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Universidade Federal de Minas GeraisEscola de Engenharia

Curso de Graduação em Engenharia de Controle e Automação

Desenvolvimento de um sistema de rastreamentosolar para placas fotovoltaicas de pequeno porte

Artur Costa Passos

Orientador: Prof. Dr. Víctor Costa da Silva Campos

Belo Horizonte, Novembro de 2019

Monografia

Desenvolvimento de um sistema de rastreamento solar para placasfotovoltaicas de pequeno porte

Monografia submetida à banca examinadora designada pelo Colegiado Di-dático do Curso de Graduação em Engenharia de Controle e Automaçãoda Universidade Federal de Minas Gerais, como parte dos requisitos paraaprovação na disciplina Projeto Final de Curso II.

Belo Horizonte, Novembro de 2019

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Resumo

Este projeto tem como objetivo mostrar o passo a passo, bem como os materiaisutilizados no desenvolvimento de uma estrutura (rastreador), que tem o propósito deaumentar a quantidade de energia solar, convertida em energia elétrica, por meio deuma placa fotovoltaica. A metodologia de rastreio, baseia se no uso de resistoresdependentes de luz (LDRs). As estruturas criadas e os esquemáticos das placas decircuito impresso desenvolvidos neste projeto, são apresentados e explicados no texto.Os resultados da quantidade de energia convertida com o rastreador versus quantidadede energia convertida com a placa fixa são apresentados e discutidos no final do texto.

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Abstract

This project aims to show all the steps, as well as the materials used in the deve-lopment of a structure (tracker), which has the purpose of to increasing the amountof solar energy converted into electrical energy, by means of a photovoltaic plate. Thescreening methodology is based on the use of light dependent resistors(LDRs). Thebuilt structures and schematics of printed circuit boards developed in this project, arepresented and explained in the text. The results of the amount of energy converted withthe tracker versus the amount of energy converted with the fixed plate are presentedand discussed at the end of the text.

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Agradecimentos

A Deus por ter me abençoado nesta caminhada, dado saúde e força para superaras dificuldades.

Aos meus pais, pelo amor e incentivo. Por terem me apoiado sempre e ajudado a en-frentar as diversas dificuldades que apareceram ao longo desta jornada. Aos familiarese amigos por toda ajuda, incentivo e motivação.

Ao Prof. Dr. Victor pelos conselhos, instruções e apoio na realização deste projeto.À UFMG e seu corpo docente por todo o conhecimento e aprendizado comparti-

lhado.

Sumário

Resumo i

Abstract iii

Agradecimentos v

Lista de Figuras x

1 Introdução 11.1 Motivação e Justificativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Objetivos do Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Local de Realização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4 Estrutura da Monografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 Base Teórica 52.1 O Sol como fonte energética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1.1 Energia Solar Fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1.2 Energia Solar Térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.1.3 Energia Solar Heliotérmica, termossolar ou solar concentrada . . 6

2.2 Posição do Sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2.1 Altura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2.2 Azimute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2.3 Zenite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.3 O aproveitamento da energia solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3.1 Direto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3.2 Indireto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3.3 Sistemas Passivos e Sistemas Ativos . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.4 Efeito fotovoltaico e seu aproveitamento . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.5 Revisão da Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.6 Resumo do Capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3 Metodologia 133.1 Protótipo de rastreamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.2 Estrutura Final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.3 Instrumentação do Processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.3.1 Alimentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

vii

viii SUMÁRIO

3.3.2 Sensoriamento e Dispositivos de Controle . . . . . . . . . . . . . 183.3.3 Atuação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.4 Controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.5 Softwares Utilizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.5.1 Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.5.2 Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.5.3 AutoCad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.5.4 CorelDRAW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.5.5 Eagle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.5.6 Fusion 360 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.5.7 MatLab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.6 Desenvolvimento da Placa com o circuito lógico impresso . . . . . . . . 23

4 Resultados 294.1 Teste em sala escura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.2 A placa fixa e a placa com o rastreador . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.2.1 Placa fixa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.2.2 Placa com rastreamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324.2.3 Análise de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

5 Conclusões 395.1 Considerações Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415.2 Propostas de Continuidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

Referências Bibliográficas 43

A Códigos implementados 45A.1 Código para Controle - Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45A.2 Código para leitura e escrita dos dados - Processing . . . . . . . . . . . 47A.3 Código para análise dos dados - MatLab . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

