Desenvolvimento e implementação de um Sistema de...

2016

UNIVERSIDADE DE LISBOA

FACULDADE DE CINCIAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA GEOGRFICA, GEOFSICA E ENERGIA

Desenvolvimento e implementao de um Sistema de

Seguimento Solar Ativo para sistemas fotovoltaicos

Mestrado Integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente

Drio Djon Delgado Lopes

Dissertao orientada por:

Orientador: Prof. Doutor Miguel Centeno Brito (FCUL)

Co-Orientador: Jos Mrio da Costa P (FCUL)

i

Resumo

Esta dissertao tem como finalidade o desenvolvimento e implementao de um sistema de

seguimento solar de dois eixos, para sistemas fotovoltaicos. Um mdulo com inclinao e orientao

fixos s se aproxima da sua potncia mxima ao meio dia solar, pelo que a melhor forma de aumentar

a rea til de converso de energia a realizao do seguimento solar, em que os raios solares so

sempre normais ao plano dos mdulos, aumentando a eficincia do sistema. Para este projeto,

desenvolveu-se um sistema de controlo de seguimento solar recorrendo a sensores de luz e uma

plataforma de prototipagem eletrnica, o Arduno. O funcionamento do sistema tem por base a

comparao de sinais dos sensores, quando expostos a intensidades luminosas diferentes, para a

determinao da posio solar e da atuar em atuadores lineares responsveis pelo posicionamento

da estrutura que contm os mdulos PV, mantendo-os sempre perpendiculares aos raios solares. Aps

a montagem do sistema, no Campus Solar da FCUL, realizou-se uma campanha de recolha de dados

com durao de 22 dias, de modo a analisar o desempenho do sistema em termos de qualidade do

seguimento solar, produo e consumo de energia por parte do sistema de controlo. Para os dias de

cu limpo e os dias de cu nublado obtiveram-se resultados diferentes, cuja distino foi feita

utilizando dados de irradincia de uma estao meteorolgica instalada do mesmo local. Verificou-

se que para os dias de cu limpo o seguidor acompanha a trajetria do Sol durante todo o dia, o

resulta em ganhos de produo at 45% em relao a um sistema fixo com as mesmas caratersticas.

Para os dias de cu nublado, o seguidor procura as zonas mais claras do cu, nos instantes em que o

Sol est obstrudo. De forma geral, obteve-se um consumo de energia mdia de 1% da produo total.

Palavras-Chave: Seguidor Solar, Fotovoltaico, Arduno, Energia.

Abstract

The purpose of this thesis is the development and implementation of a two axis solar tracker system,

for photovoltaic systems. A module with fixed tilt and orientation only approaches the maximum

power at solar noon, therefore the best way to increase the useful area of energy conversion is the

realization of solar tracking, where the solar rays are always normal to the plan of the modules,

increasing the system efficiency. For this project, a solar tracking control system was created using

light sensors and an electronics prototyping platform, the Arduino. The system operation is based on

the comparison of signals from the sensors, exposed to different light intensities, to determine the

solar position and then act on linear actuators responsible for positioning the structure containing the

PV modules and keeping them always perpendicular to the sun rays. After the system installation,

was held, in order to analyze

the system performance in terms of tracking quality, energy production and consumption of the

control system. Different results were obtained for clear sky and cloudy days, whose characteristics

were obtained from the radiation data of a meteorological station installed on the same location. For

clear sky days, the tracker follows the solar trajectory throughout the day, resulting in production

gains up to 45% with respect to a fixed system with the same characteristics. For cloudy sky days,

the tracker searches for the brightest areas of the sky during the time periods when the sun is

obstructed by the clouds. In general average electric power consumption was about 1%

of the total electric production.

Keywords: Solar Tracker, Photovoltaic, Arduino, Energy.

iii

ndice

Resumo ................................................................................................................................................ i

Abstract ............................................................................................................................................... i

ndice de Figuras ................................................................................................................................. v

ndice de Tabelas ............................................................................................................................... vi

Agradecimentos ................................................................................................................................ vii

Simbologia e Notaes ...................................................................................................................... ix

1. Introduo ............................................................................................................................... 1

2. Estudo da radiao solar .......................................................................................................... 3

2.1 Radiao solar ..................................................................................................................... 3

2.1.1 Radiao extraterrestre ............................................................................................... 3

2.1.2 Efeitos atmosfricos na radiao solar ....................................................................... 3

2.1.3 Coeficiente de massa de ar ......................................................................................... 4

2.1.4 Distribuio espetral da radiao ............................................................................... 4

2.1.5 Medio da radiao solar .......................................................................................... 5

2.2 Relaes astronmicas Terra-Sol ........................................................................................ 6

2.2.1 Sistema de coordenadas locais: latitude e longitude .................................................. 6

2.2.2 Equao do tempo ...................................................................................................... 6

2.2.3 Fator de correo do tempo ........................................................................................ 7

2.2.4 Declinao solar ......................................................................................................... 7

2.2.5 ngulo horrio ........................................................................................................... 8

2.2.6 ngulo zenital ............................................................................................................ 8

2.2.7 Altitude solar .............................................................................................................. 8

2.2.8 Azimute solar ............................................................................................................. 8

2.2.9 Nascer e pr-do-sol .................................................................................................... 9

3. Energia fotovoltaica Estado da Arte ................................................................................... 11

3.1 O mercado da energia fotovoltaica .................................................................................... 11

3.2 Sistemas fotovoltaicos ....................................................................................................... 11

3.2.1 Sistemas Autnomos ................................................................................................ 11

3.2.2 Sistemas ligados rede ............................................................................................ 12

3.3 Componentes de um sistema fotovoltaico ......................................................................... 13

3.3.1 Clulas fotovoltaicas ................................................................................................ 13

3.3.2 Armazenamento ....................................................................................................... 13

3.3.3 Controladores/ Reguladores de carga ....................................................................... 13

3.3.4 Inversores DC/AC .................................................................................................... 13

3.4 Sistemas estacionrios e de seguimento ............................................................................ 14

3.4.1 Sistemas estacionrios .............................................................................................. 14

3.4.2 Sistemas de seguimento solar ................................................................................... 14

3.5 Mtodos de seguimento solar ............................................................................................ 17

iv

4. Desenvolvimento do prottipo de seguimento solar ............................................................. 19

4.1 Caracterizao do sistema ................................................................................................. 19

4.1.1 Mdulos fotovoltaicos .............................................................................................. 19

4.1.2 Atuadores lineares .................................................................................................... 19

4.1.3 Sistema de controlo robtico .................................................................................... 21

4.1.4 Inversor..................................................................................................................... 21

4.1.5 Sistema de Comunicao ......................................................................................... 22

4.1.6 Esquema eltrico da instalao ................................................................................. 22

4.2 Implementao da soluo alternativa .............................................................................. 23

4.2.1 Sistema de Controlo ................................................................................................. 23

4.2.2 Microcontroladores .................................................................................................. 24

4.2.3 Sensores de luminosidade ........................................................................................ 26

4.2.4 Estratgia de seguimento solar com os sensores de radiao ................................... 28

4.2.5 Estratgia de seguimento com calendrio solar........................................................ 31

4.2.6 Acelermetro digital ................................................................................................. 32

4.2.7 Controlo dos atuadores lineares ............................................................................... 33

4.2.8 Circuito experimental geral ...................................................................................... 34

4.3 Monitorizao do sistema .................................................................................................. 36

4.3.1 Dados de seguimento ............................................................................................... 36

4.3.2 Dados de produo de energia.................................................................................. 37

4.3.3 Dados de consumo de energia .................................................................................. 38

5. Apresentao e discusso dos resultados .............................................................................. 39

5.1 Qualidade do seguimento solar ......................................................................................... 39

5.1.1 1 Caso de estudo: Dia de cu limpo ........................................................................ 41

5.1.2 2 Caso de estudo: Dia de cu nublado .................................................................... 43

5.2 Produo de energia .......................................................................................................... 46



5.2.3 Resultados gerais de produo de energia ................................................................ 48

5.3 Consumo de energia .......................................................................................................... 51



5.3.3 Resultados gerais de consumo de energia ................................................................ 53

6. Concluses e trabalhos futuros .............................................................................................. 55

