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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁCÂMPUS CURITIBA

ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO

ANA FLAVIA DOS REISDENIS RODRIGO HAMERSCHMIDT

GABRIEL BORMIO ROCHA

POSICIONADOR DE PAINEL FOTOVOLTAICO AUTOMÁTICO

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

CURITIBA

2017

ANA FLAVIA DOS REISDENIS RODRIGO HAMERSCHMIDT


POSICIONADOR DE PAINEL FOTOVOLTAICO AUTOMÁTICO

Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação,apresentado à disciplina de Trabalho de Conclusãode Curso 2, do curso de Engenharia de Controlee Automação do Departamento Acadêmico deEletrotécnica (DAELT) da Universidade TecnológicaFederal do Paraná (UTFPR) como requisito paraobtenção do título de Engenheiro de Controle eAutomação.

Orientador: Prof. Dr. Elder Oroski

Coorientador: Prof. Dr. Miraldo Matuichuk

CURITIBA2017

A folha de aprovação assinada encontra-se na Coordenação do Curso de Engenharia de Controle e Automação.

ANA FLAVIA DOS REIS DENIS RODRIGO HAMERSCHMIDT


POSICIONADOR DE PAINEL FOTOVOLTAICO AUTOMÁTICO Este Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação foi julgado e aprovado como requisito parcial para a obtenção do Título de Engenheiro De Controle e Automação, do curso de Engenharia de Controle e Automação do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR).

Curitiba, 06 de Dezembro de 2017.

____________________________________ Prof. Paulo Sergio Walenia, Esp.

Coordenador de Curso Engenharia de Controle e Automação

____________________________________ Prof. Marcelo de Oliveira Rosa, Dr.

Responsável pelos Trabalhos de Conclusão de Curso de Engenharia de Controle e Automação do DAELT

ORIENTAÇÃO BANCA EXAMINADORA

______________________________________ Elder Oroski, Dr. Universidade Tecnológica Federal do Paraná Orientador ______________________________________ Miraldo Matuichuk, Dr. Universidade Tecnológica Federal do Paraná Co-Orientador

_____________________________________ Jair Urbanetz Junior, Dr. UTFPR _____________________________________ Miraldo Matuichuk, Dr. UTFPR _____________________________________ Rafael Fontes Souto, Dr. UTFPR

AGRADECIMENTOS

A Deus, pela Graça do Sol.

Aos nossos pais, por todas as renúncias feitas em nome da nossa formação. Em

especial ao pai da Ana Flávia, Sr. Décio Reis, que nos auxiliou na construção das mesas para

os ensaios realizados.

À Rahel Pfaff, namorada do Denis, pelo auxílio e paciência durante os ensaios das

nossas apresentações.

Ao nosso orientador, Prof. Dr. Elder Oroski, pelo suporte, correções e incentivos

durante o trabalho.

Aos professores integrantes da banca examinadora, por dedicarem seu tempo à nossa

avaliação. Em especial ao Prof. Dr. Miraldo Matuichuk, pela disponibilização do laboratório

de mecânica e valiosa ajuda na construção da estrutura mecânica do protótipo.

À equipe da modelaria UTFPR, em nome do Sr. Francisco Ferreira dos Santos, pelo

auxílio nas questões relativas à marcenaria.

Ao Prof. Dr. Paulo Cézar Stadzisz pela confiança no empréstimo de equipamentos e à

toda equipe do Laboratório de Inovação Tecnológica da UTFPR pela cordialidade.

Por fim, a todos que contribuíram direta ou indiretamente para que esse trabalho fosse

realizado, os nossos sinceros agradecimentos.

RESUMO

REIS, A. F.; HAMERSCHMIDT, D. R.; ROCHA, G. B.; POSICIONADOR DE PAINELFOTOVOLTAICO AUTOMÁTICO. 121 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação emEngenharia de Controle e Automação). Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba,2017.

O projeto trata do desenvolvimento de um protótipo de posicionador para módulo fotovoltaicocom dois graus de liberdade realizado com apenas uma fonte de torque, de forma que o eixo doatuador utilizado está diretamente acoplado ao mecanismo de 4 barras responsável pela variaçãoda elevação do protótipo e a transmissão deste movimento ao eixo de azimute, que é realizadaatravés de um conjunto de engrenagens. O sistema mecânico é controlado por um dispositivo deentradas e saídas reconfigurável, a MyRIO, e a programação desta controladora é desenvolvidaem Software LabVIEW. A malha do sistema é fechada através de um acelerômetro utilizadocomo inclinômetro que, portanto, realimenta o sistema com o ângulo de elevação do módulo. Ocontrole implementado é feito por um controlador PID. Visa-se, por fim, atestar a viabilidade dosistema através da comparação de suas aquisições de geração de energia com as de um módulofotovoltaico fixo.

Palavras-chave: Posicionador. Módulo Fotovoltaico. LabVIEW. Controle PID.

ABSTRACT

REIS, A. F.; HAMERSCHMIDT, D. R.; ROCHA, G. B.; POSICIONADOR DE PAINELFOTOVOLTAICO AUTOMÁTICO. 121 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação emEngenharia de Controle e Automação). Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba,2017.

The project deals with the development of a prototype of positioner for photovoltaic modulewith two degrees of freedom with only one source of torque, so that the axis of the actuatorused is directly coupled to the mechanism of 4 bars responsible for the variation of the elevationof the prototype and the transmission of this movement to the azimuth axis, which is performedthrough a set of gears. The mechanical system is controlled by a reconfigurable input and outputdevice, MyRIO, and the programming of this controller is developed in LabVIEW Software.The system loop is closed by an accelerometer used as an inclinometer which, therefore, feedsthe system with the elevation angle of the module. The implemented control is done by a PIDcontroller. Finally, it is intended to prove the feasibility of the system by comparing its energygeneration acquisitions with those of a fixed photovoltaic module.

Keywords: Positioner. Photovoltaic Module. LabVIEW. PID Control.

LISTA DE FIGURAS

–FIGURA 1 Expectativa de Geração de Energia Mundial: Ano 1995. . . . . . . . . . . . . . . . 19–FIGURA 2 Expectativa de Geração de Energia Mundial: Ano 2025. . . . . . . . . . . . . . . . 20–FIGURA 3 Expectativa de Geração de Energia Mundial: Ano 2050. . . . . . . . . . . . . . . . 20–FIGURA 4 Componentes da radiação solar: direta, difusa e refletida. . . . . . . . . . . . . . . 21–FIGURA 5 Capacidade Mundial e Adições anuais em Energia Solar Fotovoltaica,

2006-2016. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23–FIGURA 6 Capacidade e adições anuais da Energia Solar Fotovoltaica, 10 principais

países, 2016. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24–FIGURA 7 Oferta Interna de Energia Elétrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24–FIGURA 8 Oferta Interna de Energia Elétrica - 2015 (%). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25–FIGURA 9 Mapa Fotovoltaico do Brasil - Média Diária Anual. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25–FIGURA 10 Mapa Fotovoltaico do Estado do Paraná - Total anual no Plano Inclinado. 26–FIGURA 11 Classificação das células fotovoltaicas em termos dos materiais utilizados. 27–FIGURA 12 Circuito equivalente da célula fotovoltaica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28–FIGURA 13 Hierarquia dos componentes de um sistema fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . 29–FIGURA 14 Rastreador solar passivo utilizando dois cilindros idênticos com fluido sob

pressão parcial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31–FIGURA 15 Princípio de equilíbrio de iluminação utilizando uma barreira de

sombreamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31–FIGURA 16 Esquema de um rastreador utilizando células fotovoltaicas bifaciais. . . . . . 32–FIGURA 17 Rastreador de eixo horizontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33–FIGURA 18 Rastreador de eixo vertical e rastreador polar respectivamente. . . . . . . . . . . 33–FIGURA 19 Rastreador azimute/elevação (esquerda) e rastreador polar/equatorial

(direita). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34–FIGURA 20 Ângulos de azimute e elevação vistos por um observador no ponto Q. . . . . 34–FIGURA 21 Elevação e Azimute a partir da UTFPR Campus Centro. . . . . . . . . . . . . . . . 35–FIGURA 22 ângulos α e β relacionandos à aceleração gravitacional e o plano cartesiano

do rastreador solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36–FIGURA 23 Malha de controle rastreador solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37–FIGURA 24 Controle PID de um processo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37–FIGURA 25 mostra a disposição e as funções da NI myRIO-1900 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39–FIGURA 26 (a) Pacote do sistema integrado NI myRIO 1900, incluindo NI myRIO 1900,

conector MPX, acessórios, fonte de alimentação e cabos. (b) Arquitetura

reconfigurável de entradas e saídas da NI myRIO 1900. Baseia-se em

quatro componentes: um processador, um FPGA reconfigurável, entradas

e saídas, e software de design gráfico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39–FIGURA 27 Eixo sem-fim simples conectado a uma engrenagem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40–FIGURA 28 (a) Vista frontal e (b) Vista lateral do desenho de projeto do protótipo de

rastreador solar do tipo polar com um eixo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41–FIGURA 29 Protótipo de rastreador solar de um eixo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41–FIGURA 30 Caixa de redução. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42–FIGURA 31 Atuadores lineares responsáveis pelo movimento de elevação em algumas

aplicações de rastreamento solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42–FIGURA 32 Sistema de rastreamento solar de dois eixos utilizando atuadores

independentes em várias configurações. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43–FIGURA 33 Sistema de rastreamento solar de dois eixos com atuador linear circulado. 44–FIGURA 34 Sistema de rastreamento solar de dois eixos com dois motores elétricos. . 44–FIGURA 35 Desenho do protótipo desenvolvido para a validação do sistema. . . . . . . . . 45–FIGURA 36 Mecanismo de 4 barras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46–FIGURA 37 Sistema de transmissão de movimento unidirecional manivela-biela. . . . . 47–FIGURA 38 Protótipo de validação do sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47–FIGURA 39 Curva para eixo do motor variando 360o. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50–FIGURA 40 Dimensionamento do sistema de elevação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51–FIGURA 41 Servo motor JX Servo PDI-6221MG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52–FIGURA 42 Estrutura de sustentação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54–FIGURA 43 Mecanismo de 4 barras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55–FIGURA 44 Engrenagens cônicas de polipropileno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56–FIGURA 45 Coroas dentadas e corrente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56–FIGURA 46 Eixo principal de transmissão de movimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57–FIGURA 47 Bucha de acoplamento entre servo motor e eixo principal. . . . . . . . . . . . . . . 57–FIGURA 48 Eixo secundário de transmissão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58–FIGURA 49 Disco de aço ABNT 1045 para fixação da coroa dentada. . . . . . . . . . . . . . . . 59–FIGURA 50 Disco para regulagem da posição do eixo de transmissão secundário. . . . . 59–FIGURA 51 Disco de polipropileno para fixação da coroa dentada. . . . . . . . . . . . . . . . . . 60–FIGURA 52 Bucha de nylon para alocação do rolamento do giro da parte superior. . . . 60–FIGURA 53 Eixos roscados rosca métrica M8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61–FIGURA 54 Acelerômetro MMA7361. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62–FIGURA 55 Pinagem Acelerômetro MMA7361. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62–FIGURA 56 Curva de Operação do Acelerômetro obtida em ensaio. . . . . . . . . . . . . . . . . 64–FIGURA 57 Modelo e Curva de Operação do Acelerômetro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65–FIGURA 58 Curva do protótipo real para o ensaio em malha aberta. . . . . . . . . . . . . . . . . 67–FIGURA 59 Regressão por MMQ e Curva do protótipo real. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68–FIGURA 60 Curva simulada no projeto e Regressão por MMQ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68–FIGURA 61 Resposta ao degrau do sistema em malha fechada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70–FIGURA 62 Curva característica corrente x tensão do módulo fotovoltaico. . . . . . . . . . . 70–FIGURA 63 Divisor de tensão construído. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71–FIGURA 64 Ruído Branco Uniforme em LabVIEW. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72–FIGURA 65 Ruído Branco Uniforme Aplicado no Ensaio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73–FIGURA 66 (a) Modelo de Hammerstein e (b) Modelo de Wiener . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73–FIGURA 67 Modelo de Hammerstein-Wiener. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74–FIGURA 68 Não-linearidades da entrada e saída do modelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75–FIGURA 69 Comparativo entre modelo e protótipo real. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75–FIGURA 70 Ensaio com aquisições de corrente pelos amperímetros e tensão pela

MyRIO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77–FIGURA 71 Posicionamento dos módulos móvel e fixo inicial (a), às 13:00h (b) e ao

final do dia (c). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77–FIGURA 72 Aquisições de potência dos módulos fixo e móvel ao longo do dia. . . . . . . 78

LISTA DE TABELAS

–TABELA 1 Comprimento das estruturas do protótipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50–TABELA 2 Parâmetros PID sintonizados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69–TABELA 3 Não-linearidades da entrada, θ2, e saída, θ4, do modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . 74–TABELA 4 Equipamentos e custos agregados ao projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

LISTA DE SIGLAS

CC Corrente ContínuaEPE Empresa de Pesquisa EnergéticaINMET Instituto Nacional de MeteorologiaINPE Instituto Nacional de Pesquisas EspaciaisLIT Laboratório de Inovações TecnológicasMDF Medium Density FiberboardMicroER Renewable Energy Microgeneration Management SystemMPPT Maximum Power Point TrackingMSE Mean Squared ErrorNI National InstrumentsPID Proporcional, Integral e DerivativoUNSEGED United Nations Solar Energy GroupUTFPR Universidade Tecnológica Federal do ParanáVI Virtual InstrumentSES Sistema Eletrônico EspecializadoSWERA Solar Wind Energy Resources AssessmentSubVI Sub Virtual Instrument

CC EPE INMET INPE LIT MDF MicroER MPPT MSE NI PID UNSEGED UTFPR

VI SES SWERA SubVI

gbr_3

Retângulo

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.1 DELIMITAÇÃO DO TEMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.2 PROBLEMAS E PREMISSAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.3 OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.3.1 Objetivo Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.3.2 Objetivos Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.4 JUSTIFICATIVA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.5 DESCRIÇÃO DO PROJETO MICROER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.6 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.7 ESTRUTURA DO TRABALHO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.1 ENERGIA RENOVÁVEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2 RADIAÇÃO SOLAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.3 A TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.3.1 A Tecnologia Fotovoltaica no Mundo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.3.2 A Tecnologia Fotovoltaica no Brasil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.3.3 Potencial Fotovoltaico do Estado do Paraná . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.4 COMPONENTES DO SISTEMA FOTOVOLTAICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.4.1 Célula Fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.4.1.1 Circuito Elétrico Equivalente de uma Célula Fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.4.2 Módulo Fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.5 RASTREADORES SOLARES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.6 TIPOS DE RASTREADORES SOLARES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.6.1 Classificação Quanto ao Tipo de Controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.6.2 Classificação Quanto à Estratégia de Rastreamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.7 DADOS DE ENTRADA DO SISTEMA DE CONTROLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.8 SENSORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.9 MALHA DE CONTROLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.10 SOFTWARE LABVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.10.1NI myRIO-1900 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.11 CONJUNTOS ELETROMECÂNICOS PARA A MOVIMENTAÇÃO DE MÓDULOS

FOTOVOLTAICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402.11.1Sistema com um atuador e um grau de liberdade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402.11.2Sistema com dois atuadores e dois graus de liberdade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 PROJETO E CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.1 DESCRIÇÃO DO PROJETO MECÂNICO E CONSTRUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.2 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.2.1 Processo Construtivo da Estrutura Mecânica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.2.1.1 Estrutura de Sustentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.2.1.2 Estrutura de Transmissão de Movimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.3 DESCRIÇÃO DO SENSOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.3.1 Obtenção da curva do acelerômetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633.3.2 Obtenção da Curva de Ajuste do Acelerômetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643.3.3 Cálculo do Erro Médio Quadrático do Modelo do Acelerômetro . . . . . . . . . . . . . . . . . 654 VALIDAÇÃO, CONTROLE E IDENTIFICAÇÃO DO SISTEMA . . . . . . . . . . . . . . 664.1 COMPARATIVO ENTRE O SISTEMA MECÂNICO SIMULADO E REAL . . . . . . 664.2 FECHAMENTO DA MALHA DE CONTROLE EM LABVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.3 ANÁLISE DA CURVA DE CARGA DO MÓDULO FOTOVOLTAICO . . . . . . . . . . . 704.4 IDENTIFICAÇÃO DO SISTEMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 714.4.1 Ruído Branco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724.4.2 Obtenção do Modelo do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734.4.3 Obtenção da MSE do modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 755 AQUISIÇÃO E ANÁLISE DA CURVA DE POTÊNCIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 765.0.1 Análise das Aquisições . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 785.0.2 Análise dos Custos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 796 CONSIDERAÇÕES FINAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 806.1 TRABALHOS FUTUROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83ANEXO A: DATASHEET DO ACELERÔMETRO MMA7361 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87APÊNDICE A: DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE ELEVAÇÃO . . . . . . . . . . . 98APÊNDICE B: CÓDIGO DESENVOLVIDO EM LABVIEW PARA O ENSAIO EM

MALHA ABERTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102APÊNDICE C: CÓDIGO DESENVOLVIDO EM LABVIEW PARA O ENSAIO EM

MALHA FECHADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109APÊNDICE D: CÓDIGO DE OBTENÇÃO DA FUNÇÃO INVERSA . . . . . . . . . . . . . . 121

13

1 INTRODUÇÃO

Com uma crescente demanda energética e o com a crescente preocupação das

autoridades com questões ambientais, novos conceitos e novas tecnologias para obtenção de

energia vêm sendo estudados. Nesse contexto, conforme consta em EPE (2014), a capacidade

de geração elétrica fotovoltaica instalada no Brasil aumentou em 200% entre os anos de 2013 e

2014.