B Esquemático e circuito lógico da placa 49

C Dados coletados 53

Lista de Figuras

2.1 Representação de azimute e altura. Fonte: [1] . . . . . . . . . . . . . . 72.2 Representação de um semicondutor PN evidenciando a junção PN adap-

tado de [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.3 Malha de controle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.1 Esquemático da estrutura mecânica de rastreio . . . . . . . . . . . . . . 143.2 Protótipo da estrutura de rastreio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.3 Protótipo do novo eixo proposto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.4 Protótipo do novo topo proposto para rastreio e suporte da placa foto-

voltaica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.5 Protótipo do novo suporte de eixo proposto . . . . . . . . . . . . . . . 163.6 Protótipo da nova base proposta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.7 Protótipo Finalizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.8 Protótipo Finalizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.9 Disposição dos LDRs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.10 Ponte de Wheatstone com o par de LDR para cada conjunto . . . . . . 203.11 Lugar das raízes em malha aberta do sistema da equação 3.4 . . . . . . 223.12 Segunda placa criada para este projeto. As abreviações Az e Al se refe-

rem aos dispositivos referentes ao controle de azimute e altura respecti-vamente. Desta forma LDR AZ1 e LDR AZ2 são os LDRs para leituraazimutal, LDR AL1 e LDR AL2 são os LDRs para leitura horizontal.M-AL são os pinos do motor de movimentação de altura e M-AZ sãoos pinos do motor de movimentação de azimute. E, por fim, <->AZse refere ao amplificador de instrumentação atuando no controle de azi-mute e <->AL se refere ao amplificador de instrumentação atuando nocontrole de altura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.13 Placa após a adaptação para acoplar a placa secundária . . . . . . . . . 273.14 Placa secundária para medir a tensão na saída das placas fotovoltaicas 283.15 Resultado da acoplagem das placas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.1 Estrutura Posicionada para coleta de dados - Placa fixa . . . . . . . . . 304.2 Estrutura Posicionada para coleta de dados - Placa fixa . . . . . . . . . 314.3 Estrutura Posicionada para coleta de dados - Placa com Rastreador . . 324.4 Estrutura Posicionada para coleta de dados - Placa com Rastreador . . 33

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x LISTA DE FIGURAS

4.5 Comparação entre as diferenças de potencial baseada nos dados colhi-dos nos dias 13 e 14 de Novembro. O eixo das abcissas mostra a horada amostra e o eixo das ordenadas mostra o valor total da DDP nosterminais da placa fotovoltaica naquele instante. . . . . . . . . . . . . . 35

4.6 Comparação entre as diferenças de potencial baseada nos dados colhi-dos nos dias 16 e 17 de Novembro. O eixo das abcissas mostra a horada amostra e o eixo das ordenadas mostra o valor total da DDP nosterminais da placa fotovoltaica naquele instante. . . . . . . . . . . . . . 36

5.1 Deformação causada na estrutura devido a exposição ao Sol. . . . . . . 405.2 Deformação causada na estrutura devido a exposição ao Sol. Como é

possível notar, como o lado que o motor fica preso ao suporte tem umpeso maior, com a exposição, a estrutura ficou deformada neste ponto. 40

A.1 Código implementado no Arduino. Os trechos "newval1 += 3.75;"e"newval2 -= 0.25"são os fatores de correção citados no penúltimo pará-grafo da seção 3.6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

A.2 Código implementado no Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47A.3 Código implementado no MatLab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

B.1 Esquemático da segunda placa criada para este projeto. . . . . . . . . . 49B.2 Componentes do esquemático da segunda placa criada para este projeto. 50B.3 Circuito da placa criada. Os LRDs estão enumerados como 1 e 11, 2 e 22,

3 e 33, 4 e 44 correspondendo aos terminais de ligação. Os pinos iniciadospor M1 fazem referência aos terminais de ligação do servo motor 1 e M2fazem referência aos terminais de ligação do servo motor 2. Os Pinosidentificados por A0, A1, A2, D8, D9 e os terminados por ARD, sãoterminais para ligação com os pinos do Arduino NANO. . . . . . . . . . 51

B.4 Esquemático da placa para coleta e redução da tensão produzida pelasplacas fotovoltaicas. Os resistores R1, R2, R3, R4, R5 e R6 têm valornominal de 10kΩ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

C.1 Primeira parte dos dados utilizados nas análises de desempenho . . . . 53C.2 Segunda parte dos dados utilizados nas análises de desempenho . . . . 54C.3 Terceira parte dos dados utilizados nas análises de desempenho . . . . . 55

Capítulo 1

Introdução

A sociedade moderna tem seu padrão de vida suportado por meio da utilização diretade energia proveniente das mais diversas fontes energéticas. Com os avanços tecnoló-gicos e com a busca por melhor qualidade de vida o consumo de energia tem crescidoprogressivamente.