Referncias bibliogrficas ................................................................................................................. 57

v

ndice de Figuras

Figura 2.1. Variao da densidade de radiao extraterrestre ao longo do ano [8]. ........................... 3 Figura 2.2. Distribuio da radiao na atmosfera terrestre [10]. ...................................................... 4 Figura 2.3. Espectro solar [11]. .......................................................................................................... 5 Figura 2.4. Equipamentos de medio da radiao solar. a) Pirelimetro; b) Piranmetro [13]........ 5 Figura 2.5. Latitude e Longitude [10]. ............................................................................................... 6 Figura 2.6. Variao da equao do tempo ao longo do ano [8]. ....................................................... 7 Figura 2.7. Variao declinao solar da Terra ao longo do ano [14]. ............................................... 8 Figura 2.8. Representao do znite, elevao e azimute solar [14]. ................................................. 9 Figura 3.1. Potencial de produo de eletricidade solar na Europa [18]. ......................................... 11 Figura 3.2. Esquema de um sistema fotovoltaico autnomo [20]. ................................................... 12 Figura 3.3. Esquema de um sistema fotovoltaico ligado rede [19]. .............................................. 12 Figura 3.4. Tipos de Seguidores solares existentes [27]. ................................................................. 15 Figura 3.5. Seguidores de 1 eixo. a) Eixo horizontal; b) Eixo vertical; c) Eixo inclinado [31]. ...... 15 Figura 3.6. Seguidores de dois eixos. a) Seguidor de azimute-altitude; b) Seguidor polar [22]. ..... 16 Figura 3.7. Concentrador fotovoltaico [22]. ..................................................................................... 17 Figura 4.1. A- Sistema de seguimento solar de dois eixos; B-Atuadores lineares responsveis pelo

seguimento. ...................................................................................................................................... 20 Figura 4.2. Interruptores de fim de curso e outros componentes instalados no atuador. ................. 20 Figura 4.3. Caixa de controlo SunGravity utilizada pela WS Energia. ............................................ 21 Figura 4.4. Inversor Sunny Boy utilizado no sistema. ..................................................................... 21 Figura 4.5. Sunny WebBox. ............................................................................................................. 22 Figura 4.6. Informaes disponibilizadas pelo sistema de comunicao e envio de dados. ............ 22 Figura 4.7. Esquema eltrico da instalao [35]. ............................................................................. 23 Figura 4.8. Sistema de controlo do seguimento. .............................................................................. 24 Figura 4.9. Arduno UNO [40]. ........................................................................................................ 24 Figura 4.10. Interface de programao do Arduno. ........................................................................ 25 Figura 4.11. Adafruit Data logging shield [41]. ............................................................................... 26 Figura 4.12. Circuito auxiliar para obteno do sinal do LDR. ....................................................... 26 Figura 4.13. Base para a colocao dos sensores. ............................................................................ 27 Figura 4.14. Relao entre o ngulo de incidncia dos raios solares e as caratersticas da pala. ..... 28 Figura 4.15. A-Impressora 3D LeapFrog; B-Processo de impresso do suporte dos sensores. ....... 28 Figura 4.16. Valores atribudos a cada conjunto de sensores. .......................................................... 29 Figura 4.17. Processo de seguimento: A- Seguimento Azimutal; B- Seguimento Vertical. ............ 30 Figura 4.18. Parafuso para a ativao dos interruptores de fim de curso instalado no veio do brao

mecnico. ......................................................................................................................................... 31 Figura 4.19. Circuito auxiliar para contagem de pulsos do Reed Swith. ......................................... 31 Figura 4.20. Acelermetro [43]. ....................................................................................................... 32 Figura 4.21. Instalao do acelermetro na placa. ........................................................................... 33 Figura 4.22: Circuito de controlo dos motores. ................................................................................ 33 Figura 4.23. Circuito geral de controlo do sistema de seguimento. ................................................. 35 Figura 4.24: Caixa com a montagem experimental. ......................................................................... 36 Figura 4.25. Estao meteorolgica instalada no Campus Solar da FCUL [30]. ............................. 37 Figura 4.26. Kit Cloogy para a monitorizao do consumo de energia do sistema [44]. ................. 38 Figura 5.1. Irradincia direta (DNI) medida entre os dias 21 e 27 de agosto de 2015. .................... 39 Figura 5.2. Trajetria do Sol e do sistema de seguimento entre 21 e 27 de agosto de 2015. A-

Comparao dos ngulos de elevao solar calculados e medidos no sistema. B- Comparao dos

ngulos de azimute solar calculados e medidos no sistema. ............................................................ 40 Figura 5.3. Irradincia direta (DNI) medida entre 5 e 11 de setembro de 2015. .............................. 40 Figura 5.4. Trajetria do Sol e do sistema de seguimento entre 5 e 11 de setembro de 2015: A-

Comparao dos ngulos de elevao solar calculados e medidos no sistema. B- Comparao dos

ngulos de azimute solar calculados e medidos no sistema. ............................................................ 41 Figura 5.5. Irradincia direta (DNI) medida no dia 06/09/15. ......................................................... 41

vi

Figura 5.6. Trajetria do Sol e do sistema de seguimento no dia 06/09: A- Comparao dos ngulos

de elevao solar calculados e medidos no sistema. B- Comparao dos ngulos de azimute solar

calculados e medidos no sistema. ..................................................................................................... 42 Figura 5.7. Desvio dos eixos do sistema de seguimento em relao a trajetria terica para o dia

06/09. ................................................................................................................................................ 43 Figura 5.8. Irradincia direta (DNI) medida no dia 24/08/15. ......................................................... 43 Figura 5.9. Trajetria do Sol e do sistema de seguimento no dia 24/08: A- Comparao dos ngulos

de elevao solar calculados e medidos no sistema. B- Comparao dos ngulos de azimute solar

calculados e medidos no sistema. ..................................................................................................... 44 Figura 5.10. Desvio dos eixos do sistema de seguimento em relao a trajetria terica para o dia

24/08. ................................................................................................................................................ 45 Figura 5.11. Comparao da produo do sistema de seguimento de dois eixos com a estimativa de

produo de um sistema fixo entre 21 e 27 de agosto de 2015. ....................................................... 46 Figura 5.12. Comparao da produo do sistema de seguimento de dois eixos com a estimativa de

produo de um sistema fixo entre 05 e 11 de setembro de 2015. ................................................... 46 Figura 5.13. Comparao da produo do sistema de seguimento de dois eixos com a estimativa de

produo de um sistema com seguimento ideal e com um sistema fixo no dia 06/09. .................... 47 Figura 5.14. Comparao da produo do sistema de seguimento de dois eixos com a estimativa de

produo de um sistema com seguimento ideal e com um sistema fixo no dia 24/08. .................... 48 Figura 5.15. Produo de energia do sistema de seguimento real e ideal e do sistema fixo para todos

os dias da campanha experimental. .................................................................................................. 49 Figura 5.16. Ganhos do sistema de seguimento real e da estimativa ideal em relao ao sistema fixo

para todos os dias da campanha experimental. ................................................................................. 50 Figura 5.17. Energia normalizada do sistema de seguimento e do sistema fixo. ............................. 51 Figura 5.18. Consumo de energia do sistema medido no dia 06/09. ................................................ 52 Figura 5.19. Consumo de energia do sistema medido no dia 24/08. ................................................ 52 Figura 5.20. Energia consumida e a respetiva frao da produo do sistema de seguimento. ....... 53

ndice de Tabelas

Tabela 4.1. Caratersticas dos mdulos fotovoltaicos do sistema [35]. ............................................ 19 Tabela 4.2. Caratersticas do Arduno UNO [40]. ............................................................................ 25 Tabela 4.3. Exemplo de alguns dados recolhidos para o dia 23 de Agosto. .................................... 36

vii

Agradecimentos

O desenvolvimento desta dissertao s foi possvel devido ao apoio de vrias pessoas, s quais

deixo aqui os meus sinceros agradecimentos:

Aos meus orientadores Prof. Miguel Brito, Jos Mrio P e David Pera pela orientao, apoio,

acompanhamento e disponibilidade no decorrer do projeto, assim como pelas crticas, correes e

sugestes que muito contriburam para a concluso do trabalho.

Aos meus pais, Joo Lopes e Maria da Luz, aos meus irmos, irms e toda a minha famlia pelo

amor, carinho, incentivo e apoio incondicional e sem os quais no seria possvel superar mais uma

etapa da minha vida.

minha namorada, Conceio Andrade, pelo amor, carinho, companheirismo, apoio e pelas

palavras de incentivo sempre que necessrio.

Aos meus amigos e colegas, em especial ao Jos Sousa pelo auxlio na meontagem do sistema sempre

que foi preciso.