O crescimento da capacidade de geração elétrica fotovoltaica instalada no Brasil

aconteceu principalmente pela energia solar se apresentar como uma ótima alternativa, visto

que entre suas vantagens estão:

• Simplicidade de instalação;

• Facilidade de expansão;

• Elevado grau de confiabilidade do sistema;

• Redução das perdas por transmissão de energia devido à proximidade entre geração e

consumo;

• Pouca necessidade de manutenção.

Além disso, os sistemas fotovoltaicos são fontes silenciosas e não poluentes de geração

de energia elétrica (CARRIJO et al., 2010).

Em uma comparação entre os fatores naturais que influenciam a utilização desta

tecnologia no âmbito mundial, o Brasil é um país privilegiado, visto que sua localização

geográfica resulta em uma grande radiação solar em grande parte de seu território e ao longo do

ano. O Paraná, por exemplo, possui um potencial de geração fotovoltaica superior às localidades

com maior capacidade instalada na Europa (TIEPOLO et al., 2014).

Sistemas de posicionamento de painéis fotovoltaicos, utilizando sensores e

controladores, podem ser aplicados a fim de alcançar uma melhor eficiência energética e reduzir

14

o custo. A exemplo disso, a aplicação feita em Marinescu e Marinescu (2006), apresentada na

Conferência Internacional da IEEE em 2006, demonstrou que um sistema de rastreamento solar

com um grau de liberdade pode aumentar em 20% a produção de eletricidade, enquanto um

sistema com dois graus de liberdade pode aumentar em 40% a produção de eletricidade.

Neste cenário, este trabalho versa sobre a instalação de um módulo fotovoltaico com

posicionador na cidade de Curitiba, capital do estado do Paraná.

1.1 DELIMITAÇÃO DO TEMA

O posicionamento automático dos painéis fotovoltaicos a partir de coordenadas

solares pré-definidas permite aumentar a eficiência do sistema (PRINSLOO; DOBSON,

2014). Considerando uma unidade de microgeração de energia, regulamentada pela Resolução

Normativa 687/2015 da ANEEL como sistema de potência menor ou igual a 75kW (ANEEL,

2015), a implementação desta otimização deve ser feita de modo que um sistema de controle de

baixo custo seja capaz de captar a maior incidência solar possível.

O presente trabalho é delimitado no estudo e desenvolvimento de um protótipo de

posicionador para módulo fotovoltaico que, em sua construção posterior em maiores dimensões,

será aplicado ao projeto de um sistema eletrônico especializado para monitorar e gerenciar a

produção, armazenamento e consumo de energia renovável em uma unidade de microgeração no

Laboratório de Inovações Tecnológicas (LIT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná

(UTFPR) e financiado, em partes, pela empresa National Instruments.

1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS

A obtenção de energia elétrica através de painéis fotovoltaicos é uma alternativa para a

diversificação da matriz energética brasileira. Apesar disso, esta tecnologia é relativamente

cara e, certamente, sua competitividade é primeiramente governada por sua performance e

estabilidade (LUQUE; HEGEDUS, 2011).

Segundo Chogueur et al. (2015), o rastreamento solar pode ser economicamente

benéfico à sistemas se os custos complementares com os mecanismos rastreadores (motores,

circuitos, manutenção, etc.) forem mais baixos que o novo custo global, visto que a produção

de energia do sistema móvel é maior que a do sistema fixo.

Sendo assim, qual será o melhor método para alcançar um rastreamento solar adequado

à aplicação? É possível posicionar um módulo fotovoltaico com dois graus de liberdade

15

utilizando apenas uma fonte de torque? Quais variáveis a serem consideradas para este

rastreamento e quais os sensores a serem utilizados? Qual método de controle será o mais

eficiente?

1.3 OBJETIVOS

1.3.1 Objetivo Geral

Desenvolver um sistema de posicionamento de um módulo fotovoltaico com dois graus

de liberdade, utilizando apenas uma fonte de torque, por meio de um mecanismo controlado a

partir de coordenadas de elevação e azimute, previamente definidas.

1.3.2 Objetivos Específicos

• Elaborar uma revisão bibliográfica sobre a utilização de geração fotovoltaica;

• Estudar o potencial fotovoltaico do Estado do Paraná a partir de referências teóricas;

• Analisar o método de controle para o desenvolvimento do sistema de posicionamento de

um módulo fotovoltaico a partir de coordenadas solares previamente definidas;

• Utilizando apenas uma fonte de torque, desenvolver um método para construir um

posicionador para módulo fotovoltaico com dois graus de liberdade, realizando, assim,

os movimentos de elevação e azimute;

• Utilizar os controladores, sensores e software (LabVIEW) da National Instruments,

concedidos à UTFPR como parte do projeto de desenvolvimento de um Sistema

Eletrônico Especializado (SES) para monitorar e gerenciar a produção, armazenamento

e consumo de energia renovável em uma unidade de microgeração, na elaboração e

construção do posicionador do módulo fotovoltaico;

• Fazer um comparativo entre a geração fotovoltaica com e sem a aplicação de um

posicionamento controlado do módulo fotovoltaico.

1.4 JUSTIFICATIVA

A microgeração de energias renováveis é uma forma alternativa de complementar

a produção energética brasileira. Esta, por ser essencialmente hidroelétrica e baseada em

16

combustíveis fósseis, necessita de um sistema de distribuição custoso e tem sua produção

afetada por variáveis de difícil controle como, por exemplo, a variação pluviométrica.

Neste contexto, a energia fotovoltaica possibilita uma geração energética mais

geograficamente distribuída, melhorando os índices de disponibilidade da matriz brasileira e

reduzindo seus custos (VALLÊRA; BRITO, 2006). O aumento na demanda por novos estudos

que permitam avanços técnicos e tecnológicos para a melhor utilização destas fontes de energia

é evidente no Brasil e no mundo e, sendo assim, é necessário evoluir o conhecimento sobre o

tema e capacitar mais profissionais para atuarem nesta área.

O presente projeto é parte de uma proposta de desenvolvimento de pesquisa

tecnológica em gerenciamento e otimização de unidades de microgeração de energia renovável,

aplicado no Laboratório de Inovação da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)

e financiado, em partes, pela empresa National Instruments. O objetivo principal é conceber

e desenvolver um Sistema Eletrônico Especializado para monitorar e gerenciar a produção,

armazenamento e consumo de energia renovável em uma unidade de microgeração. Seu

desenvolvimento busca possibilitar ao usuário final definir seu perfil de consumo preferido e,

assim, ajustar dinamicamente o consumo de acordo com a disponibilidade energética oferecida

pela unidade.

Em aspectos gerais, o projeto terá grande contribuição de caráter tecnológico e

permitirá aos pesquisadores participantes interagir com a indústria e com novas tecnologias de

gerenciamento energético, tendo envolvimento com diversas áreas de interesse da engenharia

como Identificação de Sistemas, Sistemas Embarcados e Controle de Sistemas.

Do ponto de vista específico da aplicação deste trabalho de conclusão de curso,

dentre os equipamentos e interfaces integradas, o desenvolvimento do posicionador para

o módulo fotovoltaico é justificado pela busca por uma maior eficiência de geração.

Para tanto, o monitoramento e gerenciamento do painel por meio do rastreamento solar

possibilitará a otimização da captação de energia solar e, por consequência, um aumento na

produção energética. A implementação deste recurso permitirá um estudo comparativo entre

geração fotovoltaica com e sem a aplicação posicionamento controlado, bem como possíveis

contribuições no âmbito da teoria de Controle.

1.5 DESCRIÇÃO DO PROJETO MICROER

Este trabalho é inserido em um projeto de desenvolvimento de uma bancada

laboratorial de microgeração de energia renovável para pesquisas sobre controle e

17

gerenciamento energético realizado no Laboratório de Inovações Tecnológicas (LIT) da

Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) e intitulado Renewable Energy

Microgeneration Management System (MicroER).

O projeto proposto se insere na problemática da geração de energia renovável,

notadamente da microgeração de energia como forma de complementar a produção

hidroelétrica e baseada em combustíveis fósseis no Brasil. O projeto prevê, através da

construção de uma Bancada Laboratorial especializada, o domínio das técnicas de projeto,

integração e gerenciamento dos diferentes módulos necessários para a microgeração de energias

renováveis, em uma visão sistêmica.

O MicroER visa a integração dos diferentes módulos de um sistema de microgeração

de energia, particularmente os módulos associados ao armazenamento, conversão, monitoração,

gerenciamento de carga e gerenciamento ambiental e, assim, ter uma contribuição e caráter

tecnológico na forma de um projeto técnico de referência e da construção de uma unidade de

microgeração de energia renovável.

A parcela de contribuição deste trabalho para o projeto MicroER é referente à

construção do protótipo de um sistema de posicionamento de um módulo fotovoltaico e

apresentação de seus resultados experimentais para que, posteriormente, esta estrutura possa

ser desenvolvida em maiores escalas.

1.6 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS

• 1. Revisão bibliográfica e estado da arte:

A. Elaborar uma revisão bibliográfica sobre a utilização de geração fotovoltaica;

B. Estudar os principais métodos de controle a fim de selecionar o que melhor se

encaixe ao projeto.

• 2. Análise e escolha dos materiais gerais:

A. Avaliar os sensores, atuadores e controladores fornecidos pela National

Instruments;

B. Escolher os dispositivos que melhor se adequarem ao Sistema Fotovoltaico;

C. Estudar a implementação de sistemas mecânicos e elementos de transmissão.

• 3. Desenvolvimento da malha de controle de posicionamento do módulo fotovoltaico

utilizando o software LabVIEW:

18

A. Implementar o método de controle dentre os ofertados pelo software, levando em

consideração a simplicidade e a eficiência do método.

• 4. Realização e aquisição de dados de entrada

A. Utilizar dados de elevação e azimute previamente definidos fornecidos para

posicionamento do módulo fotovoltaico.

• 5. Construção do protótipo:

A. Implementar os elementos mecânicos de transmissão.

• 6. Coleta de dados:

A. Coletar dados do sistema fotovoltaico com posicionamento automático e um

sistema fotovoltaico fixo;

B. Analisar e comparar os dados dos dois sistemas.

1.7 ESTRUTURA DO TRABALHO

O presente estudo será trabalhado e discutido nos seguintes capítulos:

• Capítulo 1 - Introdução, tema, delimitação do tema, problemas e premissas, objetivo

geral, objetivos específicos, justificativa, procedimentos metodológicos e estrutura do

trabalho;

• Capítulo 2 - Embasamento teórico sobre os métodos de controle aplicáveis ao sistema

fotovoltaico, a situação dos sensores, atuadores e software a ser utilizado;

• Capítulo 3 - Desenvolvimento prático abordando o projeto e a construção da estrutura

mecânica do módulo fotovoltaico e a descrição do sensor utilizado;

• Capítulo 4 - Validação do mecanismo, fechamento da malha de controle e identificação

do sistema construído;

• Capítulo 5 - Apresentação dos resultados e discussões sobre o ensaio realizado,

confrontando os dados coletados com os esperados;

• Capítulo 6 - Considerações finais quanto aos resultados da modelagem do sistema e ao

desempenho do sistema de posicionamento automático e de um sistema fixo.

19

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.1 ENERGIA RENOVÁVEL

As energias renováveis são provenientes de ciclos naturais de conversão da radiação

solar, fonte primária de quase toda energia disponível na Terra, são praticamente inesgotáveis e

não alteram o balanço térmico do planeta (PACHECO, 2006).

Conforme consta no livro Aldabó (2002), estudos feitos pelo Nations Solar Energy

Group for Environment and Development (UNSEGED) e apresentados na Conferência das

Nações Unidas Para o Desenvolvimento e Meio Ambiente, mostraram uma perspectiva gráfica

do cenário energético mundial dos próximos 50 anos. Esta perspectiva é apresentada nas figuras

1, 2 e 3:

Figura 1: Expectativa de Geração de Energia Mundial: Ano 1995.

Fonte: (ALDABÓ, 2002).

20





Percebe-se que as energias renováveis e geotérmica são, segundo este estudo, as que

terão maior crescimento na geração.

No âmbito nacional, segundo cálculo feito pelo Ministério de Minas e Energia do

Brasil, no ano de 2026, a estimativa de consumo de energia elétrica no Brasil é de 744 TWh/ano

(MME, 2017). Em 2015, conforme consta em EPE (2015), foram produzidos no Brasil 581,5

TWh e, deste total, a geração hidroelétrica respondeu por 359,7 TWh. Nesta perspectiva,

considerando apenas a fonte hidroelétrica, esta deverá obter um aumento de aproximadamente

45% para atender à demanda futura.

O horizonte de consumo da energia elétrica no Brasil motiva a busca por uma

diversificação da matriz energética, ou seja, por diferentes energias que ajudem a suprir a

21

demanda da população, o que justifica os estudos e pesquisas referentes às energias geradas

a partir da força dos ventos, da captação de luz solar e até mesmo de matéria orgânica.

Estas fontes energéticas ganham ainda mais foco quando esta crescente demanda

energética é aliada à busca pela diminuição do consumo de combustíveis fósseis, seja pelo

compromisso com questões ambientais ou, novamente, pela preocupação com um possível

esgotamento no futuro.

2.2 RADIAÇÃO SOLAR

A radiação recebida na Terra provém do Sol, a estrela central do sistema solar. A

energia gerada pelo Sol é irradiada para o universo na forma de radiações eletromagnéticas. A

maior parte da vida neste planeta está relacionada à existência desta estrela, pois esta depende

da luz e de sua energia (RIFKIN, 2003).

A radiação total, que é a incidente sobre uma superfície inclinada, a exemplo da

atmosfera terrestre, inclui as duas componentes: direta e difusa. Além destas componentes,

há mais uma parcela devida à radiação refletida na superfície e nos elementos do entorno, que é

função do albedo do local (VIANA, 2010). Conforme a NBR 10899 (NBR, 2006), o albedo é o

índice relativo à fração da energia solar, recebida em uma unidade de área, devida à refletância

dos arredores e do solo onde está instalado um dispositivo. Estas componentes podem ser

melhor entendidas na figura 4:

Figura 4: Componentes da radiação solar: direta, difusa e refletida.

Fonte: (VIANA, 2010).

22

Valores como a média diária, mensal e anual de irradiação são levadas em consideração

para a análise de geração fotovoltaica de uma determinada posição geográfica (ALMEIDA,

2012).

2.3 A TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA

Ao longo da história, várias foram as utilizações da energia solar, desde a iluminação

natural dos ambientes, reflexão e concentração da radiação através de espelhos para iluminação

e aquecimento de água, e mais recentemente para geração de energia elétrica (TIEPOLO, 2015)

A energia solar fotovoltaica é gerada através da conversão direta da luz solar em

eletricidade. Esta conversão é realizada através do Efeito Fotovoltaico, observado por Edmond

Bequerel em 1839. Se estabeleceu uma diferença de potencial nas extremidades de uma

estrutura semicondutora, quando incidia uma luz sobre ela (NASCIMENTO, 2004).

Várias foram as descobertas da microeletrônica e os desenvolvimentos científicos do

Século XX, dentre estas estão:

• O advento da física quântica;

• A teoria de bandas e semicondutores;

• As técnicas de purificação e dopagem aplicadas a transistores.

Estas descobertas impulsionaram os estudos da tecnologia fotovoltaica e possibilitaram

a apresentação da primeira célula fotovoltaica usando silício, no ano de 1954, pelos

pesquisadores Calvin Fuller, Gerald Pearson e Daryl Chapin. Tinha apenas dois centímetros

quadrados de área e uma eficiência de 6%, gerando 5 mW de potência elétrica (VALLÊRA;

BRITO, 2006).

2.3.1 A Tecnologia Fotovoltaica no Mundo

O setor elétrico teve seu maior aumento anual de capacidade de geração de todos os

tempos no ano de 2015, com um crescimento significativo em todas as regiões. As energias

eólica e solar fotovoltaica apresentaram adições recordes pelo segundo ano consecutivo,

respondendo por cerca de 77% das novas instalações (REN21, 2016).

O mercado de energia solar fotovoltaica cresceu aproximadamente 25% no ano de

2016 em relação a 2015, com um aumento recorde de 75 GW, elevando o total global para 303

23

GW. Este aumento também foi observado nos anos anteriores. Do ano de 2006 em diante esta

capacidade mais que dobrou a cada dois anos. Nos anos de 2010 a 2013 foram adicionados em

torno de 30 GW a cada ano, em 2013 esta adição aumentou para 38 GW, em 2014 para 40 GW

e em 2015 para 51 GW (REN21, 2017). Este crescimento é demonstrado graficamente na figura

5:

Figura 5: Capacidade Mundial e Adições anuais em Energia Solar Fotovoltaica, 2006-2016.

Fonte: (REN21, 2017).

Segundo o artigo Renewable Energy Policy Network for the 21st Century do autor

Burrett et al. (2009), os países com maior capacidade instalada de energia solar fotovoltaica

são: China, que teve um aumento em 34,5 GW instalados em 2016 e terminou este ano com

aproximadamente 78 GW instalados, à frente do Japão, que com a adição de 8,6 GW instalados

no ano de 2016 atingiu aproximadamente 42 GW e Alemanha, que com a adição de 1,5 GW,

somou aproximadamente 41 GW em 2016. Conforme apresentado graficamente na figura 6:

24

Figura 6: Capacidade e adições anuais da Energia Solar Fotovoltaica, 10 principais países, 2016.

Fonte: (REN21, 2017).