Dentre as fontes energéticas, tem-se aquelas que são ditas renováveis e as não reno-váveis. No mundo inteiro, é crescente e notória a busca por fontes de energia renováveis,como por exemplo, usinas hidroelétricas, fotovoltaicas, eólicas, etc [3]. Apesar disso,nem sempre é possível manter o padrão de vida da sociedade moderna extraindo energiaapenas de fontes renováveis, isso porque, o investimento inicial para utilização dessasfontes, ainda não é tão atrativo [4].

Entretanto, com o desenvolvimento tecnológico, tem ocorrido uma diminuição pe-quena, mas aparentemente gradativa dos custos para implantação de sistemas paracaptar energia solar e isso tem incentivado a busca por este recurso no Brasil. Alémdisso, tem-se observado uma crescente e contínua onda de investimentos e leilões emáreas energéticas, que promovem e fomentam a busca por energias limpas e renováveis,entre elas, a fotovoltaica. O Ministério de Minas e Energia (MME), a Câmara de Co-mercialização de Energia Elétrica (CCEE) e a Agência Nacional de Energia Elétrica(ANEEL) são exemplos de Instituições que estimulam e induzem fortemente esta buscapelas fontes de energia renováveis [5] [6]. Esse fomento, propicia um cenário a cada diamais expansivo em relação à pesquisa e desenvolvimento de tecnologias ligadas à área.

1.1 Motivação e Justificativa

Tem se tornado comum desastres ambientais que decorreram de atividades de geraçãoe manuseio da energia, conforme noticiado nas mídias. Como é impossível a sociedademoderna e globalizada viver sem alguma fonte ou forma de energia, este setor movi-menta uma expressiva quantidade de dinheiro. Com isso, essa atividade econômicaquando desenvolvida de forma desequilibrada, tem causado problemas e conflitos soci-ais, tecnológicos, ambientais e econômicos, dentre outros, no âmbito interno e externodos países. [7] [8].

O desenvolvimento e crescimento de grandes centros urbanos, tornou-se necessárioo investimento em novas tecnologias, que sejam mais eficientes energeticamente. Prin-

1

2 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO

cipalmente em relação aos sistemas de energias renováveis, visto que, as energias nãorenováveis são fontes finitas.

O Brasil é um país de território continental, localizado abaixo da linha do equador,com clima tropical e abundância de luz e calor e recebe energia solar em grande escala,praticamente o ano todo [9]. Isso o coloca em situação privilegiada frente aos demaispaíses, que mesmo com avanços tecnológicos encontram-se em desvantagens climáticas,para uso de energias de fontes renováveis e naturais.

Segundo a ANEEL, “A maior parte do território brasileiro está localizada relativa-mente próxima da linha do Equador, de forma que não se observam grandes variaçõesna duração solar do dia. Contudo, a maioria da população brasileira e das atividadessocioeconômicas do país se concentram em regiões mais distantes do Equador. EmPorto Alegre, capital brasileira mais meridional (cerca de 30 S), a duração solar dodia varia de 10 horas e 13 minutos a 13 horas e 47 minutos” [9]. Além disso, ainda combase em dados coletados da ANEEL, a duração média do dia durante um ano, é apro-ximadamente 12 horas e 15 minutos (para a localização da cidade de Belo Horizonte,19 55’14” S, 43 56’16”O, onde foi realizado este trabalho).

Atualmente, a utilização de painéis solares é relativamente comum no país. Alémdisso, seu uso tem se popularizado cada vez mais, especialmente por estar mais acessi-vel ao consumidor, com a maior oferta no mercado, o custo da tecnologia vem decres-cendo. No entanto, o uso de painéis articulados ainda é modesto frente ao potencialde utilização em aberto. Trabalhos como [10] e [11] comprovam a eficiência de painéisarticulados com diferentes graus de liberdade em comparação aos convencionais painéisfixos. Fatores como a efetiva disponibilidade dos painéis existentes e já desenvolvidos,a acessibilidade e baixo custo econômico no investimento, além de ser uma fonte deenergia renovável e limpa, fazem da energia solar uma excelente concorrente às energiasgeradas por fontes convencionais.

