alinhamento de um dispositivo mecânico com alguma fonte de luz, mais

precisamente o sol. Após observar que parte da energia solar era desperdiçada ao incidir em

uma célula solar em um ângulo diferente de 90°, tem-se o objetivo da atividade em questão,

“Aplicação circuito com mecanismo móvel na otimização da geração de energia solar”.

Transdutores e sensores

Como principal fator para um bom equipamento de instrumentação deve-se conhecer a

grandeza a ser avaliada bem como a sua faixa de abrangência, depois deste passo devemos

observar as facilidades que aquela faixa de sensores nos oferecem, estas facilidades abrangem

tamanho do sensor, robustez, custo e faixa de atuação.

Após avaliar a grandeza em questão (brilho do sol), temos que o sensor não demanda tantos

cuidados com relação à interferência, já que o sol é a fonte de luz mais brilhosa em campo

aberto, também podemos observar que o sensor precisa ser confiável em temperaturas média

– altas precisamos de um dispositivos resistente a acontecimentos como ressecamento, e

finalmente temos o custo do sensor.

Após esta avaliação o sensor escolhido foi o LDR (resistor dependente de luz). Um LDR é um transdutor de entrada (sensor) que de acordo com a luz visível varia os valores de resistência. É feito de sulfeto de cádmio (CdS) ou seleneto de cádmio (CdSe). Sua resistência diminui quando a luz é muito alta, e quando a luz é baixa, a resistência aumenta. Um multímetro pode ser usado para encontrar a resistência na escuridão ou na presença de luz intensa. Os valores apresentados pelo LDR podem variar de valores acima de acima de 1M ohm no escuro até próximo de 100 ohm em condições de alto brilho.

Instrumento e instrumentação

Sol LDRPonte de

Wheatstone

Amplificadoresoperacionais

Atuação na posição do equipamento

Ente físicoSensor e transdutor Conformador

Processamentodo sinal

Interface homemmáquina

Figura 4 - Diagrama de blocos do instrumento

Características de instrumentação

Faixa

O instrumento apresenta uma faixa simples que será representada pela existência ou

ausência de luz.

Resolução

Com relação à resolução temos que serão usados dois sensores em conjunto com um

circuito de amplificação os seus valores serão apenas diferenças entre esses dois

sensores o que após passar por um alto ganho dos amplificadores resulta em valores

de +V. –V e 0.

Sensibilidade

Após testes com iluminação controlada pode-se observar que o LDR demonstra um

nível de sensibilidade mais que satisfatório para esta atividade, devido o caráter

discreto dos valores utilizados basta apenas que um LDR apresente resistência superior

ao seu par que a tensão irá variar até um valor de +V ou então de –V se os valores das

resistências voltarem a reverter.

Linearidade

Com relação a linearidade não foram realizados testes pois esta característica não era

de grande importância no projeto pois o sistema realizava a subtração de tensões em

condições em iluminação semelhante, o que significa que os LDR sempre estavam na

mesma faixa de linearidade pois a iluminação ambiente é a mesma para os dois.

Erro

Esta foi o fator que mais influenciou no projeto, pois alguns LDRs apresentavam um

erro considerável em relação aos outros, temos o seguinte exemplo:

Alguns LDRs sob iluminação controlada apresentavam uma resistência de 20kΩ já

outros apresentavam uma resistência de 40kΩ.

Este problema foi contornado ao utilizar LDRs de mesma característica como

complementares, desta maneira o erro apresentado pelos dois será subtraído

resultando no resultado esperado que é apenas a diferença entre os dois.

Precisão

Intimamente ligado ao fator anterior a precisão que considero o fator mais importante

no projeto, as medidas obtidas com os LDRs foram altamente consistentes, tal fato

oferece uma boa precisão e consequentemente uma boa qualidade da medição.

A precisão é tão critica neste projeto, pois se um dos LDRs começar a apresentar

diferença ao seu par isso vai gerar uma diferença de tensão que pode ser entendida

pelo sistema como uma modificação da posição da fonte de luz e atuar no controle dos

motores desta maneira perdendo rendimento da célula foto voltaica.

Estabilidade

A estabilidade é o segundo fator mais importante neste projeto, pois é neste conceito

que se baseia todo o funcionamento do circuito, pelo fato do circuito sempre buscar o

equilíbrio e por receber constantemente modificações se ele não apresentar um bom

nível de estabilidade pode apresentar um comportamento como o visto em sala na

primeira apresentação de andamento do projeto onde o equipamento recebia um

estimulo e respondia a este estimulo, passava do ponto de equilíbrio e recebia um

estimulo no sentido contrário, o que resultava em uma grande oscilação do

mecanismo, este problema foi resolvido com a utilização de um filtro, onde a luz

incidente no LDR era confinada aos seu eixo, este filtro foi construído com acrílico

preto fosco de tal formato a sempre deixar os LDRs na sombra para uma fonte de luz

perpendicular

Deriva

Bem como o erro a deriva não afeta muito o funcionamento do circuito já que todos os

componentes estão sujeito as mesmas condições ambientais.

Figura 5 - Circuito no programa de simulação multisim

Desafio Solução

Alguns componentes apresentavam valores diferentes uns dos outros

Agrupar em par os componentes que apresentam o mesmo erro

Sistema oscilatório ao passar do ponto de equilíbrio

Implantação de um filtro físico de acrílico preto fosco para limitar o acesso a luz

O sistema mecânico não suporta o peso das células foto voltaicas

Solução ainda não implementada

Velocidade de atuação dos motores elevada Após instalar todo o sistema, o peso diminuiu a velocidade de atuação dos motores

R1

22Ω

R2

3.9kΩ

1

R3

22Ω

R4

3.9kΩ

4

R7

560Ω

R8

560Ω

0

U1A

TL084CN

3

2

11

4

1

R14

5kΩ

R15

1kΩ

0

VCC

5V

VDD

12V

VEE

-12V

VDD

VEE

S1

MOTORM

0

Q1

TIP31C

Q2

TIP32C

76

3

2

VCC

Fotos

Bibliografia

www.wikipedia.org

Datasheet TL084

Datasheet TIP31C, TIP32C

www.google.com.br – LDRs

Material disponibilizado em sala – Luciano Fontes