2.3.2 A Tecnologia Fotovoltaica no Brasil

No Brasil, a maior parte da energia elétrica provém de fonte hidroelétrica. A

oferta interna de energia elétrica gerada a partir de energia solar teve um crescimento de

aproximadamente 267% entre os anos de 2014 e 2015, passando de 16 GWh para 59 GWh

gerados. Apesar deste ter um crescimento expressivo, esta fonte ainda é pouco significativa

na matriz nacional, visto que a geração total somou 615.908 GWh (MME, 2016), incluindo a

importação, conforme conteúdo da figura 7:

Figura 7: Oferta Interna de Energia Elétrica.

Fonte: (MME, 2016).

25

A figura 8 ilustra a matriz da Oferta Interna de Energia Elétrica Brasileira por meio de

gráficos, evidenciando a pequena parcela da geração solar:

Figura 8: Oferta Interna de Energia Elétrica - 2015 (%).

Fonte: (MME, 2016).

Apesar da fonte de energia solar ser pouco expressiva na Oferta Interna de Energia

elétrica brasileira, o Mapa Fotovoltaico do Brasil apresentado na figura 9 mostra que o território

possui um grande potencial fotovoltaico.

Figura 9: Mapa Fotovoltaico do Brasil - Média Diária Anual.

Fonte: (RÜTHER, 2004).

26

Os dados do mapa fotovoltaico da figura 9 estão na unidade [kWh/kWp.dia] e,

portanto, apresentam a média anual do total diário de energia elétrica, em [kWh], que pode

ser gerado a cada 1 [kWp] de potência energética instalada.

2.3.3 Potencial Fotovoltaico do Estado do Paraná

O potencial fotovoltaico do Paraná foi analisado no estudo de (TIEPOLO, 2015). Em

seu trabalho, foram analisados os dados obtidos no projeto Solar Wind Energy Resources

Assessment (SWERA) do Atlas Brasileiro de Energia Solar, disponibilizado pelo Instituto

Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). Este estudo rendeu o Mapa Fotovoltaico do Estado

do Paraná - Total anual, apresentado na figura 10:

Figura 10: Mapa Fotovoltaico do Estado do Paraná - Total anual no Plano Inclinado.

Fonte: (TIEPOLO, 2015).

Segundo Tiepolo (2015), o estudo comparativo entre o Mapa Fotovoltaico do Paraná

e o da Europa, que foi a região com maior capacidade fotovoltaica instalada no ano de 2015,

mostra que o Paraná apresenta valores de potencial de geração superiores.

27

2.4 COMPONENTES DO SISTEMA FOTOVOLTAICO

2.4.1 Célula Fotovoltaica

A conversão da energia solar em energia elétrica acontece, primariamente, nas

células fotovoltaicas, dispositivos que utilizam da conversão de energia solar em eletricidade

(ALMEIDA, 2012).

O desenvolvimento da tecnologia fotovoltaica se deve em grande parte ao

aperfeiçoamento dos materiais utilizados na fabricação das células (COELHO et al., 2008).

A figura 11 classifica as células de acordo com o material utilizado na fabricação:

Figura 11: Classificação das células fotovoltaicas em termos dos materiais utilizados.

Fonte: (COELHO et al., 2008).

O gráfico da eficiência das tecnologias em células fotovoltaicas, coletadas pelo

Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL), mostra que a eficiência das células

de silício monocristalino e policristalino situa-se entre 15-20% e 13-16%, respectivamente,

enquanto as células de filmes finos têm eficiência entre 6-12% (NREL, 2017).

Segundo dados da REN21 (2017) a produção global de células de silício cristalino

28

aumentou significativamente em 2016, com um aumento de até 29% em comparação com o ano

de 2015. Estimou-se que a produção de filmes finos aumentou em 11%, representando 6% da

produção fotovotaica global em 2015.

2.4.1.1 Circuito Elétrico Equivalente de uma Célula Fotovoltaica

O circuito elétrico simplificado de uma célula fotovoltaica é apresentado na figura 12:

Figura 12: Circuito equivalente da célula fotovoltaica.

Fonte: Adaptado de Casaro e Martins (2008).

A corrente Icel é gerada por conta do efeito fotoelétrico causado pela energia luminosa

incidente (G), dada em [W/m2]. Esta corrente, portanto, é proporcional à radiação. Vcel é

a tensão de saída da célula. Rsh representa as perdas internas ou por correntes de fuga e Rs

representa as perdas causadas devido às quedas de tensão nos contatos metálicos (COELHO et

al., 2008).

2.4.2 Módulo Fotovoltaico

Uma célula fotovoltaica apresenta uma tensão de saída muito baixa, ainda que esta

esteja funcionando em sua máxima potência. Os módulos fotovoltaicos são constituídos da

ligação série e/ou paralela de células fotovoltaicas, com o intuito de elevar a potência de saída

(PATEL, 2005).

Quando a demanda de tensão de um sistema é muito elevada, estes módulos podem ser

associados em série, compondo uma Série Fotovoltaica, ou em paralelo, compondo um arranjo

fotovoltaico (ALMEIDA, 2012). Esta hierarquia é identificada na figura 13:

29

Figura 13: Hierarquia dos componentes de um sistema fotovoltaico.

Fonte: (ALMEIDA, 2012).

2.5 RASTREADORES SOLARES

A potência extraída por um módulo fotovoltaico depende da área que este está

recebendo a radiação solar direta (ARAÚJO, 2015). Dessa maneira, a máxima potência

será extraída quando o painel estiver posicionado perpendicularmente aos raios solares,

maximizando a incidência dos mesmos. Nos painéis fotovoltaicos fixos, a radiação solar direta

será perfeitamente perpendicular somente por um curto período ao longo do dia e em alguns

dias do ano. Visando manter os painéis perpendiculares aos raios solares por um maior período,

desenvolveram-se estudos em rastreadores solares.

No ano de 1962, Henry Finster construiu o primeiro rastreador solar composto por

uma estrutura mecânica. Um ano depois, Saavedra apresentou um mecanismo de rastreamento

utilizando um pireliômetro para auxiliar o controle de posicionamento (MOUSAZADEH et al.,

2009).

Desde então várias estruturas de rastreamento têm sido propostas, com técnicas que

visam o ganho de geração de energia em relação às estruturas físicas, bem como a eficiência do

modelo de acordo com a região onde o módulo é instalado, além da viabilidade econômica do

mesmo.

Segundo Kvasznicza e Elmer (2006), os sistemas de rastreamento solar devem possuir

as seguintes características:

30

• Estrutura com uma ou duas colunas;

• Movimento em um ou dois eixos;

• Dispositivos de detecção de luz;

• Alimentação de energia autônoma ou auxiliar;

• Seguidor de luz ou de trajetória pré-programada;

• Movimento contínuo ou gradual.

Visando uma maior eficiência na conversão de energia, várias técnicas de extração

de máxima potência dos painéis fotovoltaicos (MPPT – Maximum Power Point Tracking) são

empregadas na construção destes sistemas. Várias são as técnicas que podem ser empregadas.

Um estudo aprimorado e a aplicação desses métodos pode render em uma importante melhora

no rendimento do sistema (BRITO et al., 2010).

2.6 TIPOS DE RASTREADORES SOLARES

2.6.1 Classificação Quanto ao Tipo de Controle

Existem dois grupos básicos na classificação dos rastreadores: passivos e ativos. Os

passivos utilizam-se das características de dilatação térmica ou da transferência de massa entre

dois pontos para movimentar os módulos fotovoltaicos, fazendo-os acompanhar o trajeto do sol.

Já os ativos utilizam atuadores para impor movimento ao módulo fotovoltaico. Estes atuadores

podem ser de natureza hidráulica ou eletromecânica, que empregam motores elétricos para a

movimentação do painel (ARAÚJO, 2015). A figura 14 mostra um exemplo de rastreador solar

passivo:

31

Figura 14: Rastreador solar passivo utilizando dois cilindros idênticos com fluido sob pressãoparcial.

Fonte: (CLIFFORD; EASTWOOD, 2004).

Segundo Mousazadeh et al. (2009), os rastreadores ativos podem ainda ser divididos

entre os que utilizam microprocessadores e sensores eletro-ópticos, os que se baseiam na hora e

data local e os que utilizam células solares bifaciais, podendo ainda haver a combinação destes

três sistemas.

Rastreadores que utilizam microprocessadores e sensores eletro-ópticos analisam a

diferença de iluminação entre os sensores e enviam um sinal para que o motor seja acionado e

o painel se mova, de modo que essa diferença seja equilibrada. Esse princípio pode ser visto na

figura 15:

Figura 15: Princípio de equilíbrio de iluminação utilizando uma barreira de sombreamento.

Fonte: (MOUSAZADEH et al., 2009).

32

Rastreadores que utilizam células fotovoltaicas auxiliares funcionam de maneira que o

acúmulo de energia solar recebido em uma face desta célula possa acionar um motor DC que

mude a orientação da estrutura de maneira a diminuir o ângulo γ , mostrado na figura 16, e,

por consequência, alinhar os painéis maiores perpendicularmente ao sol. Este funcionamento é

explicado no trabalho de Mousazadeh et al. (2009) e Poulek e Libra (2000).

Figura 16: Esquema de um rastreador utilizando células fotovoltaicas bifaciais.

Fonte: (POULEK; LIBRA, 2000).

Rastreadores baseados em “hora e data” calculam a posição do sol a partir de

formulações em algoritmos que tomam por base a hora, a data e a posição geográfica do

local onde o módulo fotovoltaico é fixado (MOUSAZADEH et al., 2009). Os algoritmos,

então, fornecem a elevação e o azimute e o controlador envia sinais para acionar o motor e

posicionar o módulo. Esta informação é comparada com a posição do mesmo obtida pelo

acelerômetro, funcionando como inclinômetro, e obtém-se o erro de rastreamento necessário

para o posicionamento do rastreador (ARAÚJO, 2015).

2.6.2 Classificação Quanto à Estratégia de Rastreamento

Os rastreadores solares também podem classificados quanto a estratégia de

rastreamento e, dessa maneira, podem apresentar um ou dois eixos de liberdade. Com apenas

um eixo, o rastreador pode ter orientação polar, norte-sul ou leste-oeste, como é analisado em

Oliveira (2008). Alguns exemplos são mostrados nas figuras 17 e 18:

33

Figura 17: Rastreador de eixo horizontal

Fonte: (OLIVEIRA, 2008).

Figura 18: Rastreador de eixo vertical e rastreador polar respectivamente.

Fonte: (POULEK; LIBRA, 2000).

Estes rastreadores apresentam um menor custo, porém, apresentam uma menor

eficiência, devido o rastreamento ser realizado em apenas um sentido (LIRA, 2014).

Com dois eixos é possível construir um rastreador azimute/elevação - um eixo varia

o azimute do módulo fotovoltaico e o outro varia a inclinação da superfície, ou um rastreador

polar/equatorial - um eixo é inclinado de acordo com a latitude local e o ângulo de seguimento

acompanha o ângulo horário e o outro eixo gira junto com o ângulo de declinação solar (PINTO

et al., 2010), conforme mostrado na figura 19:

34

Figura 19: Rastreador azimute/elevação (esquerda) e rastreador polar/equatorial (direita).

Fonte: (PINTO et al., 2010) e(ALATA et al., 2005).

2.7 DADOS DE ENTRADA DO SISTEMA DE CONTROLE

Para o caso do rastreador solar azimute/elevação, que é adaptado neste trabalho, a

posição do sol é obtida através do sistema de coordenadas celestial, como é ilustrado na figura

20, em que θ2 é o ângulo de azimute e θ4 o ângulo de elevação (PRINSLOO; DOBSON, 2014).

Figura 20: Ângulos de azimute e elevação vistos por um observador no ponto Q.

Fonte: (PRINSLOO; DOBSON, 2014).

A partir de dados da localização, data e hora de qualquer ponto no planeta, Reda e

Andreas (2008) desenvolveram um dos algoritmos mais precisos de rastreamento da posição

solar utilizando uma abordagem astronômica (PRINSLOO; DOBSON, 2014). Esse algoritmo

é conhecido como NREL Solar Position Algorithm e calcula a posição do Sol, retornando

35

valores de elevação e azimute, com uma incerteza de 0,0003o no vértice e compensa mudanças

cósmicas do ano−2000 até o ano 6000 (REDA; ANDREAS, 2008). Dessa maneira foi possível

compor a base de dados da entrada do controlador do rastreador solar.

A figura 21 mostra o azimute e a elevação do Sol vistos da UTFPR Campus Centro

durante o ano de 2017.

Figura 21: Elevação e Azimute a partir da UTFPR Campus Centro.

Fonte: (Sun Earth Tools, 2009), acessado em 01/06/2017.

2.8 SENSORES

O uso de sensor de posição, o acelerômetro, e o de campo magnético, o magnetômetro,

pode ser útil para informar a real posição do painel solar (PRINSLOO; DOBSON, 2014). Estes

sensores informam a aceleração gravitacional (Gx, Gy e Gz) que é relacionada aos eixos do

plano cartesiano do painel através dos ângulos α e β (STEPANOV et al., 2014), como mostra

a figura 22.

36

Figura 22: ângulos α e β relacionandos à aceleração gravitacional e o plano cartesiano dorastreador solar.

Fonte: Adaptado de (STEPANOV et al., 2014).

Conforme abordado em Stepanov et al. (2014), estes ângulos podem ser obtidos a

partir nas equações (1) e (2):

∠α = tan−1(Gx√

G2y +G2

z

), (1)

∠β = tan−1(Gy√

G2x +G2

z). (2)

Os ângulos de elevação e azimute também podem ser calculados (STEPANOV et al.,

2014):

∠θ2 = ∠β , (3)

∠θ4 = cos−1(∠α

90−∠β). (4)

37

2.9 MALHA DE CONTROLE

A malha de controle consiste em um controlador e algoritmos que implementam uma

estratégia de controle. Algoritmos de rastreamento solar tipicamente incorporam uma estratégia

de controle que é um híbrido entre controle de malha aberta e malha fechada (PRINSLOO;

DOBSON, 2014).

O controle em malha fechada é importante para eliminar erros que resultam da

variabilidade na instalação, montagem e calibração (AUTOMATION, 2012). A malha de

controle implementada é apresentada na figura 23:

Figura 23: Malha de controle rastreador solar.

Fonte: Autoria própria.

O controle PID é utilizado para correção do erro da posição do painel em relação aos

ângulos de entrada. A escolha desse controlador se deve a sua facilidade de implementação e

rápida resposta (PRINSLOO; DOBSON, 2014). Na figura 24 é visto o diagrama típico de um

Controlador PID, onde Kp é o ganho proporcional, Ti o tempo integral e Td o tempo derivativo

do processo a controlar (OGATA; SEVERO, 1998).

Figura 24: Controle PID de um processo.

Fonte: (OGATA; SEVERO, 1998).

O algoritmo PID e toda a malha de controle do trabalho foram implementados

utilizando o software LabVIEW.

38

2.10 SOFTWARE LABVIEW

O LabVIEW é um software de engenharia de sistemas criado para várias aplicações.

Entre elas as que envolvam teste, medição e controle, com rápido acesso ao hardware e

informações obtidas a partir dos dados. Este software, base da plataforma de projeto da National

Instruments, utiliza uma linguagem de programação gráfica que usa ícones, em vez de linhas

de texto, para criar aplicações. Assim, a programação é baseada em fluxo de dados, em que

as informações ao serem processadas determinam a execução do código gráfico – diferente das

linguagens de programação que são orientadas por texto (National Instruments, 2009).

Os códigos desenvolvidos em LabVIEW são intitulados instrumentos virtuais (VIs

– Virtual Instruments). O ambiente LabVIEW é composto por três componentes principais,

qualificados pela National Instruments como:

• Painel Frontal: aberto sempre que um VI é aberto ou criado, o painel frontal é a

interface de usuário do VI. No Painel Frontal podem ser inseridos controles e indicadores

numéricos, dessa forma, o usuário pode interagir com o código e ver os resultados nas

saídas.

• Diagrama de Blocos: componente no qual é desenvolvida a programação;

• Painel de Conexões: necessário quando são utilizadas SubVIs. É um conjunto de

terminais correspondentes aos controles e indicadores do VI. Definem as entradas e saída

que devem ser ligadas ao VI para que este possa ser utilizado como SubVI.

Utilizando o LabVIEW juntamente com a controladora, é possível usufruir dos recursos

de controle dos módulos LabVIEW FPGA e LabVIEW Real-Time na realização de uma solução

personalizada de rastreamento solar (PRINSLOO; DOBSON, 2014).

2.10.1 NI myRIO-1900

Segundo National Instruments (2013), a National Instruments myRIO-1900 é um

dispositivo de entradas e saídas reconfigurável portátil que pode ser usado para projetar sistemas

de controle, robótica e mecatrônica. Este dispositivo disponibiliza entradas e saídas analógicas

(AI e AO), entradas e saídas digitais (DIO) e saída em tensão embarcados. Os conectores deste

dispositivo para um computador são feitos por USB ou conexão sem fio. A figura 25 mostra a

disposição e as funções da NI myRIO-1900:

39

Figura 25: mostra a disposição e as funções da NI myRIO-1900

Fonte: (National Instruments, 2013), acessado em 11/08/2017.

A figura 26 mostra o pacote do sistema myRIO e sua arquitetura:

Figura 26: (a) Pacote do sistema integrado NI myRIO 1900, incluindo NI myRIO 1900, conectorMPX, acessórios, fonte de alimentação e cabos. (b) Arquitetura reconfigurável de entradas e saídasda NI myRIO 1900. Baseia-se em quatro componentes: um processador, um FPGA reconfigurável,entradas e saídas, e software de design gráfico.