1.2 Objetivos do Projeto

Desenvolver um sistema de rastreamento solar, que possa ser acoplado às placas fotovol-taicas de forma a otimizar e melhorar o reaproveitamento de energia solar se comparadoà energia aproveitada por um painel fixo convencional.

1.3 Local de Realização

Este Projeto de Fim de Curso foi realizado no Departamento de Engenharia Eletrônicada UFMG, no Laboratório MACSIN (Modelagem, Análise e Controle de Sistemas Não-Lineares). A Escola de Engenharia pertence ao campus Pampulha da UFMG localizadona Av. Pres. Antônio Carlos, 6627 - Pampulha, Belo Horizonte - MG, 31270-901. Partedos materiais utilizados neste projeto foram cedidos pelo laboratório e pelo professororientador e parte foram adquiridas pelo discente.

1.4. ESTRUTURA DA MONOGRAFIA 3

1.4 Estrutura da Monografia

Esta monografia está dividida em cinco capítulos. Neste capítulo inicial foram apre-sentadas as informações introdutórias do trabalho. No segundo capítulo é apresentadauma base teórica a respeito do aproveitamento da energia solar e uma revisão da biblio-grafia, evidenciando trabalhos que desenvolveram e propuseram métodos de rastreio doSol. No terceiro capítulo é descrita a metologia adotada neste projeto, são apresentadosos protótipos e placas de circuito impresso desenvolvidas e são explicados, de formamais detalhada, os procedimentos, materiais e softwares utilizados. No quarto capítulosão tratados os resultados obtidos com a estrutura final desenvolvida e descrita nestamonografia. No quinto capítulo é apresentada a conclusão a respeito dos resultados esão abordadas as sugestões e dificuldades enfrentadas ao longo do projeto.

4 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO

Capítulo 2

Base Teórica

2.1 O Sol como fonte energética

O Sol é uma fonte massiva de energia, que tem como base, uma produção energéticafundamenada em sucessivas reações de fusão nuclear. Conforme explica [12], a cadasegundo, aproximadamente 6x1011 kg de Hidrogênio (H2) são convertidos em Hélio(He), liberando neste processo cerca de 4x1020 J de energia. Além disso, [12] demonstraque o tempo de vida útil do Sol é de no mínimo 10 bilhões de anos, tempo suficientepara indicar que o Sol é uma fonte inesgotável de energia, e o mais importante, umaenergia que não pode ser controlada/limitada por economias e/ou governos.

Segundo dados da Agência Internacional de Energia (International Energy Agency- IEA) em [13], em 2017 a demanda de energia elétrica no mundo foi de 21372 TWhr.Segundo [12] cerca de 1,531x109 TWhr de energia solar são interceptados pela Terra.Sendo assim, a Terra recebe uma energia apenas proveniente do Sol, equivalente a71635 vezes o que ela consome. Entretanto, ainda não existem painéis fotovoltaicoscom taxas de conversão de 100%. Logo, considerando painéis de alto desempenho quealcançam marcas de 30% de conversão [14], chegamos à marca de limite de energiasolar convertida de 4,59x108 TWhr resultando em uma conversão limite de 21490 vezesa energia elétrica consumida pela Terra em TWhr. Desta forma a energia provenientedo Sol se mostra uma excelente fonte de energia limpa. É claro que não é possívelcobrir toda a superfície iluminada pelo Sol, mas estes números mostram que é possíveldiminuir o consumo de combustíveis fósseis, o que ocorrerá quando realmente houverinteresse e financiamento para isso.

A energia proveniente do Sol pode ser aproveitada de diferentes formas, isso implicaque, não necessariamente, a única forma de aproveitar o Sol é a conversão direta deincidência de luz em energia elétrica. A seguir serão apresentadas as formas mais usuaisde conversão da energia solar.