Ao Ivo Costa e ao Ivo Bernardo pelo apoio nos trabalhos de laboratrio e no desenvolvimento do

meu sistema.

todos que direta e indiretamente contriburam para o desenvolvimento deste projeto, obrigado!

ix

Simbologia e Notaes

Longitude do meridiano de referncia ()

Longitude local ()

ngulo horrio ()

Altura Solar ()

ngulo Azimutal ()

Declinao Solar ()

ngulo de Incidncia dos raios solares ()

ngulo Zenital ()

Equao do tempo (min)

ngulo do dia (rad)

Latitude ()

Longitude ()

Orientao dos mdulos PV ()

Inclinao dos mdulos PV ()

Vetor de posio de um mdulo PV ()

Vetor de posio do Sol ()

Air Mass

rea do mdulo (m2)

Acrylonitril Butadiene Styrene

Amorphous Silicon

Altura da pala (cm)

Distncia dos sensores ao centro da circunferncia (cm)

Correo da Longitude (min)

Copper Indium Gallium Selenide

Cadmium Telluride

Diffuse Horizontal Irradiance (W/m2)

Direct Normal Irradiance (W/m2)

Direo Geral de Energia e Geologia

Direct Current / Alternated Current

European Photovoltaic Industry Association

Faculdade de Cincias da Universidade de Lisboa

x

Global System for Mobile Communication

Global Horizontal Irradiance (W/m2)

Global Normal Irradiance (W/m2)

Densidade de radiao extraterrestre (W/m2)

Heterojunction with Intrinsic Thin layer

Corrente de curto-circuito (A)

Corrente do ponto de potncia mxima (A)

I2C Inter-Integrated Circuit

Input/Output

Sensor Inferior Direito

Sensor Inferior Esquerdo

LED Light Emitting diode

Light Dependent Resistor

Maximum Power Point

Dia do ano (dia juliano)

Nmero de mdulos fotovoltaicos

Fotovoltaico

Densidade de energia extraterrestre (W/m2)

Potncia mxima (W)

Potncia instantnea estimada de um sistema fixo (W)

Potncia instantnea estimada de sistema de seguimento biaxial (W)

PLA Polyactic Acid

RTC Real Time Clock

Constante solar (1366 W/m2)

STL Standard Triangle Language (STereoLithography)

Sensor Superior Direito

Sensor Superior Esquerdo

Standard Test Conditions

SPI Serial Pheripheral Interface

Tempo de relgio local

Tempo local aparente

Tempo solar verdadeiro

Hora do nascer do sol

xi

Hora do pr-do-sol

Durao do dia

Unidade Astronmica (1 UA = 1.5 108 km)

Tenso do ponto de potncia mxima (V)

Tenso de circuito aberto (V)

Tenso de sada (V)

Tenso de entrada (V)

Valor Lado Direito

Valor lado Esquerdo

Valor Superior

Valor Inferior

3 Dimenses

Desenvolvimento e implementao de um Sistema de Seguimento Solar Ativo para sistemas fotovoltaicos

Drio Djon Delgado Lopes 1

1. Introduo

As fontes de energias renovveis so cada vez mais uma parte importante na gerao de eletricidade

no novo milnio. Alm da contribuio para a reduo das emisses de gases com efeito de estufa,

acrescentam muita flexibilidade ao mix energtico, reduzindo a dependncia dos combustveis

fsseis. Entre as fontes de energias renovveis, a energia solar representa o recurso mais essencial e

o pr-requisito de energia sustentvel pela sua omnipresena e abundncia. Independentemente da

variabilidade da luz solar, a energia solar est amplamente disponvel e completamente livre de

qualquer custo, e ganha cada vez mais preponderncia devido aos avanos na tecnologia de

fabricao e no aumento de eficincia das clulas solares [1] [2].

Hoje em dia os sistemas fotovoltaicos so bem aceites, reconhecidos e cada vez mais utilizados na

converso de energia solar para aplicaes de produo de energia eltrica [2]. O processo de

transformao da radiao solar em eletricidade feito principalmente por sistemas planos e de

concentrao, em que a energia gerada depende de muitos fatores, incluindo a quantidade de radiao

recebida do Sol, pelo que o ngulo timo dos coletores solares tem sido muito estudado. No entanto,

dado que a posio do Sol est em constante variao ao longo do dia, o mtodo mais eficiente para

aumentar o rendimento dos sistemas passa pelo processo de seguimento solar [3]. O maior obstculo

para a utilizao da energia solar passa pelo custo inicial dos sistemas, especialmente dos mdulos

fotovoltaicos. H uma necessidade de reduo do custo e do espao utilizado e simultaneamente, um

aumento da energia produzida, conseguida atravs do seguimento do Sol. Quando realizada nos dois

eixos, o seguimento aumenta at 50% o aproveitamento da energia, em relao a um sistema com

orientao e inclinao fixos, dependendo da localizao [4].

O seguimento solar realizado de forma ativa recorre principalmente a microcontroladores para o

clculo da posio solar em determinados intervalos de tempo, ao comando de motores e a obteno

de resposta do sistema, pelo uso de vrios sensores [5].

A presente dissertao tem como propsito o desenvolvimento e a implementao de um sistema de

seguimento solar ativo biaxial para sistemas fotovoltaicos, em ambiente real. O desenvolvimento

deste sistema contempla a utilizao de microcontroladores e prototipagem eletrnica para a criao

de um sistema de controlo de atuadores lineares e de um algoritmo de seguimento solar. O prottipo

desenvolvido substitui o sistema de controlo original de um seguidor de dois eixos da WS Energia,

localizado no Campus Solar da Faculdade de Cincias da Universidade de Lisboa (FCUL), dado que

este no funciona. O no funcionamento do sistema devido a vrios problemas no circuito de

controlo e nos atuadores lineares, corrigidos pelo novo sistema implementado.

Os principais objetivos do projeto passam pelos seguintes tpicos:

Estudo da tecnologia e desenvolvimento e implementao de uma soluo de seguimento solar eficiente e de custo reduzido;

Instalao do sistema de seguimento solar e realizao de uma campanha experimental para a obteno dos dados necessrios;

Avaliao do desempenho do sistema, em termos de funcionalidade e eficincia na produo e no consumo de energia.

No processo de instalao e durante o perodo de testes do novo sistema desenvolvido, contou-se

com alguns contratempos que dificultaram e prolongaram os trabalhos de campo. Foi necessrio a

interveno dos bombeiros para a remoo de ninhos de vespas nas calhas do sistema, assim como a

substituio de peas danificadas do circuito implementado, devido a curto-circuitos provocados pela

chuva.

A dissertao est estruturada em vrios captulos, apresentando-se primeiramente o estudo da

radiao solar e das relaes astronmicas indispensveis a determinao da posio do Sol e a

realizao do seu seguimento assim como o estudo do estado da arte da tecnologia solar fotovoltaica,

atravs da anlise dos vrios tipos de sistemas e dos seus componentes e ainda dos vrios processos


2 Drio Djon Delgado Lopes

de seguimento solar existentes. Posteriormente apresenta-se as caratersticas do sistema assim como

a metodologia utilizada no desenvolvimento do algoritmo de seguimento, atravs da anlise de todos

os componentes e o seu papel no funcionamento do mesmo. Seguidamente apresentam-se os

resultados obtidos e a discusso dos vrios aspetos necessrios para a avaliao do desempenho do

sistema desenvolvido, em que a qualidade do seguimento realizado, a produo e o consumo de

energia figuram como sendo os aspetos principais da anlise. Por fim encontram-se apresentadas as

principais concluses da dissertao e do trabalho experimental desenvolvido, assim como os

trabalhos futuros a desenvolver.



2. Estudo da radiao solar

2.1 Radiao solar

A radiao total emitida pelo Sol equivalente a radiao de um corpo negro temperatura de 5776

K [6]. superfcie do Sol, apresenta um valor de cerca de 5.96 107 W/m2 e a medida que a distncia

aumenta, a quantidade de energia recebida por um objeto no espao cada vez menor, dado que a

energia proveniente do Sol espalhada por uma rea cada vez maior. Assim, a densidade de energia

ser dependente apenas da distncia a que o objeto est situado.

No topo da atmosfera terrestre, distncia mdia Terra-Sol, o fluxo de radiao recebido numa

superfcie normal aos raios solares por unidade de rea conhecido como Constante Solar e possui

o valor de 1366 W/m2 [6].

2.1.1 Radiao extraterrestre

A distncia Terra-Sol apresenta uma variabilidade devido rbita da Terra em torno do Sol ser uma

elipse, apresentando em alguns momentos um valor menor e em outros um valor maior. Assim, a

densidade de energia dada pela equao 1 apresenta tambm uma variao de cerca de 3.4% em

relao a densidade mdia de potncia dada pela constante solar, tendo um valor maior em Janeiro

devido Terra estar mais prximo do Sol e um valor menor em Junho, quando a Terra est mais

afastada do Sol [7].

(1)

A variao da densidade de radiao extraterrestre Gon, depende do dia do ano, representado por N

tomando o valor 1 para o dia 1 de janeiro e 365 para o dia 31 de dezembro, apresentada na Figura

2.1.

Figura 2.1. Variao da densidade de radiao extraterrestre ao longo do ano [8].

2.1.2 Efeitos atmosfricos na radiao solar

Ao passar pela atmosfera terrestre, a radiao solar decomposta em diferentes componentes. Uma

parte desta radiao absorvida pelas nuvens, por elementos presentes na atmosfera como o ozono,

oxignio, dixido de carbono e vapor de gua (20%) e outra parte sofre disperso para o espao

(30%), fazendo com que apenas uma frao da radiao chegue superfcie terrestre e desta, uma

parte ainda refletida para a atmosfera, como se ilustra na Figura 2.2 [9] [10].

Assim, aps interao com a atmosfera, a radiao que atinge um objeto ou superfcie superfcie

terreste pode ser decomposta em vrias componentes [9] [10]:

Radiao direta radiao recebida diretamente do disco solar numa superfcie normal aos

raios solares;



Radiao difusa representa a radiao total vinda da abbada celeste que chega a uma

superfcie, depois de ter sofrido disperso na atmosfera;

Radiao global representa a soma das parcelas da radiao direta e difusa.