Fonte: Adaptado de (OSWALD et al., 2014).

40

Visando a integração entre controlador, atuador e mecanismos, realizaram-se estudos

dos conjuntos eletromecânicos que realizam a movimentação dos rastreadores solares.

2.11 CONJUNTOS ELETROMECÂNICOS PARA A MOVIMENTAÇÃO DE MÓDULOS

FOTOVOLTAICOS

Esta seção faz a revisão dos tipos de sistemas mecânicos que compõem os rastreadores

solares mais comuns encontrados no estado da arte, focando nos tipos de atuadores e elementos

do sistema de transmissão do movimento como: eixos, engrenagens, caixas de redução e outros

elementos que compõem o sistema.

2.11.1 Sistema com um atuador e um grau de liberdade

O mecanismo descrito a seguir constitui um rastreador solar do tipo polar de um eixo,

movido por uma engrenagem - conjunto de peças dentadas, conectada a um eixo sem-fim

simples - parafuso roscado que transmite o movimento da engrenagem. A figura 27 apresenta

um exemplo de eixo do tipo sem-fim simples conectado a uma engrenagem.

Figura 27: Eixo sem-fim simples conectado a uma engrenagem.


O eixo sem-fim simples é usado em muitas aplicações de rastreamento solar. Esta

unidade de giro oferece inerentemente uma solução auto bloqueadora para o rastreamento solar

e é apresentada pelos fabricantes como uma unidade com baixa contra ação (PRINSLOO;

DOBSON, 2014).

No protótipo desenvolvido em Araújo (2015) o eixo sem-fim é conectado ao motor

através de uma caixa de redução de velocidade - conjunto de engrenagens que transformam a

velocidade do eixo de entrada em um aumento de torque no eixo de saída. O motor utilizado

foi do tipo CC de 24 V empregado em sistemas de movimentação de cadeiras odontológicas. A

41

figura 28 ilustra o protótipo de rastreador descrito pelo autor. As dimensões deste protótipo são

de, aproximadamente, 30 cm x 30 cm x 45 cm.

Figura 28: (a) Vista frontal e (b) Vista lateral do desenho de projeto do protótipo de rastreadorsolar do tipo polar com um eixo.

Fonte: (ARAÚJO, 2015).

A figura 29 apresenta o modelo construído do protótipo de dimensões reduzidas do

rastreador solar do tipo polar com um eixo.

Figura 29: Protótipo de rastreador solar de um eixo.

Fonte: (ARAÚJO, 2015).

De acordo com Araújo (2015), uma desvantagem deste projeto foi a introdução de uma

folga - diferença entre as dimensões do furo e do eixo, na transmissão ocasionada pela caixa

42

de redução utilizada, baseada em um eixo sem-fim e uma engrenagem. A figura 30 exemplifica

uma caixa de redução, normalmente utilizada em motores.

Figura 30: Caixa de redução.


As unidades de redução de rotação oferecem uma solução atrativa para aplicações de

rastreamento solar. Esta transmissão de engrenagens transfere o movimento de rotação do eixo

de alta velocidade para um eixo de velocidade lenta através de uma combinação de engrenagens

(PRINSLOO; DOBSON, 2014).

2.11.2 Sistema com dois atuadores e dois graus de liberdade

Os atuadores lineares - dispositivos que convertem o movimento de rotação de

um motor de baixa tensão de corrente contínua em um movimento linear, são comumente

empregados em projetos de sistemas de posicionamento de módulos fotovoltaicos com um

ou dois graus de liberdade. Projetos com apenas um grau de liberdade não possuem grande

complexidade e, segundo Oliveira (2008), são de montagem robusta e baixa manutenção, porém

seu uso é restrito, uma vez que não apresenta um ganho importante para estações com dias

curtos. A figura 31 ilustra dois modelos de atuadores lineares.

Figura 31: Atuadores lineares responsáveis pelo movimento de elevação em algumas aplicações derastreamento solar.


43

O sistema composto por dois atuadores possui, na maioria das vezes, um motor elétrico

e um atuador linear, além de um conjunto de engrenagens de transmissão e, quando necessário,

uma caixa de redução para o motor elétrico. Neste sistema, o motor elétrico é responsável pela

movimentação do azimute e o atuador linear pela elevação (PRINSLOO; DOBSON, 2014),

como demonstrado na figura 32.

Figura 32: Sistema de rastreamento solar de dois eixos utilizando atuadores independentes emvárias configurações.


Para placas de captação de energia solar em formato parabólico, de acordo com

Prinsloo e Dobson (2014), o sistema de rastreamento solar com dois atuadores requer unidades

de movimento grandes e excessivamente caras para superar a carga suspensa da unidade de

conversão de energia tanto no azimute como no ângulo de elevação. Isso indica que apesar de

eficiente, este sistema possui um alto custo de implantação.

Outra opção para sistemas de rastreamento solar com dois atuadores e dois graus de

movimento são os sistemas que utilizam placas planas de captação de energia fotovoltaicas

(PRINSLOO; DOBSON, 2014). Dentre as configurações possíveis para o conjunto de atuadores

deste sistema, estão: a combinação motor elétrico e atuador linear como ilustrado na figura 33

e a combinação de dois motores elétricos, como demonstrado na figura 34.

44

Figura 33: Sistema de rastreamento solar de dois eixos com atuador linear circulado.

Fonte: (PRINSLOO; DOBSON, 2014), apud (SMA, 2014).

Figura 34: Sistema de rastreamento solar de dois eixos com dois motores elétricos.

Fonte: (SANTOS et al., 2015).

Segundo Santos et al. (2015) o sistema de dois eixos com dois motores tem capacidade

para operar em diferentes regiões e possui diferentes modos de operação. Através de

controle utilizando sensores o módulo fotovoltaico pode ser posicionado de forma a atender

às necessidades do usuário final.

Buscando um custo equivalente aos sistemas com um atuador e um eixo e visando

manter a eficiência dos sistemas com dois atuadores e dois eixos, o rastreador solar desenvolvido

neste trabalho consiste em um rastreador ativo com alimentação auxiliar, baseado em “hora e

data”, possuindo um movimento gradual, com dois eixos do tipo azimute/elevação e utilizando

somente um atuador, de maneira que o movimento dos mesmo é atrelado.

45

3 PROJETO E CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO

3.1 DESCRIÇÃO DO PROJETO MECÂNICO E CONSTRUÇÃO

Para possibilitar o uso de uma fonte de torque para a movimentação de dois eixos, foi

projetado um sistema de transmissão utilizando engrenagens.

O atuador do sistema gera um torque capaz de realizar o movimento de azimute e o

movimento de inclinação do módulo fotovoltaico. Isso é possível devido à concepção deste

sistema, baseada na transmissão do movimento a partir do acoplamento entre duas engrenagens

cônicas, uma em cada grau de liberdade. Visando validar este projeto, o primeiro protótipo foi

desenvolvido para uma manivela como fonte de torque, ou seja, acionado manualmente pelo

usuário, como mostrado no desenho apresentado na figura 35:

Figura 35: Desenho do protótipo desenvolvido para a validação do sistema.

Fonte: Desenvolvido pelos autores em Software AutoCAD.

Neste protótipo, o movimento de azimute é transmitido a partir de 2 conjuntos,

conforme apresentado na figura 35. O primeiro conjunto é composto por duas engrenagens

cônicas e tem a primeira delas, indicada por 1, acoplada ao eixo do atuador. O movimento do

atuador é transmitido em 90o à engrenagem 2, que está acoplada ao eixo do segundo conjunto

de engrenagens composto por duas coroas e uma corrente de transmissão, apresentado em 3.

46

Por fim, a segunda coroa está fixada à base da estrutura. A relação entre as engrenagens cônicas

e entre as coroas permite que o movimento rotacional do atuador seja transmitido ao eixo do

protótipo, indicado em 4.

O movimento de inclinação é transmitido pelo eixo da fonte de torque para um

mecanismo de quatro barras. Neste sistema, conforme mostrado na figura 36, a peça d é o

suporte, geralmente estacionária. A peça a, acionadora do movimento, é a manivela e tem

seu movimento, θ2, transmitido à biela, peça b, de forma multiplicada. O resultado destes

movimentos é o movimento da peça c, θ4, denominada balancim (HAMILTON; OCVIRK,

1987).

Figura 36: Mecanismo de 4 barras.

Fonte: Adaptado de Uicker et al. (2003).

O sistema que realiza o movimento de elevação desenvolvido no protótipo é

semelhante ao demonstrado na figura 37, em que Gerardin et al. (2005) pretendeu transmitir

um movimento unidirecional ao pistão a partir do movimento rotacional do eixo do motor,

utilizando o conjunto manivela-biela.

47

Figura 37: Sistema de transmissão de movimento unidirecional manivela-biela.

Fonte: (GERARDIN et al., 2005).

Finalizada a construção do protótipo de validação da mecânica do sistema, pode-se

atestar a possibilidade da utilização de apenas uma fonte de torque para a realização dos dois

movimentos propostos, ângulos de elevação e azimute. O protótipo de validação construído é

mostrado na figura 38:

Figura 38: Protótipo de validação do sistema.

Fonte: Os Autores.

48

3.2 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA

As variações do azimute e elevação, que são traduzidos, respectivamente, no ângulo

do eixo do motor e no ângulo do eixo do módulo fotovoltaico, podem ser relacionadas no

mecanismo de 4 barras, apresentado na figura 36.

Segundo a descrição cinemática do mecanismo de 4 barras contida em Hamilton e

Ocvirk (1987), o ângulo θ4, ângulo do eixo do módulo fotovoltaico, em função do ângulo θ2,

ângulo do eixo do motor, é obtido a partir das equações descritas de (5) até (11):

K1 =da

; (5)

K2 =dc

; (6)

K3 =a2 + c2 +d2−b2

2 ·a · c; (7)

A = cosθ2−K1− (K2 · cosθ2)+K3; (8)

B =−2 · senθ2; (9)

C = K1− [(K2 +1) · cosθ2]+K3; (10)

θ4 = 2 · arctg

[(−B− B2−4 ·A ·C

2 ·A

)2]. (11)

E, para o protótipo desenvolvido neste trabalho, as variáveis que compõe estas

equações são traduzidas nos seguintes ângulos e dimensões:

• θ2: azimute do módulo fotovoltaico em radianos;

• θ4: elevação do módulo fotovoltaico em radianos;

• a: Comprimento da manivela em milímetros;

• b: Comprimento da biela em milímetros;

49

• c: Distância entre o eixo da biela e o eixo do módulo fotovoltaico em milímetros;

• d: Distância entre o eixo do protótipo e o eixo do módulo fotovoltaico em milímetros;

A partir dos estudos de Hamilton e Ocvirk (1987), realizou-se o dimensionamento do

sistema de elevação desenvolvido em Matlab no algoritmo descrito no Apêndice A. Neste, é

possível simular diferentes trajetórias do ângulo de elevação do módulo fotovoltaico em função

da variação do ângulo do eixo do motor, tendo como parâmetros de entrada os comprimentos

das peças a, b, c e d em milímetros.

O algoritmo referencia os ângulos θ2 e θ4 de acordo a figura 36, variando θ2 no sentido

horário. A cada iteração, são utilizadas as equações de (5) a (11) para retornar o valor de θ4

equivalente em radianos. Em seguida, θ4 é convertido em graus. Por fim, são carregadas as

curvas do solstício de verão, do solstício de inverno e a média entre elas, obtidas a partir do

software Solar Position Algorithm em Sun Earth Tools (2009), para que se faça o comparativo

com a curva obtida na simulação.

As curvas são padronizadas com um ajuste do eixo das ordenadas considerando o

ângulo de elevação mínimo em 90o e máximo em 0o, e o eixo das abscissas para que a média

entre as curvas de solstício de verão e solstício de inverno inicie em 0o, tomando por referência

o ângulo inicial do motor. Assim, o norte geográfico é referenciado no eixo das abscissas em

90o, o leste em 270o e o Oeste em 0o. Este ajuste é importante para a parametrização da curva

simulada.

Fazendo o eixo do motor dar uma volta completa, ou seja, variando o ângulo θ2, de 0o

a 360o e combinando diversos valores das peças do mecanismo de 4 barras - a, b, c e d, foram

obtidas várias curvas de resposta. A curva eleita como a que mais se aproximou da média

entre as curvas do solstício de verão e de inverno contendo valores de peças possíveis de serem

construídas é vista na figura 39.

50

Figura 39: Curva para eixo do motor variando 360o.

Fonte: Os Autores - Desenvolvido em Software Matlab.

As curvas do solstício de inverno e de verão foram construídas a partir do software

Solar Position Algorithm obtendo a elevação e o azimute do amanhecer até o anoitecer em um

intervalo de 5 minutos, indo da direita para a esquerda na figura 39. Dessa maneira, a curva

do solstício de verão contém mais pontos que a do solstício de inverno devido ao intervalo de

tempo da primeira ser maior.

Para a curva simulada, os valores obtidos para comprimento da manivela, comprimento

da biela, distância entre o eixo da biela e o eixo do módulo fotovoltaico e distância entre o eixo

do protótipo e o eixo do módulo fotovoltaico são apresentados na tabela 1.

Tabela 1: Comprimento das estruturas do protótipo.Comprimento

a 68 mm

b 388 mm

c 152 mm

d 225 mm

Nota-se que a curva simulada e apresentada na figura 39 não é suave. Os pontos em

que não há derivada ocorreram pois o dimensionamento dos comprimentos das peças gerou

dois pontos mortos, pontos em que a linha de ação da força acionadora está na mesma direção

da peça, causando travamentos no atuador. No caso deste mecanismo, estes pontos mortos

51

ocorrerão quando a linha de ação da força acionadora, aplicada à peça a, estiver na mesma

direção da peça c, conforme consta em Mabie e Ocvirk (1980).

A Lei de Grashof, de acordo com Norton (1999), ajuda a explicar o evento ocorrido

na simulação, com a análise do tipo de movimento realizado pelo mecanismo de quatro barras:

"Para que exista um movimento contínuo entre as barras, a soma da barra mais curta e a barra

mais longa não pode ser maior que a soma das barras restantes". Ou seja, para que o motor

dê uma volta completa, desta forma, fazendo a manivela realizar um movimento contínuo, a

inequação (12) deve ser atendida:

a+b < c+d. (12)

A solução encontrada para eliminar a ocorrência destes pontos mortos foi diminuir a

variação do eixo do motor. A figura 40 mostra a curva obtida para o eixo do motor variando de

95o a 265o, ou seja, uma variação de 170o.

Figura 40: Dimensionamento do sistema de elevação.


O dimensionamento das engrenagens 1, 2, 3, e 4, representadas na figura 35, que

realizam a transmissão do movimento do eixo do motor para o eixo fixo do protótipo é

feito seguindo os resultados da simulação na figura 40. Dessa maneira, para que o protótipo

varie 170o em relação ao ângulo de azimute, mesma variação do eixo do motor, a relação de

transmissão entre as engrenagens cônicas e as coroas deve ser 1:1.

52

Dadas todas as dimensões do protótipo, o servo motor da marca JX Servo modelo

PDI-6221MG, apresentado na figura 41, foi escolhido para ser a fonte de torque do protótipo

final.

Figura 41: Servo motor JX Servo PDI-6221MG.

Fonte: (JX Servo, 2015), acessado em 12/08/2017.

Este motor possui um alcance máximo de 180o, uma velocidade de operação de 0,16

sec/60o e um torque de 17,25kg.cm quando alimentado com uma tensão de 6V. Possui as

dimensões 40,5mm x 20,2mm x 38mm e 62g (JX Servo, 2015), mostrando-se como uma boa

opção por ter um baixo custo e alto torque perante os demais servos da categoria de micro servo

motores.

3.2.1 Processo Construtivo da Estrutura Mecânica

Muitas das alterações realizadas no segundo protótipo em relação ao primeiro

se deveram a identificações de problemas e dificuldades que existiram neste, adequação

a modelagem matemática obtida durante os procedimentos de projeto do segundo e a

simplificação do mecanismo em si.

3.2.1.1 Estrutura de Sustentação

A estrutura de sustentação foi fabricada em madeira, placa de fibra de média densidade

- MDF Medium Density Fiberboard, quase que em sua totalidade. As peças de madeira foram

cortadas, serradas, esquadrejadas, limadas, lixadas e foram feitas roscas para parafusos de rosca

soberba, utilizados na fixação destas peças.

Dentre as peças de madeira integrantes da estrutura de sustentação do protótipo estão

as indicadas na lista abaixo:

53

• Base principal de sustentação do posicionador - 1;

• Anel de fixação entre base principal e bucha de nylon - 2;

• Anel de sustentação entre bucha e eixo de giro do azimute - 3;

• Mancal em ‘U’ com rebaixe para rolamento de diâmetro interno 17mm - 4;

• Mancal com rebaixe para rolamento de diâmetro interno 1/2′′ - 5;

• Base da estrutura giratória superior - 6;

• Laterais da estrutura giratória superior - 7;

• Haste fixada entre as laterais da estrutura giratória superior - 8;

• Mancais de sustentação para o eixo principal de transmissão - 9;

• Base de fixação do servo motor - 10;

• Base de fixação da placa fotovoltaica com o eixo roscado - 11;

• Haste extensora - 12.

Estas peças são apresentadas na figura 42:

54

Figura 42: Estrutura de sustentação.

Fonte: Os autores.

Outras peças do protótipo construídas em madeira, que fazem parte da transmissão,

foram a biela e manivela, componentes do mecanismo de 4 barras, como é visto na figura 43 e

com comprimentos definidos na tabela 1.

55

Figura 43: Mecanismo de 4 barras.