2.1.1 Energia Solar Fotovoltaica

É a energia elétrica produzida a partir da luz solar, que pode ser produzida todos os diasindependente da condição do tempo, mas com o efeito de que uma maior quantidadede radiação solar incidente na placa, acarretará uma maior quantidade de eletricidade

5

6 CAPÍTULO 2. BASE TEÓRICA

produzida.As células utilizadas para a conversão são geralmente encontradas agrupadas em

painéis maiores, visto que, desta forma, consegue-se produzir uma quantidade maiorde energia.

2.1.2 Energia Solar Térmica

É a energia térmica produzida a partir de incidência de luz solar. É comumente uti-lizada em locais que necessitam de um sistema de aquecimento. A incidência da luzaquece os painéis solares térmicos (chamados também de coletores solares) que trans-ferem o calor para um fluido (que são fluidos com alta capacidade térmica, como porexemplo, água misturada com algum composto anticongelante para evitar danos aosequipamentos durante o inverno) que circula por dentro deles. Este fluido aquecidoserá utilizado posteriormente na necessidade do aquecimento. É um sistema que nor-malmente é encontrado em residências para esquentar a água para chuveiros e piscinas.Além de outras aplicações, também podem ser utilizados para esquentar óleo em am-bientes industriais, por exemplo.

2.1.3 Energia Solar Heliotérmica, termossolar ou solar concen-trada

Esta forma de energia consiste em concentrar a incidência de radiação solar em umponto central (receptor), geralmente localizado no topo de uma torre. A geração helio-térmica acontece de forma indireta: a concentração de raios é responsável por aquecerum fluido, chamado Fluido Térmico, que passa pelo receptor. Este fluido aquecido seráresponsável por gerar vapor de água em uma usina termoelétrica. Este vapor movi-menta uma turbina e aciona um gerador. Daí se tem a produção de energia elétrica.

O líquido resfriado retorna ao receptor para ser aquecido novamente e recomeçar oprocesso. Esta seria a melhor forma de aproveitamento da energia solar, se não fossepelos altos custos de implantação, sendo utilizada apenas em grandes instalações.

2.2 Posição do Sol

Para determinar a posição de qualquer astro celeste, neste caso, o Sol, é necessárioutilizar como base um sistema de coordenadas. Para este fim, será utilizado o Sistemade Coordenadas Horizontal. Este sistema não se preocupa com a distância real doastro, apenas a posição relativa em ângulos é levada em consideração. Por se tratar deum sistema local, as referências dos ângulos precisam estar relacionadas a um pontofixo ou a um local. Para os fins deste trabalho e relacionado ao Sistema de CoordenadasHorizontal, vamos definir o ângulo de altura e o ângulo de azimute.

2.2.1 Altura

O ângulo de altura é o ângulo medido sobre o círculo vertical do astro com origem nohorizonte. A altura varia entre 0 e +90.

2.2. POSIÇÃO DO SOL 7

2.2.2 Azimute

O ângulo de azimute é o ângulo medido sobre o horizonte, com origem no Norte geo-gráfico e extremidade no círculo vertical do astro, no sentido horário. O azimute variaentre 0 e 360.

2.2.3 Zenite

Zenite é um terceiro ângulo utilizado no Sistema de Coordenadas Horizontal. Zenite éo complemento do ângulo de altura de forma que o ângulo de altura somado ao ângulozenital deve resultar em +90.

A figura 2.1 mostra a relação dos ângulos de azimute e altura de um astro para umponto fixo na Terra.

Figura 2.1: Representação de azimute e altura. Fonte: [1]

É importante ressaltar que, na prática, pode-se considerar o ângulo de altura doSol variando apenas de 0 a 90 quando o ângulo de azimute varia de 0 a 180. Sendoque, para o par [altura,azimute], [0,0] corresponderia ao horário de nascer do Sol,[90,90] correspondendo ao meio dia solar e [0,180] correspondendo ao pôr do Sol.De qualquer forma, preferiu-se escolher um par de ângulos que cobrisse todo o semi-círculo mostrado na figura 2.1. Por motivos de limitação dos equipamentos utilizados,não foi possível fazer o ângulo azimutal variar de 0 a 360, para tanto, foi feito a alturavariar de 0 a 180 e o azimute também de 0 a 180. Desta forma, consegue-se cobrir amesma área mostrada na figura 2.1.


2.3 O aproveitamento da energia solar

A energia solar pode ser aproveitada de diversas formas e com inúmeras tecnologiasauxiliando este processo. Os métodos de captura da energia solar são classificadoscomo Diretos ou Indiretos, Ativos ou Passivos.