Figura 2.2. Distribuio da radiao na atmosfera terrestre [10].

2.1.3 Coeficiente de massa de ar

O coeficiente de massa de ar, AM (Air Mass), pode ser definido como o rcio entre a distncia em

que a radiao atravessa a atmosfera e a distncia mnima possvel que corresponde ao instante em

que o Sol se encontra na vertical, fazendo um ngulo de 0 relativamente normal ao observador.

Assume-se para este efeito que a atmosfera terrestre completamente homognea e que no existem

aerossis ou vapor de gua em suspenso. Considera-se que, quando o Sol se encontra no znite do

observador, a distncia tica toma o valor 1, sendo o coeficiente dado pela equao 2 onde z

corresponde ao ngulo zenital [11]:

(2)

2.1.4 Distribuio espetral da radiao

Alm da necessidade de se conhecer a constante solar, necessrio tambm conhecer a distribuio

da radiao como funo do comprimento de onda, denominado de espetro solar, representado na

Figura 2.3 [6].

De acordo com o comprimento de onda, pode-se dividir o espetro em trs zonas distintas. A zona de

radiao ultravioleta corresponde radiao com comprimento de onda inferior a 400 nm, onde esto

contidos cerca de 10% da energia emitia pelo Sol. Na zona de radiao visvel, com comprimentos

de onda entre 400 e 700 nm, encontra-se cerca de 40% da energia e os restantes 50% encontram-se

na zona de radiao infravermelha, com comprimentos de onda superior a 700 nm [6].

O espetro solar no exterior da atmosfera, conhecida como AM0, aproxima-se do espetro de um corpo

negro a temperatura de 5800K. A integrao da curva, para todos os comprimentos de onda resulta

no valor de 1366 W/m2, correspondente constante solar. Este espetro assim conhecido devido

Depois de entrar na atmosfera terrestre, a radiao sofre os efeitos referidos anteriormente, resultando

na absoro de certos comprimentos de onda, o que d origem a um espetro de radiao superfcie,

denominado de AM1.5, diferente do espetro de radiao extraterrestre. Pela integrao do espetro

AM1.5, para todos os comprimentos de onda, encontra-se o valor de aproximadamente 1000 W/m2,

considerado como o valor standard superfcie terrestre, em condies de cu limpo. A Figura 2.3

ilustra os diferentes espetros de radiao solar.



Figura 2.3. Espectro solar [11].

2.1.5 Medio da radiao solar

A medio da radiao solar superfcie terrestre importante para estudos de meteorologia,

climatologia e principalmente de aplicaes solares.

O pirelimetro, ilustrado na Figura 2.4 (a), um instrumento usado para a medio da componente

direta da radiao solar, no plano de incidncia. Isto significa que o instrumento aponta para o Sol

em qualquer instante, atravs de um mecanismo prprio de seguimento. A radiao solar entra para

o equipamento atravs de uma janela de cristal de quartzo e direcionada para uma termopilha que

converte calor em um sinal eltrico que pode ser guardado. aplicado um fator de calibrao quando

se converte o sinal em mV para o fluxo radiante equivalente, medido em W/m2 [12].

A medio da radiao global feita atravs de um piranmetro, ilustrado na Figura 2.4 (b). Este

instrumento possui o mesmo princpio de funcionamento que um pirelimetro, diferenciando apenas

no facto da superfcie sensvel deste sensor estar exposta a toda a radiao proveniente do Sol,

contando com a radiao difusa e a refletida, num campo de viso de 180. A superfcie sensvel

consiste numa termopilha de multijuno, com uma juno quente e outra fria. A diferena de

temperatura entre as duas junes funo do fluxo de radiao que chega superfcie sensvel [12].

A radiao difusa tambm medida atravs de um piranmetro, provido de um disco ou uma esfera

que bloqueia a radiao direta, proveniente do Sol. O disco est a uma distncia padro de 0.3 m e

faz com que apenas a radiao difusa do ambiente envolvente seja captada pelo piranmetro [12].

Figura 2.4. Equipamentos de medio da radiao solar. a) Pirelimetro; b) Piranmetro [13].



2.2 Relaes astronmicas Terra-Sol

2.2.1 Sistema de coordenadas locais: latitude e longitude

Qualquer ponto na superfcie da Terra pode ser especificado por duas coordenadas, a latitude () e a

Figura 2.5.

A latitude definida como a distncia angular medida ao longo de um meridiano, do equador a um

ponto situado na superfcie terrestre. Qualquer ponto na Terra situado acima da linha do equador

possui latitude positiva, sendo o valor mximo de 90 e de forma inversa, qualquer local situado

abaixo da linha do equador possui latitude negativa, com o mnimo de -90.

Por sua vez, a longitude definida como a distncia angular medida a partir do meridiano de

referncia (meridiano de Greenwich) para um ponto situado a Este ou a Oeste. Qualquer ponto

situado a Oeste do meridiano de referncia possui longitude positiva e qualquer ponto a Este possui

longitude negativa.

Figura 2.5. Latitude e Longitude [10].

2.2.2 Equao do tempo

Um dia solar corresponde ao intervalo de tempo em que o Sol completa um ciclo, em relao a um

observador estacionrio. Este ciclo no tem, necessariamente, a durao de 24 horas, variando ao

longo de um ano devido trajetria elptica da Terra em torno do Sol e tambm pelo facto do eixo

da Terra apresentar uma inclinao em relao ao plano da elptica [14].

Assim, ao longo de um ano v-se uma variao da durao do dia, podendo realizar um ciclo num

tempo maior ou menor em relao ao ciclo perfeito de 24 horas (Figura 2.6). Essa discrepncia,

denominada de equao do tempo, pode ser quantificada pela equao 3:

(3)

onde corresponde ao ngulo do dia dado na equao 4 e o multiplicador 229.18 converte a equao

em minutos.

(4)



Figura 2.6. Variao da equao do tempo ao longo do ano [8].

2.2.3 Fator de correo do tempo

Muitos dos parmetros meteorolgicos como a radiao, velocidade do vento e a temperatura so

medidos em termos de tempo de relgio local (TRL), embora para aplicaes de energia solar seja

necessrio conhece-los em termos de tempo local aparente (TLA) ou tempo solar verdadeiro (TSV).

O tempo solar aparente baseado no movimento aparente do Sol, em que o meio-dia solar

corresponde ao instante em que o Sol atinge o ponto mais alto no cu, ou seja, cruza o meridiano de

um observador situado na superfcie terrestre [14].

Para a obteno do tempo local aparente necessrio realizar duas correes ao tempo de relgio

LOC) e a longitude do

meridiano de referncia (SMT), conhecida como correo da longitude (CL) e que dada pela

equao 5 [14]:

(5)

O fator 4 corresponde converso dos ngulos em graus para minutos, dado que o Sol se move 1 a

cada 4 minutos. A correo da longitude positiva se a longitude do local estiver a Este do meridiano

de referncia e negativa se estiver a Oeste do mesmo [14].

A segunda correo corresponde a adio da equao do tempo ao tempo de relgio local, sendo o

tempo local aparente dado pela equao 6:

(6)

2.2.4 Declinao solar

O eixo de rotao da Terra, denominado de eixo polar, est inclinado 23.45 em relao normal ao

plano da elptica. Assim, a radiao incidente sofre uma variao diria devido a rotao da Terra

em torno do seu eixo e uma variao sazonal devido posio do eixo em relao ao Sol [14].

O mesmo acontece com o ngulo formado entre o plano equatorial e o plano da elptica. No entanto,

o ngulo formado pela linha que une o centro do Sol ao centro da Terra, denominado de declinao

solar, varia constantemente. A declinao apresenta um valor de 0 nos equincios de outono e

primavera, um valor de 23.45 no solstcio de vero e -23.45 no solstcio de inverno, como mostra

a Figura 2.7.

De acordo com Spencer [14], a declinao pode ser calculada pela equao 7:

(7)



Ou de forma mais simples, pode ser dada pela equao 8:

(8)

Figura 2.7. Variao declinao solar da Terra ao longo do ano [14].

2.2.5 ngulo horrio

O ngulo horrio converte o tempo local aparente no ngulo correspondente ao movimento do Sol.

Este ngulo calculado pela equao 9:

(9)

onde o fator 15 representa o facto de a Terra ter uma velocidade de rotao de 15 por hora. Este

ngulo tem um valor negativo desde o nascer do Sol at antes do meio-dia solar e positivo depois

desse ponto at o pr-do-sol. Exatamente ao meio dia solar tem o valor nulo, que corresponde ao

ponto em que o Sol atinge a maior altitude no cu [14].