Fonte: Os autores.

3.2.1.2 Estrutura de Transmissão de Movimento

Após a construção da estrutura, inciou-se o processo de confecção das peças

responsáveis pela transmissão do movimento da segunda versão do protótipo, partindo-se da

modelagem matemática do conjunto de peças responsáveis pelo movimento de azimute.

Os elementos responsáveis pela transmissão de movimento que apresentaram um

maior grau de complexidade de confecção, dentre os presentes neste projeto de posicionador

solar, são as engrenagens e coroas dentadas. Levando-se isso em consideração, buscaram-se

alternativas financeiramente viáveis e que atendessem às dimensões e definições de projeto.

Neste caso, as melhores alternativas encontradas foram engrenagens cônicas de

polipropileno, figura 44, usualmente utilizadas em projetos de máquinas de pequeno porte, e

engrenagens retas também de polipropileno, usualmente utilizadas em esteiras industriais. Estas

segundas foram posteriormente substituídas por coroas dentadas e uma corrente, utilizadas

em bicicletas, figura 45. Esta substituição se fez necessária devido a folga existente entre

as engrenagens retas, quando estas são conectadas diretamente uma a outra. Folga que foi

verificada durante a primeira montagem da segunda versão do protótipo deste projeto. Estas

engrenagens, usualmente, não são utilizadas para transmissão direta de movimento.

56

Figura 44: Engrenagens cônicas de polipropileno.

Fonte: Os autores.

Figura 45: Coroas dentadas e corrente.

Fonte: Os autores.

O eixo principal do mecanismo de transmissão de movimento em material aço ABNT

1020, figura 46, foi usinado em torno mecânico. O diâmetro externo do eixo possui apenas

uma medida, que foi estabelecida pelo diâmetro da furação da engrenagem cônica, fixada a ele.

Seu comprimento foi determinado a partir da posição do servo motor e dos outros elementos

de sustentação e de transmissão de movimento, como os mancais de sustentação deste eixo e à

manivela e biela.

57

Figura 46: Eixo principal de transmissão de movimento.

Fonte: Os autores.

Para fixação da bucha de acoplamento do servo motor e da manivela às extremidades

do eixo principal de transmissão, foram realizas furações de 5mm de diâmetro, utilizando-se

broca, e confeccionadas roscas métricas para parafusos de 6mm de diâmetro, utilizando-se um

conjunto de machos M6 e um desandador.

A bucha de acoplamento do servo motor em material nylon, figura 47, foi usinada em

torno mecânico. Nela foi feita furação de diâmetro de 1/2′′, para encaixe do eixo principal de

transmissão e furações para confecção de roscas e alocação da cabeça de parafuso, utilizado na

fixação desta bucha com o eixo principal. Foram feitos rebaixes para acoplamento desta bucha

com a peça plástica que é encaixada ao pinhão do servo motor.

Figura 47: Bucha de acoplamento entre servo motor e eixo principal.

Fonte: Os autores.

O eixo secundário de transmissão, figura 48, foi usinado em torno mecânico e é de

58

material aço ABNT 1020. Suas duas medidas de diâmetro externo foram definidas a partir dos

diâmetros internos da engrenagem cônica e do rolamento presente no mancal em ‘U’, que são

respectivamente 1/2′′ e 17mm.

Figura 48: Eixo secundário de transmissão.

Fonte: Os autores.

O comprimento desse eixo secundário foi definido considerando-se a medida da

distância entre a engrenagem cônica acoplada em uma de suas extremidades e a coroa dentada

parafusada a sua outra extremidade. Foi realizada furação com broca de 5 mm de diâmetro e

confeccionada rosca para parafuso M6 na extremidade inferior deste eixo.

Esta furação com rosca M6 foi necessária para a fixação do eixo secundário ao disco

de fixação de uma das coroas dentadas. Este disco, em material aço ABNT 1045, figura 49, foi

usinado em torno mecânico. No mesmo foram realizadas furações, faceamento e confecção de

roscas para fixação da coroa dentada.

59

Figura 49: Disco de aço ABNT 1045 para fixação da coroa dentada.

Fonte: Os autores.

Outra peça fixada ao eixo secundário de transmissão é o disco de regulagem de altura

do mesmo, figura 50. Este disco, em material aço ABNT 1020, foi usinado em torno. Também

foi necessário realizar uma furação no mesmo, utilizando-se de uma furadeira de bancada e uma

broca de diâmetro de 4,2 mm. Esta furação foi necessária para a confecção de rosca métrica

para parafuso M5, este utilizado na sua fixação do disco de regulagem ao eixo secundário.

Figura 50: Disco para regulagem da posição do eixo de transmissão secundário.

Fonte: Os autores.

Para se fixar a outra coroa dentada entre a base principal de sustentação do

posicionador e a bucha que aloca o rolamento responsável pela rotação da estrutura giratória

superior, foi necessária a confecção de outro disco de fixação, figura 51. O material utilizado

para a confecção, em torno mecânico, deste disco foi o polipropileno de uma das engrenagens

retas que foi substituída, justamente pela coroa deste conjunto.

60

Figura 51: Disco de polipropileno para fixação da coroa dentada.

Fonte: Os autores.

A engrenagem em polipropileno foi desbastada até atingir um diâmetro externo inferior

ao diâmetro primitivo da coroa dentada. Também foram realizadas furações, utilizando-se de

uma furadeira de bancada. Essas furações foram necessárias para a fixação do disco ao restante

do conjunto.

A bucha que aloca o rolamento responsável pela rotação da estrutura giratória superior,

figura 52, em material nylon, também foi usinada em torno mecânico. Esta bucha foi torneada

com diâmetro externo de 90 mm, comprimento de 80 mm. Também foi necessária a usinagem

de um rebaixe com 45mm de diâmetro e 40mm de altura para alocação do rolamento.

Figura 52: Bucha de nylon para alocação do rolamento do giro da parte superior.

Fonte: Os autores.

Utilizando-se de uma furadeira de bancada, foram realizadas furações da fixação da

bucha ao conjunto.

O eixo, que é fixado à base da estrutura giratória superior através de parafusos e

61

encaixado na parte interna do rolamento de rotação da estrutura superior, é de material nylon

e foi torneado em quatro diâmetros diferentes. As furações, para fixação deste eixo junto a

base da estrutura superior e alocação da cabeça dos parafusos utilizados nesta fixação, foram

realizadas em uma furadeira de bancada utilizando-se brocas de diâmetro 6,5 mm e 11 mm.

Como eixos de giro do módulo fotovoltaico, de conexão entre a manivela e a biela e

de conexão entre biela painel, utilizou-se um eixo roscado com rosca métrica M8, como visto

na figura 53. Por ser um eixo roscado nessas medidas, o encaixe do eixo nos rolamentos de

8 mm de diâmetro interno e a sua fixação com porcas M8 foi muito simples. Os rolamentos

com diâmetro interno de 8 mm estão presentes na manivela, x1, na biela, x2, e nas laterais da

estrutura giratória superior, x1 em cada.

Figura 53: Eixos roscados rosca métrica M8.

Fonte: Os autores.

3.3 DESCRIÇÃO DO SENSOR

O acelerômetro é um dispositivo sensor que converte a aceleração aplicada sobre ele

em sinais elétricos. A grandeza utilizada para representar esta aceleração é o ‘G’, que é função

da gravidade da Terra, ou seja, 1G equivale a, aproximadamente, 9,8m/s2 (ORDOÑEZ et al.,

2005). Este sensor pode ser usado em sistemas como responsável por fornecer informação

necessária para a tomada de ações de controle.

No protótipo de posicionador de módulo fotovoltaico desenvolvido neste trabalho,

o dispositivo sensor utilizado foi o MMA7361, desenvolvido pela empresa Freescale

62

Semiconductor. Este acelerômetro possui três saídas analógicas, sendo cada uma para a

aceleração gravitacional dos eixos x, y e z. A sensibilidade deste sensor é de 800mV/G para a

escala medida até 1,5G. O dispositivo e as configurações de seus pinos são apresentadas nas

figuras 54 e 55.

Figura 54: Acelerômetro MMA7361.

Fonte: (Multipeçastec, 2015).

Figura 55: Pinagem Acelerômetro MMA7361.

Fonte: (Freescale Semiconductor, 2015).

As definições dos pinos para a aplicação foram:

• VDD: Alimentação do dispositivo em 5V ;

• VSS: Terra do dispositivo;

• Xout : Sinal utilizado para a detecção da variação da elevação do módulo fotovoltaico;

63

• g-select: O modo de operação selecionado para a aplicação foi com uma faixa de operação

entre −1,5G e +1,5G, para ‘G’ a aceleração gravitacional, e uma sensibilidade de

800mV/G. Portanto, este pino foi colocado em nível lógico baixo;

• Sleep: Como o acelerômetro foi usado em seu modo normal de operação, esta porta

recebeu nível lógico alto;

• Self Test: Este pino foi colocado em nível lógico alto durante o primeiro teste para a

verificação da integridade do dispositivo. Para a operação no sistema, o pino foi colocado

em nível lógico baixo;

• 0g-Detect: Como esta não é uma aplicação com detecção de queda livre, este pino não

foi conectado.

Informações adicionais do dispositivo sensor utilizado podem ser encontradas no

Anexo A.

3.3.1 Obtenção da curva do acelerômetro

Segundo (ÅSTRÖM; WITTENMARK, 2013), a identificação de sistemas é um

elemento chave no controle. Os autores definem as etapas de identificação como:

• Seleção da estrutura do modelo a ser estudado;

• Projeto do experimento;

• Estimação dos parâmetros;

• Validação do modelo.

Visando obter a curva ótima de funcionamento do acelerômetro e, a partir desta, definir

as constantes que convertem a tensão fornecida pelo dispositivo em posição angular do módulo

fotovoltaico em relação a horizontal, foram feitos 115 ensaios com o posicionamento do módulo

variando entre 20o e 61o. A curva obtida para a combinação do resultado destes ensaios é

apresentada na figura 56.

64

Figura 56: Curva de Operação do Acelerômetro obtida em ensaio.


Estes dados experimentais possibilitaram a estimação dos parâmetros de um modelo

matemático do dispositivo. Esta modelagem foi feita a partir do Método dos Mínimos

Quadrados.

3.3.2 Obtenção da Curva de Ajuste do Acelerômetro

O conceito do Método dos Mínimos Quadrados encontrado em Aguirre (2004) e

desenvolvido por C. F. Gauss em 1795 define que “os valores mais prováveis de quantidades

desconhecidas serão aqueles cuja soma dos quadrados das diferenças entre os valores

observados e os valores computados, multiplicados por parâmetros que representem graus de

precisão, seja mínima”. Este estimador é um dos mais conhecidos e mais utilizados nas mais

diversas áreas de ciência e tecnologia (AGUIRRE, 2004).

A teoria e equacionamento detalhado do Método dos Mínimos Quadrados utilizado

para a obtenção da curva de ajuste do acelerômetro pode ser encontrada em Aguirre (2004).

Considerando-se o resultado obtido na figura 56, encontra-se uma similaridade com

uma função do primeiro grau. Portanto, o Método dos Mínimos Quadrados foi aplicado para

uma regressão linear destes resultados experimentais. O modelo obtido plotado junto a curva

experimental é mostrado na figura 57.

65

Figura 57: Modelo e Curva de Operação do Acelerômetro.

Fonte: Fonte: Os Autores - Desenvolvido em Software Matlab.

A equação da reta obtida para o modelo é apresentada em (13):

θ(k) = 92,57V (k)−141,4. (13)

3.3.3 Cálculo do Erro Médio Quadrático do Modelo do Acelerômetro

Para a comparação entre o modelo alcançado e a curva real do acelerômetro, o Erro

Quadrádico Médio, do inglês Mean Squared Error (MSE), foi calculado. Para este cálculo foi

realizado um novo ensaio aplicando a saída do acelerômetro como entrada da equação 13 e

obtendo a resposta do modelo para este novo ensaio. A MSE foi obtida pela equação (14):

MSE =1N

N

∑i=1

(θe−θ)2 . (14)

Neste cálculo, θe é o valor do ângulo de elevação estimado pelo modelo do

acelerômetro e θ é o valor real deste mesmo ângulo. O valor obtido para a MSE foi 5,438 ·10−1.

e o erro máximo dentre todos o valores estimados comparados com valores reais foi de 2,017o.

66

4 VALIDAÇÃO, CONTROLE E IDENTIFICAÇÃO DO SISTEMA

4.1 COMPARATIVO ENTRE O SISTEMA MECÂNICO SIMULADO E REAL

A partir da finalização da construção do protótipo e da obtenção do modelo do

acelerômetro, o funcionamento do sistema mecânico real pode ser validado a partir de um ensaio

em malha aberta para a variação do ângulo de azimute, θ2, de 1o a 170o. Este ensaio foi feito

para estudar as variações entre o protótipo simulado e construído e, desta forma, obter a curva

real do protótipo e compará-la com a curva simulada apresentada na figura 40.

O código desenvolvido em LabVIEW para o ensaio em malha aberta é apresentado no

Apêndice B. Seus principais componentes são:

• SubVI de acionamento do servo motor, que tem como entrada a posição do servo motor

em graus. Este ângulo é traduzido no ângulo de azimute do protótipo;

• SubVI de leitura da posição do acelerômetro feita por uma pela porta A/AI0, entrada

analógica da MyRIO;

• SubVI de gravação dos sinais entrada para a posição do servo motor e posição do

acelerômetro em uma planilha de dados.

Foram feitos 5 ensaios com as variações do acionamento do motor, θ2, e, portanto,

foram obtidas 845 medições da posição do acelerômetro, θ4. A curva obtida como média destas

aquisições é apresentada na figura 58:

67

Figura 58: Curva do protótipo real para o ensaio em malha aberta.


A partir deste ensaio pode-se também encontrar um modelo estático para o sistema

real a partir de regressão polinomial por Método dos Mínimos Quadrados. O modelo estático

em que se encontrou a maior semelhança com a curva real é de terceira ordem e é descrito pela

equação (15):

θ4(k) = 2,294 ·10−5θ2(k)3−1,117 ·10−3

θ2(k)2−5,662 ·10−1θ2(k)+66,40. (15)

O comparativo entre as curvas da média dos dados reais obtidos no ensaio em

malha aberta e da regressão polinomial desenvolvida pelo método dos mínimos quadrados é

apresentado na figura 59:

68

Figura 59: Regressão por MMQ e Curva do protótipo real.


A partir de um novo conjunto de dados, foram obtidos o erro médio quadrático entre

modelo e sistema real e o erro máximo dentre as amostras que foram 7,1290 e 5,0228o,

respectivamente.

Por fim, na figura 60, a curva simulada no dimensionamento do sistema mecânico foi

comparada com a curva obtida da regressão polinomial, atestando que a construção se manteve

fiel ao projeto mecânico. Esta última serviu como vetor de entrada do código desenvolvido para

o controle do protótipo.

Figura 60: Curva simulada no projeto e Regressão por MMQ.


69

4.2 FECHAMENTO DA MALHA DE CONTROLE EM LABVIEW

Visando a realimentação da malha do sistema de controle através do acelerômetro, o

código desenvolvido em LabVIEW para o sistema em malha aberta foi incrementado com um

controlador PID discreto, responsável pelo envio de sinais de posição angular ao servo motor. O

código desenvolvido para o ensaio em malha fechada é apresentado no Apêndice C. Além dos

instrumentos virtuais apresentados na programação em malha aberta, os principais componentes

da programação em malha fechada são:

• SubVI de transformação do sinal obtido pelo acelerômetro, θ4, em sinal para acionamento

do servo motor, θ2;

• SubVI de implementação do controle PID discreto.

A necessidade do SubVI de transformação do sinal obtido do acelerômetro de θ4 para

θ2 se deu pois o controlador PID necessita do mesmo tipo de sinal para realizar a comparação

entre o sinal de entrada e saída e assim determinar o erro do sistema de controle. Assim, os

vetores ângulo de azimute, θ2, que se correlacionam do ângulo de elevação, θ4, que compõem

o código desta subVI foram obtidos no código desenvolvido em Matlab, descrito no Apêndice

D.

No código, são utilizados os coeficiente da equação (15) para relacionar cada valor o

vetor de entrada θ2, que varia de 1o a 170o, com o valor correspondente em θ4.

A sintonia do controlador PID foi realizada pelo Método de Ziegler-Nichols de Malha

Fechada, como é visto na Seção 10-2 em Ogata e Severo (1998), a partir da determinação

do ganho crítico de forma experimental, obtido pela variação do parâmetro Kp em Software

LabVIEW Foi efito então um ajuste fino no Td pois o sistema apresentava uma leve oscilação no

estado estacionário. Os parâmetros PID encontrados para este ajuste são apresentados na tabela

2.

Tabela 2: Parâmetros PID sintonizados.Kp 0,014

Ti 0,001

TD 0,7

Para fins de validação da sintonia do controlador PID, foi obtida a resposta do sistema

a um degrau partindo de 20o até 80o. A figura 61 apresenta o resultado obtido onde o erro de

estado estacionário é menor que 2% .

70

Figura 61: Resposta ao degrau do sistema em malha fechada.


4.3 ANÁLISE DA CURVA DE CARGA DO MÓDULO FOTOVOLTAICO

Visando uma melhor resposta para as aquisições de potência dos módulos fotovoltaicos

fixo e móvel e, assim, um melhor comparativo entre eles, foi feita uma breve análise da curva

de carga dos módulos utilizados, que, segundo dados do fabricante, possuem uma potência

máxima de 12W.

Conforme mostrado na figura 62 as características de módulos fotovoltaicos não são

lineares.