2.3.1 Direto

A captura de energia de forma direta consiste em métodos que necessitam apenas deuma etapa para converter a energia proveniente do Sol em uma energia que possa serutilizada pelo homem, como por exemplo a energia fotovoltaica, onde o Sol incidentena placa fotovoltaica gera uma diferença de potencial (DDP) que pode ser usada paradiversos fins.

2.3.2 Indireto

Por outro lado, a captura de energia de forma indireta consiste em métodos que ne-cessitam de duas ou mais etapas para converter a energia proveniente do Sol em umaenergia que possa ser utilizada pelo homem. Um exemplo deste método é a energiaheliotérmica, onde a energia é concentrada em um ponto central por meio de espelhos,aquece um fluido que transfere o calor para um reservatório de água para gerar vaporque, por fim, alimentará uma turbina para gerar energia elétrica.

2.3.3 Sistemas Passivos e Sistemas Ativos

Os sistemas passivos são aqueles que costumeiramente usam de métodos diretos parautilização de energia solar, como por exemplo, estufas que aproveitam diretamente aenergia térmica do Sol.

Já os sistemas ativos utilizam de uma atuação indireta para possibilitar ou otimizaro sistema de captura e utilização de energia solar. Esta atuação indireta pode serde sistemas eletrônicos ou mecânicos, como por exemplo, utilização de bombas paracirculação de água ou um fluido em um sistema de absorção de energia térmica.

2.4 Efeito fotovoltaico e seu aproveitamento

Alguns dos materiais mais utilizados hoje em dia são os chamados semicondutores.Estes materiais têm características, simultaneamente, de materiais condutores e demateriais isolantes (não-condutores). O semicondutor mais utilizado atualmente é osilício. [2]

Quando se adiciona impurezas a estes semicondutores, consegue-se produzir se-micondutores do tipo N (onde a impureza adicionada fornece elétrons excedentes) ouproduzir-se-á um semicondutor do tipo P (onde a impureza adicionada cria lacunas comausência de elétrons). Estas impurezas podem ser por exemplo, o Boro para produçãode semicondutores do tipo P e o Fósforo para semicondutores do tipo N.

2.5. REVISÃO DA LITERATURA 9

Quando se junta um semicondutor tipo P e um semicondutor tipo N, produz sea chamada junção PN. Nesta junção, existe a facilitação para um fluxo de elétrons(corrente elétrica) em apenas um sentido, e está mesma facilitação é inexistente, ouimpossível de acontecer naturalmente no sentido oposto. Deste modo, para o semi-condutor atuar como um condutor, é necessário que a energia acumulada na junçãoseja maior que a quantidade de energia necessária para que o elétron efetue a transiçãode um lado para o outro. Esta “quantidade de energia necessária” é chamada gap deenergia que é próximo de 1.1 elétron-volts (1.1 eVs). [2] e [15]

Figura 2.2: Representação de um semicondutor PN evidenciando a junção PN adaptadode [2]

Quando uma junção PN como a mostrada na figura 2.2 é exposta a fótons comenergia maior que o gap, as cargas são aceleradas, o que dá origem a uma correnteatravés da junção. Este deslocamento de cargas gera uma diferença de potencial, que éa definição de Efeito Fotovoltaico. Se forem conectados fios às extremidades das placasde silício obter-se-a uma corrente elétrica, que é o fenômeno que rege o funcionamentodas células fotovoltaicas.

Partindo destes princípios, é notável que, expondo uma placa com uma composiçãode algumas células fotovoltaicas ao Sol, uma certa quantidade de energia será convertidaem energia elétrica para futuramente ser aproveitada em outras finalidades.

2.5 Revisão da Literatura

Nos últimos anos, a necessidade de tecnologias que melhorem a eficiência de sistemasde captação de energias de fontes renováveis vem crescendo cada vez mais. Isto se dá,pois, o ser humano cada vez mais tem procurado substituir fontes poluentes por fontesnão poluentes e renováveis. Sendo assim, uma proposta de acoplar estruturas quepermitam movimentação de placas fotovoltaicas se mostram cada vez mais atrativas.Fazer com que um painel fotovoltaico possa se movimentar e, ainda mais, seguir o Solé um ponto forte para impulsionar o uso da energia solar, uma energia limpa.