2.2.6 ngulo zenital

O ngulo zenital do S z) corresponde ao ngulo entre o znite local ou a vertical e a linha que

junta um observador a superfcie terrestre e o Sol, como mostra a Figura 2.8 [14]. Este ngulo varia

entre 0 e 90 e dependente do dia, da hora e do local e matematicamente, pode ser expressa pela

equao 10:

(10)

2.2.7 Altitude solar

A altitude solar (s), tambm conhecida como elevao solar, corresponde ao ngulo formado pelo

horizonte celeste e pela linha que une um observador superfcie terrestre e o Sol. Pode-se ver ainda

pela Figura 2.8 que a altitude solar o ngulo complementar do znite solar e determinado pela

equao 11 [14]:

(11)

2.2.8 Azimute solar

s) corresponde ao ngulo formado pelo plano do meridiano de um observador e o

plano de projeo do znite solar, como se pode ver pela Figura 2.8. Ao meio dia solar, este ngulo

nulo, o que significa que o Sol est exatamente acima do meridiano. Do nascer do Sol at

exatamente antes do meio-dia solar positivo e do meio-dia solar at o pr-do-sol negativo e

matematicamente, o azimute solar determinado pela equao 12 [14]:

(12)



Figura 2.8. Representao do znite, elevao e azimute solar [14].

2.2.9 Nascer e pr-do-sol

O nascer e o pr-do-sol podem ser definidos como sendo os instantes em que a altitude solar nula

[14]. Como resultado disso, pela equao 13 tm-se que:

(13)

Calcula-se ento o ngulo horrio correspondente pela equao 14:

(14)

Este ngulo igual tanto para o nascer como para o pr-do-sol, tendo apenas sinais contrrios. Com

o valor do ngulo horrio pode-se calcular a hora do nascer e do pr-do-sol, dada pelas equaes 15

e 16, respetivamente [14]:

(15)

(16)

Assim sendo, a durao do dia ser dada pela equao 17:

(17)

Todas as relaes anteriormente descritas so importantes quando se pretende realizar estudos de

aplicaes solares, especialmente para o seguimento solar. necessrio conhecer bem a geometria

do Sol, calcular os ngulos como o azimute, a elevao solar e o azimute, que dependem do dia do

ano, da hora e do local. Com estes dados possvel traar diagramas polares com a trajetria do Sol

para qualquer dia do ano. Para os dias mais prximos do vero, a trajetria do Sol mais longa, os

dias tm maior durao e o Sol atinge altitudes mais elevadas ao meio-dia solar [14].



3. Energia fotovoltaica Estado da Arte

3.1 O mercado da energia fotovoltaica

O mercado da energia fotovoltaica (PV) cresceu ao longo da ltima dcada a uma taxa muito elevada

principalmente devido ao declnio do preo dos sistemas PV em cerca de 75%, o que contribuiu para

uma maior competitividade em alguns pases e ao surgimento de mercados emergentes. No ano de

2015 registou-se mundialmente 227 GW de potncia de PV instalada, em que 23 pases ultrapassaram

a marca de 1 GW. A China passou a ser o pas detentor da maior potncia instalada, com cerca de

43,6 GW, ultrapassando a Alemanha que registou 39,7 GW. De acordo com os cenrios estudados

pela SolarPower Europe (EPIA), prev-se cerca de 540 GW de capacidade total instalada em 2019

[15] [16].

Portugal dos pases do continente europeu com maior ndice de insolao e consequentemente,

maior potencial para a produo de eletricidade a partir de sistemas fotovoltaicos, como ilustra a

Figura 3.1. De acordo com os dados da Direo Geral de Energia e Geologia (DGEG), em 2006

haviam apenas 3MW de potncia instalada de PV. Desde ento a instalao de sistemas fotovoltaicos

tem crescido, atingindo em 2015 um total de 442MW. Assim, as fontes fotovoltaicas tm contribudo

de forma mais significativa para a demanda de energia, aumentando a contribuio de fontes

renovveis, liderada pelas centrais elicas e hdricas [17].

Figura 3.1. Potencial de produo de eletricidade solar na Europa [18].

3.2 Sistemas fotovoltaicos

3.2.1 Sistemas Autnomos

Os sistemas fotovoltaicos autnomos so encontrados essencialmente em locais remotos, onde no

h penetrao da energia eltrica proveniente da rede e onde no existem outras fontes de energia

instaladas [19].

Nestes sistemas, pode ou no existir inversores, de acordo com o tipo de cargas eltricas existentes.

Em alguns sistemas, a alimentao pode ser feita diretamente dos painis, mas normalmente existe



armazenamento de energia em baterias. A Figura 3.2 mostra o esquema tpico de um sistema

autnomo. Existem ainda sistemas autnomos hbridos, em que a produo feita recorrendo a outras

fontes alm do PV, como por exemplo pequenas turbinas elicas ou geradores a diesel [19] [20].

Figura 3.2. Esquema de um sistema fotovoltaico autnomo [20].

3.2.2 Sistemas ligados rede

Os sistemas fotovoltaicos ligados rede so normalmente encontrados em zonas urbanas. Nestes

sistemas no h armazenamento de energia em baterias, o que significa que o excesso de eletricidade

gerado fornecido rede eltrica. A rede atua como um sistema de armazenamento quando h

excesso de energia produzida pelo sistema e como fonte de energia quando o sistema no produz

energia suficiente para suprir a demanda [19].

Como mostra o esquema da Figura 3.3, as principais componentes que diferem estes tipos de sistemas

dos autnomos a existncia do inversor e de contadores de produo da energia que injetada na

rede e da que dela consumida [19] [21].

Alm dos pequenos sistemas, existem tambm centrais fotovoltaicos de grandes dimenses, ligadas

diretamente rede de distribuio. Estes sistemas ajudam na descentralizao das fontes de produo,

aumentando a eficincia na distribuio da energia e minimizando as perdas que ocorrem devido a

distncia entre as fontes e os consumidores [19] [21].

Figura 3.3. Esquema de um sistema fotovoltaico ligado rede [19].



3.3 Componentes de um sistema fotovoltaico

3.3.1 Clulas fotovoltaicas

Uma clula solar fotovoltaica consiste num dispositivo que converte a luz solar, como um fluxo de

fotes, em eletricidade. Existem diferentes tipos de clulas usadas na tecnologia fotovoltaica,

produzidas com materiais diferentes, em que as principais so as de silcio cristalino (monocristalino

e policristalino) e filmes finos (a-Si, CIGS, CdTe) [22] [23].

As clulas de silcio cristalino so as mais usuais na tecnologia fotovoltaica, correspondendo a mais

de 80% da produo mundial. Embora clulas baseadas nos outros materiais estejam em constante

desenvolvimento e alguns j estejam no mercado, os mdulos baseados nas clulas de silcio

dificilmente deixaro de ser os mais produzidos mundialmente, devido sua fiabilidade, com tempos

de vida entre os 20 e 25 anos e o processo de produo bem conhecido [22] [23].

A ligao entre clulas solares fotovoltaicas pode ser feita tanto em srie como em paralelo. Quando

se ligam duas ou mais clulas iguais em srie, a tenso de circuito aberto (Voc) do conjunto passa a

ser a soma da tenso de todas as clulas e a corrente de curto-circuito (Isc) se mantm igual a corrente

de uma nica clula. De modo oposto, quando se ligam duas ou mais clula em paralelo, a tenso de

circuito aberto do conjunto se mantm igual tenso de uma nica clula e a corrente de curto-

circuito passa a ser a soma das correntes de todas as clulas. Este princpio aplica-se ainda para um

conjunto de mdulos fotovoltaicos, sendo que um mdulo constitudo por vrias clulas ligadas

entre si [22] [10].

Normalmente, o desempenho dos mdulos PV apresentado em condies STC (Standard Test

Conditions) correspondente a 1000 W/m2 de irradincia, temperatura de 25 C e espetro solar AM1.5.

Nestas condies, a potncia mxima dos mdulos apresentada em Watt-pico (Wp) que pode no

corresponder a potncia mxima em ambiente real [24].

3.3.2 Armazenamento

O armazenamento de energia um fator de extrema importncia para os sistemas fotovoltaicos

autnomos. Para que a utilizao da energia proveniente do sistema fotovoltaico no esteja confinada

apenas aos perodos em que h Sol, necessrio haver um sistema de armazenamento. Assim,

independentemente da hora do dia ou da noite, garante-se que h eletricidade disponvel para a

utilizao dos equipamentos ou eletrodomsticos ligados ao sistema fotovoltaico visto que o pico de

consumo de energia normalmente no coincide com o pico de produo solar. As baterias

representam a forma mais comum de armazenamento de energia nos sistemas fotovoltaicos, por

serem uma tecnologia desenvolvida e relativamente mais barata [22].

3.3.3 Controladores/ Reguladores de carga

Os controladores ou reguladores de carga so utilizados para regular o fluxo de corrente dos mdulos

para as baterias e ainda das baterias para as cargas eltricas, principalmente nos sistemas solares

autnomos. So equipamentos que podem ser programadas para prevenir a sobrecarga das baterias

quando a produo excede o consumo e sobre-descarga quando o consumo maior do que a

produo. Os preos dos controladores so variveis, dependendo das suas funcionalidades e da sua

complexidade [22].