Figura 62: Curva característica corrente x tensão do módulo fotovoltaico.

Fonte: (ELTAWIL; ZHAO, 2013).

71

Com o objetivo de chegar próximo ao valores de resistência que maximizasse a

potência dos módulos, a carga utilizada para as aquisições foi obtida pela equação (16):

Rcarga =Vca

Icc, (16)

em que:

• Vca: Tensão de Circuito Aberto do módulo;

• Icc: Corrente de Curto Circuito do módulo.

Ambos os dados foram obtidos como dados do fabricante. A carga obtida é apresentada

em (17):

Rcarga =21,52V0,66A

= 32,6Ω (17)

Devido a limitantes da entrada analógica da controladora MyRIO, foram construídos

divisores de tensão da ordem encontrada para Rcarga. O circuito divisor de tensão implementado

é apresentado na figura 63:

Figura 63: Divisor de tensão construído.

Fonte: Desenvolvido pelos Autores.

4.4 IDENTIFICAÇÃO DO SISTEMA

Visando compreender e controlar o mecanismo construído, buscou-se obter o

modelo matemático que representa o comportamento da planta em questão e a caracterize

adequadamente. Para a identificação do protótipo do posicionador construído neste trabalho,

72

exemplo de sistema não-linear, aplicou-se técnica de identificação caixa preta a partir do

estímulo de um ruído branco.

4.4.1 Ruído Branco

Desde que o sistema seja submetido a um ruído branco uniforme por tempo suficiente,

existe uma probabilidade finita de que qualquer dado da forma de onda do estímulo seja

representada, em um intervalo finito, por alguma amostra deste sinal de ruído branco. Assim, o

sistema é testado com todos os estímulos possíveis, ou uma grande variedade deles, dependendo

do comprimento do sinal e experiência de ruído branco. Em resumo, um estímulo de ruído

branco é um estímulo muito rico (MARMARELIS, 2012). Além disso, segundo Abraham e

Ledolter (2009), o ruído branco possui média próxima de zero, variância constante e correlações

não significativas.

O ruído branco aplicado no ensaio como estímulo do posicionador de módulo

fotovoltaico foi gerado a partir da software LabVIEW com o bloco ´´Uniform White Noise´´

mostrado na figura 64.

Figura 64: Ruído Branco Uniforme em LabVIEW.

Fonte: Adaptado de LabVIEW Help.

Este bloco gera um sinal pseudorandômico uniformemente distribuído que tem seus

valores variados na faixa determinada pela entrada ‘amplitude’. Para o proposto ensaio, os

valores do ruído foram sinais de entrada da posição do eixo motor e variaram de 0o a 170o e os

sinais de saída obtidos foram as posições do acelerômetro, que variaram de 20o a 70o. Foram

obtidas aproximadamente 12 mil amostras a uma taxa de amostragem de 50ms. O sinal de saída

do sistema plotado ao final do ensaio é mostrado na figura 65.

73

Figura 65: Ruído Branco Uniforme Aplicado no Ensaio.

Fonte: Desenvolvido pelos autores em Software Matlab.

4.4.2 Obtenção do Modelo do Sistema

A obtenção do modelo do sistema foi feita a via System Identification Toolbox em

Matlab. Esta ferramenta possibilita a criação de modelo de sistemas dinâmicos lineares e não

lineares a partir de valores medidos para dados de entrada e saída.

Os modelos de blocos interconectados são uma das diversas formas de se representar

sistemas não lineares. Estes modelos são compostos de uma parte dinâmica linear e uma parte

estática não linear (PAULA, 2016). Por se tratar de um sistema com diversas não-linearidades,

adotou-se o modelo de Hammerstein-Wiener, que combina os efeitos de não-linearidades na

saída e entrada do sistema. Os modelos são mostrados na figura 66.

Figura 66: (a) Modelo de Hammerstein e (b) Modelo de Wiener

Fonte: (SANTOS et al., 2010)

Conforme apresentado na referência SANTOS et al. (2010) os sinais u(k) e y(k)

representam a entrada e saída dos sistemas, v(k) representa o sinal intermediário, f l(.) é o bloco

estático não linear com grau de não linearidade l e G(k) é o modelo dinâmico. No modelo de

Wiener, a não linearidade está na saída do sistema, enquanto no modelo de Hammerstein a

74

não linearidade apresenta-se na entrada. O modelo Hammerstein-Wiener, combinação dos dois

modelos apresentados anteriormente, é mostrado na figura 67:

Figura 67: Modelo de Hammerstein-Wiener.

Fonte: Adaptado de System Identification Matlab Toolbox.

O modelo obtido a partir dos dados do ensaio com entrada em ruído branco tem sua

parcela linear representada pela função de transferência discreta (18):

Y (z)U(z)

=−0,4552z−5 + z−6−0,5448z−7

1−3,762z−1 +5,321z−2−3,354z−3 +0,7954z−4 (18)

Os breakpoints de não-linearidades do tipo "piecewise linear" da entrada e saída deste

modelo são apresentadas na tabela 3 e na figura 68:

Tabela 3: Não-linearidades da entrada, θ2, e saída, θ4, do modeloEntrada (θ2) Saída (θ4)

-8,4405 -3,1425 -211,0378 85,7205

8,9948 -2,2580 -174,2322 75,7557

26,9894 -0,5776 -133,9342 66,9654

28,5202 -0,5156 -117,7435 65,8998

51,6732 0,5704 -117,4760 66,2676

53,7403 0,6318 -43,0632 52,9868

74,5369 1,4704 34,2479 32,2745

102,3437 2,1305 77,5249 23,4959

117,8645 2,1324 79,1823 23,2123

131,5593 1,9288 96,8432 20,3111

146,2269 1,3258 141,0442 28,5016

148,0118 1,3564 194,5835 -2,1221

231,4582 -24,7460

268,3329 -26,6504

305,2076 -19,3996

342,0822 -43,3451

378,9569 -50,3374

75

Figura 68: Não-linearidades da entrada e saída do modelo.


A partir desta modelagem obteve-se um fitness de 87,49% com os dados do sistema

real obtidos em ensaio.

4.4.3 Obtenção da MSE do modelo

Após a modelagem do sistema, um novo ensaio foi feito e foram obtidas 1000 amostras

da entrada e saída do sistema real, o que possibilitou um comparativo entre o sistema real e o

modelo. O valor obtido para o erro quadrático médio obtido foi de 2,919. O comparativo entre

as curvas obtidas pelo ensaio no protótipo e o modelo do sistema compõe a figura 69.

Figura 69: Comparativo entre modelo e protótipo real.


76

5 AQUISIÇÃO E ANÁLISE DA CURVA DE POTÊNCIA

Devido às limitações relativas ao material utilizado na construção do protótipo, ao nível

de precisão necessário para se confeccionar as peças de transmissão do sistema de azimute e ao

torque entregue pelo servo motor utilizado, o mesmo não conseguiu vencer o atrito estático e,

desta forma, a variação do azimute tornou-se irrealizável de maneira automática.

Visto que as soluções relativas a este problema, como a substituição do servo motor

JX Servo modelo PDI-6221MG por servo motor que rendesse um maior torque, fugiram ao

escopo proposto para o trabalho, optou-se por desacoplar as engrenagens cônicas permitindo

que o sistema de elevação funcionasse automaticamente e efetuando o movimento de azimute

manualmente durante a coleta de dados.

A entrada do sistema variava o eixo do motor 1o a cada 5 minutos. Após a estabilização

do sistema de elevação, o usuário, então, variava 1o o azimute do protótipo com o auxílio de

um giroscópio, em um celular fixado ao sistema, mantendo, assim, a elevação e o azimute do

protótipo atrelados.

As aquisições foram realizadas com um intervalo de 5 minutos das 7:00 às 19:00 do

dia 29 de Novembro de 2017. O dia apresentou uma temperatura máxima de 26o e mínima

de 14o, céu parcialmente nublado durante o período da manhã e nublado durante o período da

tarde, segundo o Instituto Nacional de Meteorologia - INMET (2017).

Buscando um comparativo de desempenho com o protótipo desenvolvido neste

trabalho, foi construída uma base para o módulo fixo elevada com um ângulo de 25o em relação

ao eixo horizontal, referente a latitude de Curitiba.

Foram realizadas medidas de tensão e corrente de ambos os módulos. As tensões foram

medidas pelas das portas analógicas da controladora MyRIO e as correntes foram medidas por

amperímetros, colocados em série aos módulos fotovoltaico durante todo o ensaio, como é visto

na figura 70 .

77

Figura 70: Ensaio com aquisições de corrente pelos amperímetros e tensão pela MyRIO.

Fonte: Os autores.

Ao início das aquisições, ambos os módulos fotovoltaicos foram posicionados na

direção do norte. O protótipo foi, em seguida, posicionado com um deslocamento de 72o para

o leste, visando o alcançar o alinhamento em azimute com o módulo fixo novamente às 13:00h,

visto que representa a metade do dia no Horário de Verão, conforme apresentado na curva do

protótipo real, onde o norte geográfico encontra-se em 90o no eixo das ordenadas na figura 60.

O resultado destes posicionamentos são mostrados na figura 71.

Figura 71: Posicionamento dos módulos móvel e fixo inicial (a), às 13:00h (b) e ao final do dia (c).

Fonte: Os autores.

78

As curvas obtidas para a potência dos módulos fixo e móvel são mostradas na figura

72:

Figura 72: Aquisições de potência dos módulos fixo e móvel ao longo do dia.

Fonte: Os autores.

Durante o período da manhã, conforme esperado por conta do céu com poucas nuvens,

os módulos apresentaram uma potência crescente. Já durante o período da tarde, com céu

encoberto por nuvens, houve grande variação na potência entregue pelos módulos fotovoltaicos.

Conforme os aspectos construtivos do vetor de entrada do posicionador de módulo

fotovoltaico, apresentados na figura 60, a curva de operação do protótipo teve a maior potência

registrada por volta dàs 14:30h, horário cujo protótipo tem sua máxima elevação.

5.0.1 Análise das Aquisições

Para fins comparativos, foi realizada uma análise entre a potência e energia gerada

pelos módulos móvel e fixo. No comparativo entre todos os pontos de aquisição, obteve-se uma

média de ganho em potência de 48,64%.

A energia transferida durante o ensaio foi obtida pelo cálculo das áreas das curvas

apresentadas na figura 72, em W, divididas pelo número de horas de ensaio. Obteve-se um

resultado de energia gerada de 71,6 Wh para o módulo móvel e 48,9 Wh para o módulo fixo.

Além disso, como pode ser visto na figura 72, a potência do módulo móvel manteve-se

superior a potência do módulo fixo durante todo o período de aquisição.

79

5.0.2 Análise dos Custos

Por se tratar do desenvolvimento de um protótipo em dimensões reduzidas, este projeto

foi construído com diversos materiais com custo pouco relevante ou sem custo algum. Além

destes, os materiais e equipamentos que agregaram custos ao projeto são descritos na tabela 4.

Tabela 4: Equipamentos e custos agregados ao projetoEquipamento Custo

Módulo Fotovoltaico R$ 70,00

Controlador NI MyRIO 1900 R$ 1.765,61

Servo Motor PDI-6221MG R$ 115,90

Acelerômetro MMA7361 R$ 38,00

Sistemas de Engrenagens R$ 20,00

Total R$ 2009,51

Visto que para o sistema fixo o único equipamento que agregou custo foi o módulo

fotovoltaico, de valor R$70,00, verificou-se que o sistema móvel apresentou um custo

aproximadamente 2800% superior que o sistema fixo. É importante ressaltar que optou-se

pelo uso deste controlador, pois apresenta o mesmo ambiente de programação, o LabVIEW,

que os demais controladores a serem implementados futuramente no projeto MicroER, sabendo

que o custo agregado pela MyRIO poderia ser consideravelmente reduzido pelo uso de outros

controladores encontrados no mercado com um menor valor.

Considerando-se, por exemplo, um módulo fotovoltaico de 315 W produzido pela

Canadian Solar, que possui um valor aproximado de R$1550,00 e os mesmos custos de

controlador, motor e sensor, a relação de custos entre o sistema móvel e fixo não seria tão

discrepante. Neste novo cenário também deveriam ser considerados novos custos para o projeto

da estrutura mecânica e fixação para ambos os sistemas.

Segundo o Ranking das Tarifas (ANEEL, 2017), na data de 24/06/2017, a

concessionária Copel Distribuidora apresentou uma tarifa de aproximadamente 0,44 R$/kWh,

desconsiderando os impostos, apontando que ao longo do ensaio, o sistema móvel rendeu

aproximadamente R$0,037 e o fixo R$0,026. Todos estes dados podem ser maximizados com

a implementação deste sistema à módulos fotovoltaicos de maiores potências.

80

6 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Após os estudos realizados através das pesquisas no estado da arte, obteve-se o

conhecimento da capacidade de geração de energia na cidade de Curitiba e os benefícios em

se construir o posicionador, os tipos de rastreadores solares existentes, como poderiam ser

controlados e como os sistemas mecânicos realizavam o suporte e a transmissão do movimento.

A partir destes conhecimentos, foi possível conceber e projetar o sistema que atrela

o movimento de elevação e de azimute. Para o primeiro protótipo, o sistema de elevação foi

pensado como um mecanismo manivela-biela simples, como na figura 37, com o objetivo de

se beneficiar da transformação do movimento rotacional em um movimento de ida e volta, se

assemelhando com a trajetória do Sol em relação à elevação. Após esta construção, verificou-

se que não era possível tal comparação, visto que o ponto que une a biela e a extremidade do

módulo fotovoltaico, ponto B da figura 36, não descreveu uma trajetória unidirecional, mas

sim angular. O mecanismo de 4 barras mostrou-se, então, como sistema um mecânico que

descrevia com fidelidade a trajetória da extremidade do módulo fotovoltaico, e tornou possível

o dimensionamento do sistema de elevação para o segundo protótipo.

Ambos protótipos foram construídos em sua maioria utilizando madeira devido à

disponibilidade e o acesso à modelaria da UTFPR. Dentre as diversas limitações construtivas

encontradas durante o desenvolvimento do trabalho, a principal culminou na dificuldade em

vencer o atrito estático do sistema de transmissão, devido à falta de torque do servo motor

utilizado. Por conta do alto custo agregado ao projeto pela compra de um servo motor com

maior torque, optou-se por manter os dois graus de liberdade através da intervenção do usuário

no ângulo de azimute, mantendo, dessa forma, o modo de funcionamento proposto inicialmente

através do atrelamento entre os movimentos de elevação, realizado de forma automática, e do

usuário.

No fechamento da malha de controle, possibilitado pelo uso da controladora MyRIO,

do sensor MMA7361 e do software de desenvolvimento, LabVIEW, a resposta obtida com

controlador PID discreto foi satisfatória, visto que o mecanismo construído neste trabalho

81

não requer uma resposta rápida, mas sim uma precisão nos ângulos de resposta em regime

estacionário, fatores que são observados na figura 61.

Por fim, atestou-se a validade do mecanismo desenvolvido através de sua comparação

com um módulo fotovoltaico em estrutura fixa. Esta comparação rendeu como resultado que o

sistema móvel possibilitou uma transferência de energia aproximadamente 46,43% maior que

o sistema fixo, para as condições climáticas apresentadas no dia de realização do ensaio. Dessa

forma, a solução tomada por conta das limitações construtivas descritas não foram suficientes

para gerar grandes impactos no rendimento do sistema construído. O comparativo de custos

entre os dois sistemas mostrou que a estrutura para o módulo móvel teve um custo agregado

aproximadamente 2800% superior ao móvel. Esta diferença pode ser explicada pela utilização

de um controlador de alto valor agregado, a MyRIO, devido à inserção deste trabalho ao projeto

MicroER e poderia ser diminuída com a utilização de controladores mais baratos encontrados

no mercado ou também com a aplicação do sistema em módulos fotovoltaicos de maiores

potências.

Pode-se concluir, portanto, que apesar das limitações construtivas descritas, o objetivo

de desenvolver um sistema de posicionamento de um módulo fotovoltaico com dois graus de

liberdade, utilizando apenas uma fonte de torque, por meio de um mecanismo controlado a

partir de coordenadas, elevação e azimute, previamente definidas, foi atingido.

6.1 TRABALHOS FUTUROS

Os seguintes trabalhos futuros são propostos:

• No controle do mecanismo:

Obtenção dos parâmetros PID a partir de outros métodos de sintonia, como Cohen-

Coon, algoritmo Fuzzy, Algoritmo Genético, entre outros, e estudo comparativo destes

resultados;

Comparativo entre o controlador PID e outros métodos de controle, realizando análise

do desempenho do sistema para cada controlador utilizado.

• Na geração fotovoltaica:

Análise detalhada da curva de carga do módulo fotovoltaico, visando obter o ponto

que maximize sua potência (MPPT);

Análise da geração de energia durante um ano, verificando o efeito das mudanças de

estação no desempenho do rastreador.

82

• Na estrutura mecânica:

Análise do torque da estrutura, visando solucionar os problemas relacionados à

transmissão dos movimentos para a variação do azimute.

Visto que este trabalho desenvolveu um protótipo em dimensões reduzidas que será

reproduzido em maiores escalas, outro avanço está na aplicação do mecanismo posicionador

para módulos de maior potência elétrica, aplicando um servo motor que renda um maior torque

e partes móveis mais robustas.

83

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Document Number: MMA7361LCRev 1, 08/2011

Freescale SemiconductorData Sheet: Technical Data

© Freescale Semiconductor, Inc., 2010, 2011. All rights reserved.