Quando se pensa em seguir o Sol, há a possibilidade de seguir o Sol no eixo ver-tical, no eixo horizontal ou em ambos os eixos. Uma malha de controle que aborda


o problema em questão pode ser vista na figura 2.3. Seguindo a lógica desta ma-lha, inicialmente se lê os valores dos sensores (a ponte de Wheatstone com LDRs), omicrocontrolador (Arduíno) calcula o sinal de controle e envia o sinal para os atuado-res (servomotores). Sendo a posição relativa do servomotor e a posição do Sol comodistúrbio, respectivamente, Θr e α.

Além da estratégia com o uso de sensores, existem técnicas para rastreamento solarque utilizam análise de vídeo. Os autores de [16] utilizam um método onde um objetode sombreamento é posto ao centro de uma estrutura branca. Com a incidência daluz solar, cria-se uma sombra. A partir daí, por meio de técnicas de processamento deimagem, consegue-se aferir a posição do Sol de acordo com a posição e comprimento dasombra projetada. Já em [17], os autores utilizam um sensor ótico (OV7620) para fazero rastreamento. A imagem lida é analisada por um sistema que consegue distinguir ofoco da principal fonte de iluminação incidente. A partir daí, já tem-se determinadaa posição do Sol e com isso, basta fazer o controle dos motores a fim de alinhar aplaca fotovoltaica perpendicular ao Sol. Já os autores em [10] utilizam uma webcampara localizar a posição do Sol. A imagem colhida pela câmera é submetida à umprocessamento de imagem que limpa a imagem, converte a imagem para escala decinza, encontra contornos e por fim determina a posição do Sol. Uma vez determinada,basta alinhar a placa fotovoltaica perpendicular ao Sol.

Ainda que não exista determinação exata da posição do Sol, é possível calcular esimular sua trajetória por meio de um sistema de equações como pode ser visto em [18][19] e [20].

Existem diversos modos de se fazer articular e movimentar painéis fotovoltaicos.Entre eles, motores de passo podem ser acoplados à uma estrutura que permita movi-mentação, onde estes motores são controlados por um microcontrolador como explica[18]. Uma outra proposta é feita por [20] que utiliza motores de vidro elétricos au-tomotivos alimentados por uma bateria de 12 Volts e argumenta que estes motoressão autotravantes, assim, não seria necessário uma alimentação contínua para mantera posição do motor. De acordo com [19], com métodos de rastreio apenas do ânguloazimutal, é possível aumentar a coleta de energia em 20%.

Figura 2.3: Malha de controle.

A respeito do uso explícito de LDRs a fim de rastrear o Sol, [21] e [22] abordamdiferentes perspectivas do uso de LDRs para este fim. Ambos utilizam 4 LDRs e 2 ser-vos motores, e um dispositivo de sombreamento que se assemelha a uma cruz. Fazendoreferência ao sistema de quadrantes convencionais do plano cartesiano, [22] coloca um

2.6. RESUMO DO CAPÍTULO 11

LDR em cada quadrante, o que torna diferente do que é exposto neste trabalho emrelação ao método de rastreio e à programação do microcontrolador, que neste casoé um Arduino Mega. Em [23], um trabalho mais recente que estes citados anterior-mente, o autor faz uma distribuição de um LDR em cada quadrante do dispositivode sombreamento e faz a lógica de controle baseado em quais sensores estão ilumina-dos e quais estão em uma sombra. com uma boa metodologia o autor descreve todosos procedimentos feitos e apresenta resultados satisfatórios com esta metodologia. Emcontrapartida [21], utilizando um PIC 18f4550, propõe apenas um circuito onde entramtodos os 4 LDRs o que pode resultar numa precisão não tão boa quanto se deseja, vistoque a disposição é feita de forma que fique um LDR em cada quadrante sombreadopela estrutura de sombreamento.

Apesar das metodologias diferentes,[23], [21] e [22] explicam passo a passo da meto-dologia e implementação ao mesmo tempo que corroboram as especulações de aumentode coleta de energia com o sistema de rastreio acoplados. Apesar de [21] não fornecerdados percentuais explícitos para comparação, [22] alcança a marca de 37% de aumentona coleta de energia ao longo de um dia, e [23] conseguiu documentar um aumento de40,72%.