3.3.4 Inversores DC/AC

Para que se possa aproveitar a energia solar para a alimentao de equipamentos eltricos que

funcionam em corrente alternada (AC), necessrio o uso de um inversor. Para os sistemas ligados

rede eltrica, o uso do inversor obrigatrio e para os autnomos, s necessrio caso existam

equipamentos que funcionem em AC. Os inversores diferenciam entre si de acordo com a

configurao do sistema em que so utilizados, em que nos que se ligam rede eltrica, a corrente

proveniente diretamente dos mdulos fotovoltaicos e devem fornecer a mesma tenso e frequncia

da rede, que na Europa so de 230V e 50Hz respetivamente, ao passo que nos sistemas autnomos a

corrente pode vir do banco de baterias [22].



3.4 Sistemas estacionrios e de seguimento

3.4.1 Sistemas estacionrios

Os sistemas fixos de mdia e elevada capacidade constituem a maior grande parte dos sistemas PV

instalados mundialmente. So normalmente instalados usando uma orientao que depende das

caractersticas geogrficas e climatricas do local e do custo da instalao. A melhor configurao

para a instalao de mdulos fotovoltaicos fixos corresponde a orientao Sul e um ngulo de

inclinao aproximadamente igual latitude do lugar, para o hemisfrio Norte [22] [25].

O aproveitamento da energia para os sistemas fixos varivel ao longo do dia e do ano, dependendo

da radiao disponvel para os mdulos. Estes se aproximam do pico de produo nos instantes em

que o ngulo de incidncia dos raios solares mnima, para um dia de cu limpo. Ao se afastar desse

ponto, a produo do sistema tambm se afasta do seu mximo, dado que o ngulo de incidncia

cada vez maior, diminuindo a rea til ou ativa dos mdulos. Assim, a produo nos instantes

prximos ao nascer e ao pr-do-sol so mnimas, aumentando a medida em que o Sol est cada vez

mais alto e se aproxima da orientao dos mdulos [22] [25].

Para um determinado instante e localizao, a posio do Sol pode ser descrito pela vetor ,

determinado pela equao 18 [26]:

(18)

onde e correspondem ao azimute e altitude solar, calculados pelas equaes 11 e 12

respetivamente (seco 2.2). Por outro lado, a normal para um mdulo PV com orientao ( ) e

inclinao ( ) fixos caraterizado pelo vetor , determinado pela equao 19 [26]:

(19)

3.4.2 Sistemas de seguimento solar

A produo de energia de um sistema solar depende da quantidade de radiao recebida pelo sistema

e, devido ao movimento aparente do Sol em relao a um ponto fixo na Terra, a melhor forma de

maximizar a produo a realizao do seguimento solar [22] [27].

A quantidade de radiao recebida varia com o ngulo que os raios solares fazem com o plano do

sistema. O objetivo do seguimento solar consiste em aumentar a rea efetiva dos mdulos do sistema

relativamente incidncia dos raios solares, de forma a maximizar a produo. Este aumento de

produo aliado a uma possvel reduo do tamanho e do custo da energia aumentam a eficincia do

sistema. O aumento da energia produzida est associado tambm a um custo adicional relativo

construo, instalao e manuteno das partes mveis e dos motores [27][26].

Em termos de modo de operao, os sistemas de seguimento solar so classificados em sistemas

ativos e passivos. Nos sistemas de seguimento ativos, recorre-se normalmente a motores e sistemas

eletrnicos no controlo do posicionamento dos mdulos, o que leva a existncia de um gasto de

energia eltrica, alm dos custos adicionais de operao e manuteno [27]. Em sentido contrrio, os

sistemas solares passivos recorrem principalmente a expanso trmica de fludos [28], de ligas

metlicas [29] ou cristais elsticos para a realizao do seguimento solar, sem qualquer gasto de

energia eltrica. O prottipo SEGSOL, instalado no Campus Solar da FCUL, constitui um exemplo

da tecnologia de seguimento solar passivo recorrendo a cristais elsticos [30].

O ganho de um sistema de seguimento solar ativo em relao a um sistema fixo depende da

configurao, visto que existem diferentes tipos de seguidores, como se pode observar na Figura 3.4.



Figura 3.4. Tipos de Seguidores solares existentes [27].

Seguimento solar de 1 Eixo

Os tipos de seguidor solar de um eixo, representados na Figura 3.4 contm apenas um grau de

liberdade de movimento, ou seja, apenas um eixo rotacional. Conforme as necessidades do utilizador,

as vrias configuraes dos seguidores de um eixo permitem a realizao do seguimento solar dirio

(azimutal) ou sazonal (elevao) [22].

Nos seguidores de eixo horizontal, o eixo de rotao paralelo superfcie da Terra, podendo estar

orientada nas direes Norte-Sul ou Este-Oeste. Quando o eixo de rotao est orientado na direo

Norte-Sul, o seguidor segue o azimute solar e pelo contrrio, se o eixo estiver orientado na direo

Este-Oeste, o seguidor acompanha a altitude solar. Na Figura 3.5 (a) ilustra-se um seguidor solar

com esta configurao [22].

Para os seguidores de eixo vertical, tambm conhecidos como seguidores azimutais, o eixo de rotao

perpendicular superfcie terrestre e o principal objetivo acompanhar o Sol de Este para Oeste

no seu curso dirio, com uma inclinao fixa dos painis, como ilustrado na Figura 3.5 (b). Em

latitudes mais elevadas, este tipo de seguidor apresenta uma eficincia mais elevada do que o

seguidor de eixo horizontal [22].

Os seguidores de eixo inclinado representam o caso intermdio entre os seguidores de eixo horizontal

e os de eixo vertical, como se ilustra na Figura 3.5 (c). Nesta configurao, o eixo de rotao

encontra-se orientada na direo Norte-Sul, com um determinado ngulo de inclinao, realizando

assim o seguimento dirio do Sol na direo Este-Oeste. Este seguidor tambm conhecido como

seguidor polar, para o caso especifico em que o ngulo de inclinao igual a latitude do lugar em

que este se encontra instalado [22].

Figura 3.5. Seguidores de 1 eixo. a) Eixo horizontal; b) Eixo vertical; c) Eixo inclinado [31].

Dependendo da configurao, o ganho de energia produzida por um sistema de seguimento de um

eixo varia entre 20 e 30% em relao a um sistema fixo, em termos anuais [32].



Seguimento solar de 2 Eixos

Os sistemas de seguimento solar de dois eixos possuem dois graus de liberdade, tendo a capacidade

de seguir o Sol no plano horizontal e no plano vertical. Os tipos de seguidores de dois eixos

representados na Figura 3.6 diferem pela configurao dos eixos de rotao, que so tipicamente

normais, um em relao ao outro. O eixo que est fixo em relao ao solo considerado o eixo

primrio e o que est referenciado ao eixo primrio considerado o eixo secundrio, onde os mdulos

so normalmente afixados [22].

Nos seguidores do tipo azimute-elevao, os coletores devem ser livres para rodar ao longo dos dois

eixos. O eixo primrio ou eixo azimutal deve ser paralelo ao eixo do znite e o eixo secundrio ou

eixo de elevao sempre ortogonal ao eixo azimutal e logo, paralelo superfcie. Este tipo de

seguidor encontra-se representado na Figura 3.6 (a) [22].

Alternativamente, os seguidores polares adotam uma configurao em que os coletores seguem o Sol

diariamente no eixo azimutal e a mudana no ngulo de inclinao devido a variao anual da

trajetria do Sol. Assim, neste tipo de seguidores, um dos eixos de rotao est alinhado

paralelamente ao eixo polar da Terra, formando um ngulo de inclinao em relao ao horizonte,

igual a latitude do lugar e o outro eixo de rotao perpendicular ao eixo polar. O ngulo de

seguimento no primeiro eixo igual ao ngulo horrio do Sol e o ngulo de seguimento no eixo

perpendicular dependente do ngulo de declinao da Terra. A vantagem deste tipo de seguimento

a facilidade do desenho do sistema de controlo, dado que a velocidade do seguimento

praticamente constante, com o valor de cerca de 15 graus por hora. Na Figura 3.6 (b) v-se um

exemplo desta configurao [22].

De acordo com as equaes 18 e 19, o posicionamento de um seguidor de dois eixos determinado

substituindo a orientao de um mdulo fixo pelo azimute solar ( ) e a inclinao pela altitude

solar ( ) [26].

Figura 3.6. Seguidores de dois eixos. a) Seguidor de azimute-altitude; b) Seguidor polar [22].

Dependendo do local e do perodo sazonal, nos dias de cu limpo um sistema de seguimento solar

de dois eixos pode produzir at 50% de energia em relao a um sistema fixo, em termos mdios.

Devido a variao da disponibilidade da radiao solar, verifica-se uma variao desse valor [25]

[33].

O consumo especfico de energia dos sistemas depende da configurao dos mesmos e est

diretamente ligado a preciso com que o seguimento realizado [32]. Como exemplo tem-se um

seguidor de dois eixos da WS Energia que, instalado em Lisboa, espera-se uma produo anual de

1870 kWh/kWp e um consumo anual de cerca de 10 kWh, valor que corresponde a cerca de 0.5% da

produo estimada, ou seja, por cada kWh de energia consumida, produz-se 187 kWh [34] [35].