±1.5g, ±6g Three Axis Low-g Micromachined Accelerometer

The MMA7361LC is a low power, low profile capacitive micromachined accelerometer featuring signal conditioning, a 1-pole low pass filter, temperature compensation, self test, 0g-Detect which detects linear freefall, and g-Select which allows for the selection between two sensitivities. Zero-g offset and sensitivity are factory set and require no external devices. The MMA7361LC includes a Sleep Mode that makes it ideal for handheld battery powered electronics.

Features• 3mm x 5mm x 1.0mm LGA-14 Package• Low Current Consumption: 400 μA• Sleep Mode: 3 μA• Low Voltage Operation: 2.2 V – 3.6 V• High Sensitivity (800 mV/g @ 1.5g)• Selectable Sensitivity (±1.5g, ±6g)• Fast Turn On Time (0.5 ms Enable Response Time)• Self Test for Freefall Detect Diagnosis• 0g-Detect for Freefall Protection• Signal Conditioning with Low Pass Filter• Robust Design, High Shocks Survivability• RoHS Compliant• Environmentally Preferred Product• Low Cost

Typical Applications• 3D Gaming: Tilt and Motion Sensing, Event Recorder• HDD MP3 Player: Freefall Detection• Laptop PC: Freefall Detection, Anti-Theft• Cell Phone: Image Stability, Text Scroll, Motion Dialing, eCompass• Pedometer: Motion Sensing• PDA: Text Scroll• Navigation and Dead Reckoning: eCompass Tilt Compensation• Robotics: Motion Sensing

ORDERING INFORMATION

Part Number Temperature Range

Package Drawing Package Shipping

MMA7361LCT –40 to +85°C 1977-01 LGA-14 Tray

MMA7361LCR1 –40 to +85°C 1977-01 LGA-14 7” Tape & Reel

MMA7361LCR2 –40 to +85°C 1977-01 LGA-14 13” Tape & Reel

MMA7361LC

MMA7361LC: XYZ AXISACCELEROMETER

±1.5g, ±6g

14 LEADLGA

CASE 1977-01

Bottom View

Figure 1. Pin Connections

Top View

12

34

56

7

89

1011

1213

14

N/C

XOUT

ZOUT

YOUT

VSS

VDD

Sleep

N/C

0g-Detect

g-Select

Self Test

N/C

N/C

N/C

87

ANEXO A: DATASHEET DO ACELERÔMETRO MMA7361

Sensors2 Freescale Semiconductor

MMA7361LC

Figure 2. Simplified Accelerometer Functional Block Diagram

ELECTRO STATIC DISCHARGE (ESD)

WARNING: This device is sensitive to electrostatic discharge.

Although the Freescale accelerometer contains internal 2000 V ESD protection circuitry, extra precaution must be taken by the user to protect the chip from ESD. A charge of over 2000 volts can accumulate on the human body or associated test equipment. A charge of this magnitude can

alter the performance or cause failure of the chip. When handling the accelerometer, proper ESD precautions should be followed to avoid exposing the device to discharges which may be detrimental to its performance.

Table 1. Maximum Ratings(Maximum ratings are the limits to which the device can be exposed without causing permanent damage.)

Rating Symbol Value Unit

Maximum Acceleration (all axis) gmax ±5000 g

Supply Voltage VDD –0.3 to +3.6 V

Drop Test(1)

1. Dropped onto concrete surface from any axis.

Ddrop 1.8 m

Storage Temperature Range Tstg –40 to +125 °C

Sleep

Self Test

C to VCONVERTER

XOUT

YOUT

ZOUT

OSCILLATOR CLOCKGEN

g-Select

X-TEMPCOMP

G-CELLSENSOR

GAIN+

FILTER

CONTROL LOGICNVM TRIMCIRCUITS

Y-TEMPCOMP

Z-TEMPCOMP

VDD

VSS

0g-Detect

SELFTEST

Sleep

Self Test

C to VCONVERTER

XOUT

YOUT

ZOUT

OSCILLATOR CLOCKGEN

g-Select

X-TEMPCOMP

G-CELLSENSOR

GAIN+

FILTER

CONTROL LOGICNVM TRIMCIRCUITS

Y-TEMPCOMP

Z-TEMPCOMP

VDD

VSS

0g-Detect

SELFTEST

SensorsFreescale Semiconductor 3

MMA7361LC

Table 2. Operating Characteristics Unless otherwise noted: -40°C < TA < 85°C, 2.2 V < VDD < 3.6 V, Acceleration = 0g, Loaded output(1)

Characteristic Symbol Min Typ Max UnitOperating Range(2)

Supply Voltage(3)

Supply Current(4)

Supply Current at Sleep Mode(4)

Operating Temperature RangeAcceleration Range, X-Axis, Y-Axis, Z-Axis

g-Select: 0g-Select: 1

VDDIDDIDDTA

gFSgFS

2.2——-40

——

3.3400

3—

±1.5±6.0

3.660010

+85

——

VμAμA°C

gg

Output SignalZero-g (TA = 25°C, VDD = 3.3 V)(5), (6)

XYZ(7)

Zero-g(4)

Sensitivity (TA = 25°C, VDD = 3.3 V)1.5g6g

Sensitivity(4)

Bandwidth ResponseXYZ

Output Impedance0g-Detect

VOFF

VOFF, TA

S1.5gS6gS,TA

f-3dBXYf-3dBZ

ZO0gdetect

1.4851.32-2.0

740190.6

-0.0075

———

-0.4

1.651.65±0.5

800206

±0.002

400300320

1.8151.815+2.0

860221.5

+0.0075

———

+0.4

Vv

mg/°C

mV/gmV/g%/°C

HzHzkΩg

Self TestOutput Response

XOUT, YOUTZOUT

Input LowInput High

ΔgSTXYΔgSTZ

VILVIH

+0.05+0.8VSS

0.7 VDD

-0.1+1.0——

—+1.2

0.3 VDDVDD

ggVV

NoisePower Spectral Density RMS (0.1 Hz – 1 kHz)(4) nPSD — 350 — μg/

Control TimingPower-Up Response Time(8)

Enable Response Time(9)

Self Test Response Time(10)

Sensing Element Resonant FrequencyXYZ

Internal Sampling Frequency

tRESPONSEtENABLE

tST

fGCELLXYfGCELLZ

fCLK

———

———

1.00.52.0

6.03.411

2.02.05.0

———

msmsms

kHzkHzkHz

Output Stage PerformanceFull-Scale Output Range (IOUT = 3 µA) VFSO VSS+0.1 — VDD–0.1 V

Nonlinearity, XOUT, YOUT, ZOUT NLOUT -1.0 — +1.0 %FSO

Cross-Axis Sensitivity(11) VXY, XZ, YZ -5.0 — +5.0 %

1. For a loaded output, the measurements are observed after an RC filter consisting of an internal 32 kΩ resistor and an external 3.3 nF capacitor (recommended as a minimum to filter clock noise) on the analog output for each axis and a 0.1μF capacitor on VDD - GND. The output sensor bandwidth is determined by the Capacitor added on the output. f = 1/2π * (32 x 103) * C. C = 3.3 nF corresponds to BW = 1507 HZ, which is the minimum to filter out internal clock noise.

2. These limits define the range of operation for which the part will meet specification.3. Within the supply range of 2.2 and 3.6 V, the device operates as a fully calibrated linear accelerometer. Beyond these supply limits the device

may operate as a linear device but is not guaranteed to be in calibration.4. This value is measured with g-Select in 1.5g mode.5. The device can measure both + and – acceleration. With no input acceleration the output is at midsupply. For positive acceleration the output

will increase above VDD/2. For negative acceleration, the output will decrease below VDD/2.6. For optimal 0g offset performance, adhere to AN3484 and AN34477.Product performance will not exceed this minimum level, however measurement over time will not be equal to time zero measurements for this

specific parameter.8. The response time between 10% of full scale VDD input voltage and 90% of the final operating output voltage.9. The response time between 10% of full scale Sleep Mode input voltage and 90% of the final operating output voltage.10. The response time between 10% of the full scale self test input voltage and 90% of the self test output voltage.11. A measure of the device’s ability to reject an acceleration applied 90° from the true axis of sensitivity.

Hz


MMA7361LC

PRINCIPLE OF OPERATION

The Freescale accelerometer is a surface-micromachined integrated-circuit accelerometer.

The device consists of a surface micromachined capacitive sensing cell (g-cell) and a signal conditioning ASIC contained in a single package. The sensing element is sealed hermetically at the wafer level using a bulk micromachined cap wafer.

The g-cell is a mechanical structure formed from semiconductor materials (polysilicon) using semiconductor processes (masking and etching). It can be modeled as a set of beams attached to a movable central mass that move between fixed beams. The movable beams can be deflected from their rest position by subjecting the system to an acceleration (Figure 3).

As the beams attached to the central mass move, the distance from them to the fixed beams on one side will increase by the same amount that the distance to the fixed beams on the other side decreases. The change in distance is a measure of acceleration.

The g-cell beams form two back-to-back capacitors (Figure 3). As the center beam moves with acceleration, the distance between the beams changes and each capacitor's value will change, (C = Aε/D). Where A is the area of the beam, ε is the dielectric constant, and D is the distance between the beams.

The ASIC uses switched capacitor techniques to measure the g-cell capacitors and extract the acceleration data from the difference between the two capacitors. The ASIC also signal conditions and filters (switched capacitor) the signal, providing a high level output voltage that is ratiometric and proportional to acceleration.

Figure 3. Simplified Transducer Physical Model

SPECIAL FEATURES

0g-DetectThe sensor offers a 0g-Detect feature that provides a logic

high signal when all three axes are at 0g. This feature enables the application of Linear Freefall protection if the signal is connected to an interrupt pin or a poled I/O pin on a microcontroller.

Self TestThe sensor provides a self test feature that allows the

verification of the mechanical and electrical integrity of the accelerometer at any time before or after installation. This feature is critical in applications such as hard disk drive

protection where system integrity must be ensured over the life of the product. Customers can use self test to verify the solderability to confirm that the part was mounted to the PCB correctly. To use this feature to verify the 0g-Detect function, the accelerometer should be held upside down so that the Z-axis experiences -1g. When the self test function is initiated, an electrostatic force is applied to each axis to cause it to deflect. The X- and Y-axis are deflected slightly while the Z-axis is trimmed to deflect 1g. This procedure assures that both the mechanical (g-cell) and electronic sections of the accelerometer are functioning.

g-SelectThe g-Select feature allows for the selection between two

sensitivities. Depending on the logic input placed on pin 10, the device internal gain will be changed allowing it to function with a 1.5g or 6g sensitivity (Table 3). This feature is ideal when a product has applications requiring two different sensitivities for optimum performance. The sensitivity can be changed at anytime during the operation of the product. The g-Select pin can be left unconnected for applications requiring only a 1.5g sensitivity as the device has an internal pull-down to keep it at that sensitivity (800 mV/g).

Sleep ModeThe 3 axis accelerometer provides a Sleep Mode that is

ideal for battery operated products. When Sleep Mode is active, the device outputs are turned off, providing significant reduction of operating current. A low input signal on pin 7 (Sleep Mode) will place the device in this mode and reduce the current to 3 μA typ. For lower power consumption, it is recommended to set g-Select to 1.5g mode. By placing a high input signal on pin 7, the device will resume to normal mode of operation.

FilteringThe 3 axis accelerometer contains an onboard single-pole

switched capacitor filter. Because the filter is realized using switched capacitor techniques, there is no requirement for external passive components (resistors and capacitors) to set the cut-off frequency.

RatiometricityRatiometricity simply means the output offset voltage and

sensitivity will scale linearly with applied supply voltage. That is, as supply voltage is increased, the sensitivity and offset increase linearly; as supply voltage decreases, offset and sensitivity decrease linearly. This is a key feature when interfacing to a microcontroller or an A/D converter because it provides system level cancellation of supply induced errors in the analog to digital conversion process.

Acceleration

Table 3. g-Select Pin Description

g-Select g-Range Sensitivity

0 1.5g 800 mV/g

1 6g 206 mV/g


MMA7361LC

BASIC CONNECTIONS

Pin Descriptions

Figure 4. Pinout Description

Figure 5. Accelerometer with RecommendedConnection Diagram

PCB Layout

Figure 6. Recommended PCB Layout for Interfacing Accelerometer to Microcontroller

NOTES:1. Use 0.1 µF capacitor on VDD to decouple the power

source.

2. Physical coupling distance of the accelerometer to the microcontroller should be minimal.

3. Place a ground plane beneath the accelerometer to reduce noise, the ground plane should be attached to all of the open ended terminals shown in Figure 6.

4. Use a 3.3 nF capacitor on the outputs of the accelerometer to minimize clock noise (from the switched capacitor filter circuit).

5. PCB layout of power and ground should not couple power supply noise.

6. Accelerometer and microcontroller should not be a high current path.

7. A/D sampling rate and any external power supply switching frequency should be selected such that they do not interfere with the internal accelerometer sampling frequency (11 kHz for the sampling frequency). This will prevent aliasing errors.

8. 10 MΩ or higher is recommended on XOUT, YOUT and ZOUT to prevent loss due to the voltage divider relationship between the internal 32 kΩ resistor and the measurement input impedance.

Table 4. Pin Descriptions

Pin No. Pin Name Description

1 N/C No internal connectionLeave unconnected

2 XOUT X direction output voltage

3 YOUT Y direction output voltage

4 ZOUT Z direction output voltage

5 VSS Power Supply Ground

6 VDD Power Supply Input

7 Sleep Logic input pin to enable product or Sleep Mode

8 NC No internal connectionLeave unconnected

9 0g-Detect Linear Freefall digital logic output signal

10 g-Select Logic input pin to select g level

11 N/C Unused for factory trimLeave unconnected


13 Self Test Input pin to initiate Self Test


12

34

56

7

89

1011

1213

14

N/C

XOUT

ZOUT

YOUT

VSS

VDD

Sleep

N/C

0g-Detect

g-Select

Self Test

N/C

N/C

N/C

Top View

2

3

3.3 nF

3.3 nF

13

6

5

7LogicInput

0.1 μF

VDD

VDD

VSS

GND

Sleep

XOUT

YOUT

MMA7361LC

10LogicInput

g-Select

LogicInput

4

3.3 nF

ZOUT

0g-Delect9

POWER SUPPLY

VDD

VSS

Sleepg-Select

0g-Detect

XOUT

YOUT

ZOUT

Acce

lerom

eter

VDD

VSS

VRH

P0P1P2

A/DIN

A/DIN

A/DIN

C C C

C

C

C

Micr

ocon

trolle

r

C C

Self Test P3


MMA7361LC

Side View

XOUT @ 0g = 1.65 V

YOUT @ +1g = 2.45 V

ZOUT @ 0g = 1.65 V

XOUT @ +1g = 2.45 V

YOUT @ 0g = 1.65 V

ZOUT @ 0g = 1.65 V

XOUT @ -1g = 0.85 V

YOUT @ 0g = 1.65 V

ZOUT @ 0g = 1.65 V

XOUT @ 0g = 1.65 V

YOUT @ -1g = 0.85 V

ZOUT @ 0g = 1.65 V

Direction of Earth's gravity field.*Top View

XOUT @ 0g = 1.65 V

YOUT @ 0g = 1.65 V

ZOUT @ -1g =0.85 V

XOUT @ 0g = 1.65 V

YOUT @ 0g = 1.65 V

ZOUT @ +1g = 2.45 V

Top

Top

Bottom

Bottom

123456

7

8 9 10 11 12 13

14

12

34

56

7

89

1011

1213

14

13 12 11 10 9 8

1 2 3 4 5 6

14 7

12

34

56

7

89

1011

1213

14

Top View

Side View+Y

-Y

+X +Z-X -ZTop

Bot

tom

: Arrow indicates direction of package movement.14-Pin LGA Package

123456

7

8 9 10 11 12 13

14

DYNAMIC ACCELERATION

STATIC ACCELERATION

* When positioned as shown, the Earth’s gravity will result in a positive 1g output.


MMA7361LC

Figure 7. MMA7361LC Temperature Coefficient of Offset (TCO) and Temperature Coefficient of Sensitivity (TCS) Distribution Charts

LSL USLTarget

-2 -1 0 1 2

X-TCO mg/degC

LSL USLTarget

-2 -1 0 1 2

Y-TCO mg/degC

LSL USLTarget

-2 -1 0 1 2

Z-TCO mg/degC

LSL USLTarget

-0.01 -0.005 0 .005 .01

X-TCS %/degC

LSL USLTarget

-0.01 -0.005 0 .005 .01

Y-TCS %/degC

LSL USLTarget

-0.01 -0.005 0 .005 .01

Z-TCS %/degC


MMA7361LC

MINIMUM RECOMMENDED FOOTPRINT FOR SURFACE MOUNTED APPLICATIONS

PCB Mounting RecommendationsMEMS based sensors are sensitive to Printed Circuit

Board (PCB) reflow processes. For optimal zero-g offset after PCB mounting, care must be taken to PCB layout and reflow conditions. Reference application note AN3484 for best practices to minimize the zero-g offset shift after PCB mounting.

Surface mount board layout is a critical portion of the total design. The footprint for the surface mount packages must be the correct size to ensure proper solder connection interface between the board and the package.

With the correct footprint, the packages will self-align when subjected to a solder reflow process. It is always recommended to design boards with a solder mask layer to avoid bridging and shorting between solder pads. 6x2

12x1

14x0.9

14x0.6

10x0.8

1 13

68


MMA7361LC

PACKAGE DIMENSIONS

CASE 1977-01ISSUE A

14-LEAD LGA

MMA7361LCRev. 108/2011

RoHS-compliant and/or Pb-free versions of Freescale products have the functionality and electrical characteristics of their non-RoHS-compliant and/or non-Pb-free counterparts. For furtherinformation, see http:/www.freescale.com or contact your Freescale sales representative.