Concentradores solares fotovoltaicos

Os concentradores fotovoltaicos tm sido muito estudados nos ltimos anos. Acrescentando

componentes ticos aos sistemas, como as lentes e os espelhos, aumenta-se a quantidade de radiao

recebida por unidade de rea, reduzindo consideravelmente a rea das clulas solares. Ainda assim,

a reduo da rea das clulas deve ser balanceada com o custo adicional dos sistemas ticos, do

sistema de seguimento e ainda com a perda da componente difusa da radiao. Consequentemente,

o mecanismo de controlo do seguimento mais complexo e preciso do que os sistemas sem

concentrao, de forma a poder aproveitar o mximo da radiao direta do Sol [22].

Existem vrias tecnologias de concentradores solares, divididas em trs categorias: baixa, mdia e

alta concentrao. A diferena entre estes tipos de concentradores reside principalmente no rcio de

concentrao da radiao solar, que menor nos sistemas de baixa concentrao e maior nos sistemas

de alta concentrao. Nos sistemas de mdia e alta concentrao ainda necessrio a implementao

de um sistema de refrigerao, dado que atingem temperaturas elevadas [22].

Na Figura 3.7 encontra-se representado um concentrador solar fotovoltaico recorrendo a um conjunto

de lentes.

Figura 3.7. Concentrador fotovoltaico [22].

3.5 Mtodos de seguimento solar

Com o avano da tecnologia computacional e dos sistemas de controlo baseado em

microcontroladores e microprocessadores, tm sido desenvolvidos vrios mtodos de seguimento

solar, desenhados para maximizar a eficincia dos sistemas. Os sistemas de seguimento so

classificados pelo modo de operao como sendo de ciclo fechado (closed-loop) ou de ciclo aberto

(open-loop) [33] [36].

Os sistemas de seguimento de ciclo fechado so baseados em princpios de controlo de feedback, em

que diferentes variveis so introduzidas num controlador a partir de sensores que detetam

parmetros relevantes determinados pela posio Sol. Este controlador manipula estas entradas e

produz uma resposta, sendo assim considerado uma soluo baseada em sensores. Nestes sistemas

so utilizados sensores como os foto-dodos, foto-transstores ou resistncias dependentes de luz

(LDR) que produzem um sinal, de acordo com a quantidade de radiao que recebem. Recentemente

tem sido usado tambm o processamento de imagem, que usa a imagem do disco solar como varivel

de entrada [33] [36].

Por outro lado, os sistemas em ciclo aberto tm como princpio o uso de modelos geomtricos da

radiao solar, introduzidos em controladores que calculam a posio do Sol num dado instante e

este resultado utilizado como varivel de entrada do sistema. Assim, este tipo de sistemas no

utiliza nenhum tipo de feedback alm do estado atual do sistema, sendo baseado apenas no algoritmo

de posio do Sol. Como no observa a resposta do processo de controlo, este tipo de sistema no

consegue corrigir possveis erros e distrbios que podem ocorrer no processo de seguimento. O erro



mais relevante nestes tipos de sistema devido ao mau funcionamento dos relgios internos que

fornecem dos dados de calendrio para o clculo da posio do Sol [33] [36].

A combinao dos mtodos anteriores d origem a um sistema hibrido que resulta num processo de

seguimento mais preciso, com a minimizao dos erros. A hibridizao dos sistemas importante

nos dias em que h nebulosidade, em que a introduo de erros por parte dos sensores de radiao

podem ser corrigidos pelo algoritmo baseado na geometria do Sol, desde que este tambm no

apresente erros [33] [36].

Muitos seguidores solares realizam seguimento independentemente das condies do cu usando

programas de clculo da posio astronmica do Sol. Porm, em dias de muita nebulosidade, o

posicionamento dos mdulos deve sofrer alteraes, principalmente para os sistemas de seguimento

de dois eixos [25].

Um sistema de seguimento solar biaxial mais efetivo na colheita de energia solar para a radiao

direta (dias sem nuvens) j que mantem o ngulo entre os raios solares e a normal dos mdulos em

0. Nos dias de cu limpo 85 a 90% da energia solar devido a componente direta da radiao,

enquanto os outros 10 a 15% provm da componente difusa. Em dias de cu nublado, quase toda a

energia solar difusa. A sua distribuio no uniforme como a radiao direta, logo o seguimento

solar nestes dias no aumenta a produo de energia. Para estes dias, a melhor configurao o

posicionamento horizontal, ou seja, necessrio igualar a normal dos mdulos ao znite local. Esta

configurao resulta num aumento significativo da irradincia proveniente do cu, em detrimento do

posicionamento da estrutura em direo ao Sol obstrudo. conseguido acrescentando mais software

e hardware aos mtodos dos sistemas de seguimento de dois eixos convencionais, de modo a extrair

a mxima energia dos mdulos solares seguindo o Sol em dias de cu limpo mas, orientando-os

horizontalmente nos dias de cu nublado ou durante curtos perodos de nebulosidade [25].



4. Desenvolvimento do prottipo de seguimento solar

O presente captulo tem por objetivo explicar a metodologia utilizada no desenvolvimento do sistema

de controlo do seguimento solar. Em primeiro lugar dado a conhecer todos os componentes do

sistema anterior interveno realizada, como os mdulos solares fotovoltaicos, os atuadores usados

para a execuo do seguimento, o sistema eletrnico, o sistema de monitorizao, entre outros.

Posteriormente apresentada a soluo implementada, com as devidas alteraes realizadas no

sistema, como a introduo de microcontroladores e sensores. Por fim, apresenta-se a monitorizao

do seguimento, da produo e do consumo do sistema, aps as alteraes.

4.1 Caracterizao do sistema

O sistema existente um seguidor solar de dois eixos, da marca WS Energia, instalado no Laboratrio

Solar do Centro de Sistemas Sustentveis de Energia da FCUL. Este sistema foi instalado no ms de

outubro de 2012, mas no se encontrava a funcionar devido a vrios problemas.

Este sistema era inicialmente composto por uma string de 6 mdulos ligados em paralelo como

mostra a Figura 4.1-A. Cada mdulo possui uma potncia nominal de 210 Wp, resultando numa

potncia total instalada de 1260Wp. Possui dois atuadores lineares responsveis pelo seguimento

solar e que so controlados por uma placa de circuitos eletrnicos criada pela WS Energia [35].

4.1.1 Mdulos fotovoltaicos

As clulas solares SANYO HIT que constituem os mdulos do sistema so produzidas a partir de

wafers muito finos de silcio monocristalino, que esto entre camadas de silcio amorfo ultra finos.

Esta configurao confere um bom desempenho a estas clulas, com eficincias na ordem dos 19 %.

Os mdulos constituintes do sistema, do modelo HIP-210NKHE1, possuem as caratersticas

apresentadas na Tabela 4.1 [35].

Tabela 4.1. Caratersticas dos mdulos fotovoltaicos do sistema [35].

Potncia mxima (Wp) PMAX 210

Tenso MPP (V) VMPP 41.3

Corrente MPP (A) IMPP 5.09

Tenso de Circuito Aberto (V) VOC 50.9

Corrente de Curto-Circuito (A) ISC 5.57

Eficincia (%) 16.7

rea do Mdulo (m2) A 1.26

Tecnologia - Monocristalino

4.1.2 Atuadores lineares

O seguimento solar realizado atravs de dois atuadores lineares, um para cada eixo, afixados na

estrutura que contm os mdulos fotovoltaicos, ilustrado na Figura 4.1-B. Para o eixo horizontal,

responsvel pelo seguimento azimutal, o atuador possui uma capacidade de extenso de cerca de 90

cm e para o eixo vertical, responsvel pela variao da elevao, conta-se com um atuador com uma

extenso total de 61 cm. Os dois actuadores so compostos por motores DC, que podem ser

alimentados numa gama de tenses entre os 20 e os 36V e possuem um consumo mximo de corrente

de aproximadamente 2A [37].

Os atuadores possuem um sistema de rodas dentadas no seu interior, responsveis pela

desmultiplicao do movimento rotacional dos motores e pela transformao no movimento linear

do brao do atuador, atravs de parafusos sem fim.

Estes braos mecnicos possuem ainda no interior um circuito constituido por dois interruptores de

fim de curso, um para cada extremo do atuador, de forma a garantir a segurana do sistema. Este

circuito, ilustrado na Figura 4.2, est montado numa placa que serve de tampa para o sistema de

transmisso mencionado anteriormente. Existe ainda uma pequena pea montada num parafuso sem



fim, responsvel pela ativao dos interruptores de fim de curso e ainda uma pequena roda dentada,

instalada nesse mesmo parafuso, que roda quando o veio do atuador entra em movimento, fazendo

mover a pea linearmente, at entrar em contacto com os interruptores. Mas como se pode ver no

h ligao entre o veio do brao mecnico e o parafuso sem fim, pelo que este nunca entra em

movimento, fazendo com que os interruptores nunca sejam ativados. Isso constitui um problema que

pode pr em causa a segurana do sistema dado que a no ativao dos interruptores de fim de curso

no permite conhecer os limites de extenso mximos dos braos mecnicos, fazendo com que os

motores estejam sempre em esforo quanto se atinge os pontos extremos e consumam muita energia

de forma desnecessria.