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Europe, Middle East, and Africa:Freescale Halbleiter Deutschland GmbHTechnical Information CenterSchatzbogen 781829 Muenchen, Germany+44 1296 380 456 (English)+46 8 52200080 (English)+49 89 92103 559 (German)+33 1 69 35 48 48 (French)www.freescale.com/support

Japan:Freescale Semiconductor Japan Ltd.HeadquartersARCO Tower 15F1-8-1, Shimo-Meguro, Meguro-ku,Tokyo 153-0064Japan0120 191014 or +81 3 5437 [email protected]

Asia/Pacific:Freescale Semiconductor China Ltd.Exchange Building 23FNo. 118 Jianguo RoadChaoyang DistrictBeijing 100022 China +86 10 5879 [email protected]

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Freescale and the Freescale logo are trademarks of Freescale Semiconductor, Inc., Reg. U.S. Pat. & Tm. Off. Xtrinsic is a trademark of Freescale Semiconductor, Inc.All other product or service names are the property of their respective owners.© Freescale Semiconductor, Inc. 2011. All rights reserved.

1

Table of ContentsDimensionamento Sistema de Elevação - Mecanismo de 4 Barras ................................................ 1Obtenção da Reta Real por MMQ .......................................................................................... 2Reta Real com a Média das Aquisições .................................................................................. 3Cálculo MSE ...................................................................................................................... 3

Dimensionamento Sistema de Elevação -Mecanismo de 4 Barras

close allclear allclc

%Entrada dos parâmetros do Sistema de 4 Barrasa = 68;%Entre com o valor da manivela [mm]b = 388;%Entre com o valor da biela [mm]c = 152;%Entre com a valor da metade do comprimento do módulo "P" [mm]d = 225;%Entre com o valor da altura do rastreador [mm]

o2_g = 100:270; %Variação do ângulo da manivela.%Referência: Eixo da altura do protótipo crescente no sentido-horário.

o2 = o2_g*pi/180; %o2 em radianos

%Calculo da Posição%ConstantesK1 = d/a;K2 = d/c;K3 = (d^2 + a^2 - b^2 + c^2)/(2*a*c);K4 = d/b;K5 = (c^2 + d^2 - a^2 + b^2)/(2*a*b);

for i = 1:length(o2)

A(i) = cos(o2(i)) - K1 - K2*cos(o2(i)) + K3; B(i) = -2*sin(o2(i)); C(i) = K1 - (K2 + 1)*cos(o2(i)) + K3;

o4_rad(i) = 2*atan((-B(i) - (sqrt(B(i)^2 - 4*A(i)*C(i))))/(2*A(i)));

end

o4 =(o4_rad*180/pi); %o4 em graus

%Carrega parâmetros de elevação e azimute obtidos através do algoritmo%Solar Position Algorithm

98

APÊNDICE A: DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE ELEVAÇÃO

2

load azimute_verao;load azimute_inverno;load elevacao_verao;load elevacao_inverno;load elevacao_medio;load azimute_medio;

%Padronização dos ângulos tomando medidas do acelerômetro como referênciao4l = 90-o4;elevacao_verao = 90 - elevacao_verao;elevacao_inverno = 90 - elevacao_inverno;elevacao_medio = 90 - elevacao_medio;

%Desloca o azimute das curvas de entrada para azimute médio começar em 0azimute_verao = 90.445 + azimute_verao;azimute_inverno = 90.445 + azimute_inverno;azimute_medio = 90.445 + azimute_medio;

o2_aux = -5:165; %Ajuste fino do azimute em%relação à curva média

%Gráficos

% plot(o2_aux,o4l,'g')% hold on;% plot(azimute_verao,elevacao_verao,'r')% plot(azimute_inverno,elevacao_inverno,'b')% plot(azimute_medio,elevacao_medio,'k','LineWidth',1)% title('Relação entre elevação e azimute')% xlabel('Ângulo de Azimute (\Theta_2)')% ylabel('Ângulo de Elevação (\Theta_4)')% legend('Simulação protótipo','Solstício verão','Solstício inverno','Média')% axis([-100,260,0,120]);

Obtenção da Reta Real por MMQdata = xlsread('O2 e O4 Real.xlsx','A1:FN6');[linhas colunas] = size(data);

Xaux1 = data(1,1:colunas);

Yaux = [];

for i = 1:colunas

Yold = [data(2:linhas,i)]; Yaux = [Yaux; Yold];

end

3

for i = 2:colunas

Xaux(((i-1)*(linhas-1)):(i*(linhas-1)),1) = Xaux1(1,i);

end

for i = 1:(linhas-1)

Xaux(i,1) = Xaux1(1,1);

end

X =Xaux(1:(length(Xaux)));

% Equação de Segundo grauX = [Xaux.^3 Xaux.^2 Xaux Xaux.^0];

Theta = inv(X'*X)*X'*Yaux;

Y_mmq = X*Theta;

%plot((Xaux-5), Y_mmq,'r','LineWidth',1.5);

%fprintf('Os coeficientes do polinomio são:\n\n a = %.3d\n b = %.3d\n c =%.3d\n\n e d =%.3d\n\n ',Theta(1),Theta(2),Theta(3),Theta(4))

Reta Real com a Média das Aquisiçõesmedia = xlsread('O2 e O4 Real.xlsx','A12:B181');

Xmed = media(1:170,1);Ymed = media(1:170,2);

%plot((Xmed-5),Ymed,'k.')%legend('Protótipo','Posição verão','Posição inverno','Média','Regressão Linear por MMQ','Média dos Dados Reais')

Cálculo MSEdata_mse = xlsread('O2 e O4 Real - MSE.xlsx');

[linhas_mse colunas_mse] = size(data_mse);X_real = data_mse(1:linhas_mse,1);Y_real = data_mse(1:linhas_mse,2);

for i = 1:linhas_mse

Y_mse(i,1) = Theta(1)*X_real(i)^3 + Theta(2)*X_real(i)^2 + Theta(3)*X_real(i)^1 + Theta(4)*X_real(i)^0;

ende = Y_real - Y_mse;

4

MSE = sum(e.^2)/length(Y_mse);Max = max(abs(e));%fprintf('O erro quadrático é:\n\n MSE = %.4d\n',MSE)%fprintf('\n Erro Máximo = %.4d\n',Max)

Published with MATLAB® R2015a

Connector Pane

Producer/Consumer Design Pattern (Data)

VI principal do ensaio em malha aberta para a implementação do Posicionador de Painel Fotovoltaico Automático. Programadores: Ana Flávia dos Reis e Gabriel Bórmio Rocha. Novembro/2017.

Front Panel

0

Largura de pulso PWM (us)

0

Duty Cycle

200

Frequência (Hz)

status

0

code

source

error out

/

Log File Path

TCC Posicionador de Painel Fotovoltaico Automático

GravaSTOP

0

Iteração

0

Iteração externa

0

Posição Acelerometro

0,00

Set Point Motor

Malha aberta

102

APÊNDICE B: CÓDIGO DESENVOLVIDO EM LABVIEW PARA O ENSAIO

EM MALHA ABERTA

Block Diagram

0

Inicialização

Inicialização sem erros.

50 Largura de pulso PWM (us)

Duty Cycle

Frequência (Hz)

100

Iteração


Set Point MotorSubVI de ação do servo motor.

SubVI de leitura da posição do acelerômetro.

Taxa de Amostragem em ms.

Número de amostras gravadas para cada setpoint do servo motor.

Iteração externa

Grava

10

10

Entrada do vetor de posição do servo motor.

Sinais de setpoint são enviados um a um a cada "Iteração externa".

SubVI de gravação do arquivo.

Quantidade de setpoints do servo motor.

Aquisição e Processamento de Dados

Data.xlsx

Log File Path

00

Nome, formato e pasta de gravação do arquivo.

Reset myRIO.vi

error out

Finalização

Finalização com indicação dos erros e reset da MyRIO.

Connector Pane

error outPosição Acelerômetro

Accelerometer.vi

Sub VI do acelerômetro para o ensaio em malha aberta e fechada para a implementação do Posicionador de Painel Fotovoltaico Automático. Programadores: Ana Flávia dos Reis e Gabriel Bórmio Rocha. Novembro/2017.

Front Panel

0

Posição Acelerômetro

status

0

code

source

error out

Acelerômetro

Block Diagram

92,5739

-141,3594

Valores calculados no MMQ desenvolvido em Matlab


0

error out

100

.

Utilização de um filtro de mediana com janela deslizante para cada 20 amostras.

defaut 20

Connector Pane

GravaSaída Shift Register

Entrada Shift RegisterLocal do Arquivo

Posição Acelerômetro Entrada

Grava Sinal_malhaaberta.vi

Front Panel

Grava

00

Saída Shift Register

00

Entrada Shift Register

status

0

code

source

error in (no error)

/

Local do Arquivo

Grava Sinal

0

Entrada

0


Block Diagram

SignalsFlush? (T)

Write To Measurement

File

Grava

00

True



error in (no error)

Local do Arquivo

Entrada


Gravação dos sinais em uma array. VI de gravação dos sinais.

False

SignalsFlush? (T)


File

Grava

00

True

Connector Pane

Largura de Pulso PWMDuty Cycleerror out

Frequência (Hz) Setpoint Motor

Servomotor Action.vi

Sub VI do servo motor para o ensaio em malha aberta e fechada para a implementação do Posicionador de Painel Fotovoltaico Automático. Programadores: Ana Flávia dos Reis e Gabriel Bórmio Rocha. Novembro/2017.

Front Panel

0

Largura de Pulso PWM

0

Duty Cycle

0

Frequência (Hz)

0

Setpoint Motor

Servomotor

status

0

code

source

error out

Block Diagram

425

1

1000000

38

Transformar o valor da posição em sinal PWM .


Duty Cycle

Frequência (Hz)

Setpoint Motor

0 error out

170

Normalização devido ao sentido de rotação do servo motor.

Connector Pane

Producer/Consumer Design Pattern (Data)

VI principal do ensaio em malha fechada para a implementação do Posicionador de Painel Fotovoltaico Automático. Programadores: Ana Flávia dos Reis e Gabriel Bórmio Rocha. Novembro/2017.

Front Panel

0,00

Set Point Motor

2435,29


0,487059

Duty Cycle

200

Frequência (Hz)

65,84

o4 normatizado1

o2 acelerômetro

0

Index o4 e o2

status

0

code

source

error out

/home/lvuser/natinst/LabVIEW Data/Data.xlsx

STOP12509

Iteração

0

Iteração externa

1

Output PID

67,4743


0,140proportional gain (Kc)

0,001integral time (Ti, min)

0,000derivative time (Td, min)89

Offset

80

Set Point Manual

0

Entrada Móvel

0

Tensão Móvel

0

Tensão Fixo

0

Entrada Fixo

Grava

Controle Posicionador de Painel Fotovoltaico Automático

0

Erro

109

APÊNDICE C: CÓDIGO DESENVOLVIDO EM LABVIEW PARA O ENSAIO

EM MALHA FECHADA

Block Diagram

0

Inicialização

Inicialização sem erros.

5


Duty Cycle

Frequência (Hz)

o4 normatizado

o2 acelerômetro

Index o4 e o2

12000

Iteração

Output PID


Set Point Motor

SubVI de leitura da posição do acelerômetro.

Taxa de Amostragem em ms.

SubVI de ação do servo motor.

SubVI de implementação do PID Discreto.

SubVI de conversão de theta2 e theta4

Leitura das tensões dos painéis pela MyRIO. Entrada Móvel

Tensão Móvel

Tensão Fixo

Entrada Fixo

Erro

Iteração externa

10

170

Offset

Vetor de entrada de posição do servo motor.

Sinais de setpoint são enviados um a um a cada "Iteração externa".

SubVI de gravação do arquivo.

Quantidade de setpoints do servo motor.

Set Point Manual

Grava

Aquisição e Processamento de Dados

Step.xlsx

Log File Path

00

Nome, formato e pasta de gravação do arquivo.

Reset myRIO.vi

error out

Finalização

Finalização com indicação dos erros e reset da MyRIO.

Connector Pane

Largura de Pulso PWMDuty Cycleerror out

Frequência (Hz) Setpoint Motor

Servomotor Action.vi

Sub VI do servo motor para o ensaio em malha aberta e fechada para a implementação do Posicionador de Painel Fotovoltaico Automático. Programadores: Ana Flávia dos Reis e Gabriel Bórmio Rocha. Novembro/2017.

Front Panel

0


0

Duty Cycle

0

Frequência (Hz)

0

Setpoint Motor

Servomotor

status

0

code

source

error out

Block Diagram

425

1

1000000

38

Transformar o valor da posição em sinal PWM .


Duty Cycle

Frequência (Hz)

Setpoint Motor

0 error out

170

Normalização devido ao sentido de rotação do servo motor.

Connector Pane

o2 equivalenteIndex o4 e o2o4 normatizado

Posição AcelerômetroOutput PID

O2 e O4.vi

SubVI de conversão do sinal theta 2 em theta 4 do ensaio em malha fechada para a implementação do Posicionador de Painel Fotovoltaico Automático. Programadores: Ana Flávia dos Reis e Gabriel Bórmio Rocha. Novembro/2017.

Front Panel

0

o2 equivalente

0

Index o4 e o2

0

o4 normatizado

0


0

Output PID

Cálculos O2 E O4

Block Diagram

Matriz de distâncias do elemento desejado.

Index do elemento mais próximo na sub-matriz.

0

False

107

Input o4 matlab.

Input o2 matlab.

o2 equivalente

Index o4 e o2

o4 normatizado Posição AcelerômetroOutput PID

10

65,840

Connector Pane

error outPosição Acelerômetro

Accelerometer.vi

Sub VI do acelerômetro para o ensaio em malha aberta e fechada para a implementação do Posicionador de Painel Fotovoltaico Automático. Programadores: Ana Flávia dos Reis e Gabriel Bórmio Rocha. Novembro/2017.

Front Panel

0


status

0

code

source

error out

Acelerômetro

Block Diagram

92,5739

-141,3594

Valores calculados no MMQ desenvolvido em Matlab


0

error out

100

.

Utilização de um filtro de mediana com janela deslizante para cada 20 amostras.

defaut 20

Connector Pane

Entrada móvelTensão móvelEntrada fixoTensão fixo

Divisor de Tensão.vi

Sub VI que realiza o cálculo do divisor de tensão da entrada dos sinais de tensão dos módulos fotovoltaicos, pois a MyRIO lê de 0 a 5V e a saída dos módulos é de 20V. Programadores: Ana Flávia dos Reis e Gabriel Bórmio Rocha. Novembro/2017.

Front Panel

Divisor de Tensão

0

Entrada móvel

0

Entrada fixo0

Tensão móvel

0

Tensão fixo

Block Diagram

Entrada móvel

100

25

Entrada fixo

Tensão móvel

Tensão fixo

Resistor adjacente

Resistor de interesse

Connector Pane

output PID

PID gainsO2 Acelerometro

Set Point Motor

PID discreto.vi

SubVI de implementação do PID discreto do ensaio em malha fechada para a implementação do Posicionador de Painel Fotovoltaico Automático. Programadores: Ana Flávia dos Reis e Gabriel Bórmio Rocha. Novembro/2017.

Front Panel

0

output PID

0

O2 Acelerometro

PID

0,00

Set Point Motor

1,000proportional gain (Kc)

0,010integral time (Ti, min)

0,000derivative time (Td, min)

PID gains

0,000

dt out (s)

165

45

60

80

100

120

140

Time0,0002-0,0002 -0,0001 0 0,0001

Block Diagram

output PID

O2 Acelerometro

Set Point Motor

PID gains

dt out (s)

0,001

Collector

1

107

False

108

Control & Simulation Loop

108

169

True

Connector Pane

Tensão FixoAcelerômeto

GravaSaída Shift Register

Entrada Shift RegisterLocal do Arquivo

Set Point MotorTensão Móvel

Grava Sinal.vi

SubVI de gravação do ensaio em malha fechada para a implementação do Posicionador de Painel Fotovoltaico Automático. Programadores: Ana Flávia dos Reis e Gabriel Bórmio Rocha. Novembro/2017.

Front Panel

Grava

00


00


status

0

code

source

error in (no error)

/

Local do Arquivo

Grava Sinal

0

Set Point Motor

0

Acelerômeto

0

Tensão Fixo

0

Tensão Móvel

Block Diagram

False



error in (no error)

Local do Arquivo

Set Point Motor

Acelerômeto

Tensão Fixo

Tensão Móvel

8001

SignalsFlush? (T)


File

Grava

00

True

1

Obtenção de o2 em função de o4close allclear allclc

%Coeficientes obtidos a partir do MMQ da resposta do acelerômetroa = 2.294e-05;b = -1.117e-03;c =-5.662e-01;d =6.640e+01;

x = 1:170; %vetor o2

for i = 1:length(x)

y(i) = a*x(i)^3 + b*x(i)^2 + c*x(i) + d; %vetor o4

end

%Gráfico% plot(y)% xlabel('Ângulo de Azimute (\Theta_2)')% ylabel('Ângulo de Elevação (\Theta_4)')% title('Curva relacionando \Theta_2 e \Theta_4')

Exporta os vetores o2 e o4 para o Excelimput_o2 = 'imput_o2.xlsx'; xlswrite(imput_o2,x);

imput_o4 = 'imput_o4.xlsx'; xlswrite(imput_o4,y);

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121

APÊNDICE D: CÓDIGO DE OBTENÇÃO DA FUNÇÃO INVERSA

universidade tecnolÓgica federal do paranÁ cÂmpus...

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