Pela Figura 4.2 pode-se ainda constatar a existncia de um pequeno sensor instalado prximo do veio

do brao mecnico. Este sensor, denominado de Reed Switch, funciona como um interruptor que

ativado magneticamente por aproximao de um man. Este mecanismo permite conhecer a posio

atual do brao mecnico, atravs da contagem de pulsos ou sinais emitidos pelo sensor. Tambm se

verifica que no se encontra instalado nenhum man na extremidade do veio do brao mecnico, logo

o sensor nunca ativado. Assim sendo, no h forma de conhecer a posico do brao mecnico num

dado instante, o que constitui um constrangimento para o sistema.

Figura 4.1. A- Sistema de seguimento solar de dois eixos; B-Atuadores lineares responsveis pelo seguimento.

Figura 4.2. Interruptores de fim de curso e outros componentes instalados no atuador.



4.1.3 Sistema de controlo robtico

O sistema de controlo robtico o SunGravityControl, densenvolvido pela WS Energia, ilustrado na

Figura 4.3. Consiste numa placa de controlo e posicionamento dos atuadores lineares, de acordo com

a posio do Sol. Utiliza um relogio interno e as coordenadas locais e conta ainda com um

acelermetro e um sensor de gravidade. Possui uma atena de comunicao GSM e ainda vrias

portas de comunicao, onde podem ser ligados sensores de leitura da velocidade do vento,

temperatura e radiao. Possui tambm um banco de condensadores para a alimentao dos motores

e de outras componentes existentes na placa, caso falte energia da rede eltrica [35].

Figura 4.3. Caixa de controlo SunGravity utilizada pela WS Energia.

4.1.4 Inversor

O sistema inclui um inversor da marca SMA Sunny Boy, modelo SB 1100 LV, ilustrado na Figura

4.4. Este inversor est otimizado para baixas tenses de entrada (entre 21 e 60 V), pode receber

correntes mximas na ordem dos 60 A e a potncia mxima de entrada tem o valor de 1240 W. Como

output, a mxima potncia de 1100 W e 5A de corrente, sendo a sua eficincia de cerca de 92%.

Possui um sistema de diagnstico e comunicao via radio ou internet, onde se pode examinar o

comportamento e receber dados de produo do sistema instalado [38].

Figura 4.4. Inversor Sunny Boy utilizado no sistema.



4.1.5 Sistema de Comunicao

O inversor do sistema est ligado a uma plataforma de comunicao, a Sunny WebBox, ilustrado na

Figura 4.5, para onde envia dados do sistema. Este est ligado a um router, sendo assim possvel

aceder aos dados numa plataforma online.

Figura 4.5. Sunny WebBox.

A plataforma online permite consultar dados como a potncia instantnea do sistema, a energia

produzida durante um determinado dia, a receita gerada dessa mesma produo, as emisses de CO2

evitadas, a tenso de entrada no inversor, o rendimento instantneo, o estado da comunicao, ente

outros aspetos, sendo assim possvel monitorizar remotamente o sistema em cada instante. Mostra

ainda os grficos de produo dos dias em que o sistema est ligado, podendo assim comparar dados

dirios, mensais ou anuais. Na Figura 4.6 ilustra-se um exemplo de como parte da informao

disponibilizada.

Figura 4.6. Informaes disponibilizadas pelo sistema de comunicao e envio de dados.

4.1.6 Esquema eltrico da instalao

O sistema de seguimento em estudo neste projeto est ligado a outros dois sistemas existentes no

local. Como se ilustra na Figura 4.7, existe um sistema de seguimento de baixa concentrao

denominada de DoubleSun, com uma potncia instalada total instalada de 570W, constitudo por trs

mdulos de 190W cada, ligados em srie. Existe ainda o sistema convencional fixo, com uma

potncia instalada de 630W, proveniente de trs mdulos de 210W, tambm ligados em srie. Cada

um destes sistemas possui um inversor individual e uma caixa de proteo com disjuntores de 20A e



interruptores de 25A. Mais a frente, estes trs sistemas juntam-se numa outra caixa, que est ligado

a um contador de energia eltrica e esta por sua vez, est ligada a um ramal da rede eltrica,

permitindo aos responsveis do Campus monitorizar a energia produzida. Existe ainda um contador

ligado ao ramal, utilizado para a monitorizao da energia, por parte dos responsveis da rede eltrica

[35].

Figura 4.7. Esquema eltrico da instalao [35].

4.2 Implementao da soluo alternativa

Como descrito anteriormente, o sistema instalado possui alguns problemas que impossibilitam o seu

funcionamento da forma mais correta. Como principais problemas sublinha-se a ausncia de sensores

acoplados ao sistema de controlo robtico, a ausncia de ligao ou ativao dos interruptores de fim

de curso dos atuadores lineares e dos sensores magnticos, sendo desta forma impossvel conhecer a

posio dos braos mecnicos num dado instante.

Pretende-se implementar um novo sistema de controlo de seguimento, de forma a melhorar o

funcionamento do equipamento. Ser implementado um novo algoritmo de seguimento solar,

recorrendo a uma plataforma de prototipagem eletrnica, o Arduno. Este equipamento, para alm de

constituir uma soluo extremamente econmica, permite, com auxlio de outros componentes,

controlar e testar diversos parmetros do sistema de seguimento.

Aps a instalao do sistema de controlo implementado, realiza-se uma campanha de obteno dos

dados relevantes para a avaliao do desempenho do sistema, tais como os ngulos medidos nos

eixos, a produo e o consumo de energia eltrica, de forma a poder validar a metodologia utilizada.

4.2.1 Sistema de Controlo

Para a realizao do seguimento, necessrio ter em conta vrios componentes, que em

funcionamento conjunto, permitem alcanar esse objetivo. O sistema que se pretende desenvolver

constitudo por seis partes principais, como se ilustra na Figura 4.8.



Figura 4.8. Sistema de controlo do seguimento.

Como principal componente tem-se um microcontrolador, neste caso o Arduno, que contm o

algoritmo responsvel pelo controlo dos outros componentes do seguimento. Este recebe dados de

input de sensores de luminosidade, realiza os clculos necessrios para determinar a posio do Sol

num dado instante e com isto, atua no circuito de controlo dos motores dos atuadores lineares, de

onde possvel tambm receber dados de posicionamento. Realiza ainda a leitura dos ngulos de

cada eixo, a partir de um acelermetro digital. De referir ainda que necessrio um dispositivo de

aquisio de dados, pelo que o sistema conta ainda com um datalogger prprio para o efeito.

Em seguida, ser dada a conhecer de forma detalhada, cada componente deste sistema, o seu

funcionamento e a forma como os vrios componentes se interligam entre si.

4.2.2 Microcontroladores

Os microcontroladores so pequenos computadores integrados em chips que contm um processador,

perifricos programveis de entrada e sada e memria interna. Integram na sua estrutura

componentes como memria de leitura e escrita para armazenamento de dados e programas,

conversores analgico/digital e digital/analgico, entre outros elementos. Encontram-se

normalmente incorporados em outros dispositivos, utilizados para controlos diversos, como a

automao, controlo de perifricos, motores, sistemas de vigilncia, entre outras aplicaes. So

geralmente programadas atravs de computadores, de onde se faz a transferncia de dados e funes

para o microcontrolador [39].

Para o projeto em questo, optou-se por utilizar o Arduno como elemento de controlo do sistema

dado que o objetivo que o projeto seja simples, funcional e financeiramente vivel, o que o torna

ideal para o mesmo.

Arduno Uno

O Arduno Uno, representada na Figura 4.9, uma plataforma de prototipagem eletrnica baseada

no microcontrolador ATmega328. Este dispositivo contm as caratersticas especificadas na Tabela

4.2 [40].

Figura 4.9. Arduno UNO [40].



O Arduno pode ser alimentado diretamente de um computador, atravs da porta USB existente ou

atravs de alimentao externa, dado que possui reguladores de tenso de 3.3V e 5V. As portas

digitais comunicam a 8 bits e so utilizadas tanto como entrada como sada enquanto que as portas

analgicas comunicam a 10 bits, sendo usadas apenas como entrada ou leitura de componentes

analgicos. Este microcontrolador possibilita facilidades de comunicao com um computador, com

outras placas idnticas e com microcontroladores diferentes, atravs de comunicao srie pela porta

USB e estabelece ainda comunicao pelos protocolos I2C e SPI [40].

Tabela 4.2. Caratersticas do Arduno UNO [40].

Microcontrolador ATmega328P

Tenso de operao 5V

Tenso de entrada 7-12V

Pinos digitais (I/O) 14

Pinos analgicos (I) 6

Pinos PWM digitais (I/O) 6

Corrente DC mxima 50mA

Velocidade de relgio 16 MHz

Memria

32 KB (Flash)

2 KB (SRAM)

1 KB (EEPROM)

A programao do Arduno feita atravs de um

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