2.6 Resumo do Capítulo

Neste capítulo foram apresentados conceitos e informações importantes para compre-ender a motivação e justificativa citadas no capítulo anterior. Os conceitos geraisapresentados neste capítulo serão usados explicitamente e implicitamente ao longo dotexto e os conceitos referentes ao sistema de coordenadas por ângulos são a base docontrole implementado para este trabalho de tal forma que são fundamentais para oentendimento dos próximos capítulos.

Além disso, ainda foi feita uma revisão da literatura que compara outras soluçõese abordagens para o rastreamento solar a fim de aumentar a conversão de energia porplacas fotovoltaicas.

Capítulo 3

Metodologia

O desenvolvimento de um protótipo teve que levar em conta que o sistema necessitariade ter dois graus de liberdade (azimute e elevação/altura), além de ser uma estruturacapaz de ter os motores, sensores e a placa fotovoltaica acoplados.

O sistema de atuadores é composto por dois servomotores que são responsáveis pelamovimentação nos dois eixos.

O sistema de sensoriamento é composto basicamente por LDRs. Estes LDRs fazemo papel de realimentação da malha fornecendo uma diferença de resistência entre elesproporcional à posição do Sol em relação a cada um dos sensores de luz presentes noprotótipo.

3.1 Protótipo de rastreamento

Uma proposta para o problema inicial descrito na seção 2.5, consiste no desenvolvi-mento de um dispositivo de sombreamento acoplado à estruturas de fixação dos LDRse acoplado aos servomotores como é mostrado na figura 3.1, onde duas imagens supe-riores (a e b) mostram a estrutura de fixação à superfície e a acoplagem do servomotorpara ajuste da posição azimutal. As duas imagens inferiores (c e d) mostram a es-trutura de apoio para fixação dos LDRs e a acoplagem do servomotor para ajuste dealtura. Assim, dispondo de 4 LDRs como é mostrado em [21] porém desacoplando oscircuitos de sensoriamento da malha de controle de azimute e da malha de controle dealtura.

Com a realização deste protótipo, mostrado na figura 3.2, foi possível fazer a vali-dação da instrumentação de base adotada (3.3.1), da abordagem na forma de sensori-amento (3.3.2), da disposição do sistema de atuação (3.3.3) e do controlador proposto(3.4). Assim sendo, houve confiabilidade suficiente para replicar o projeto em tamanhomaior para acoplamento com a placa fotovoltaica.

13

14 CAPÍTULO 3. METODOLOGIA

Figura 3.1: Esquemático da estrutura mecânica de rastreio

Figura 3.2: Protótipo da estrutura de rastreio

3.2. ESTRUTURA FINAL 15

3.2 Estrutura Final

A estrutura final proposta consistiu em uma adaptação do protótipo explicado na seção3.1 para poder acoplar a placa fotovoltaica à estrutura. Fazendo um acoplamento destaforma, a estrutura trabalharia conforme desejado e com o material que já havia sidopostulado.

A ideia inicial foi utilizar as mesmas estruturas de suporte, reescaladas para podercomportar o peso da placa e dos demais objetos, e para se manter estável independen-temente do movimento relativo do protótipo naquele momento.

O suporte proposto é o produto da acoplagem das peças apresentadas nas figuras3.3 e 3.4, onde a peça mostrada na figura 3.3 é o eixo que se encaixa na base da peçamostrada na figura 3.4. A parte "cortada"da peça mostrada na figura 3.3 se deve aomaior espaço ocupado pelos servomotores de maior potência, que serão abordados maisa frente. Desta forma, o encaixe entre as peças mostradas nas figuras 3.3 e 3.4 se dáde forma mais direta. Por sua vez, este eixo (figura 3.3) se encaixa em um suporteadaptado do item c da figura 3.1, que é mostrado na figura 3.5. Este suporte é acopladoa base adaptada do item b da figura 3.1, mostrada na figura 3.6. O protótipo finalizado,já com a placa acoplada é mostrado nas figuras 3.7 e 3.8.

Figura 3.3: Protótipo do novo eixo proposto


Figura 3.4: Protótipo do novo topo proposto para rastreio e suporte da placa fotovol-taica

Figura 3.5: Protótipo do novo suporte de eixo proposto

3.2. ESTRUTURA FINAL 17

Figura 3.6: Protótipo da nova base proposta

Figura 3.7: Protótipo Finalizado


Figura 3.8: Protótipo Finalizado

3.3 Instrumentação do Processo

3.3.1 Alimentação

Para alimentação do sistema de instrumentação, foi utilizada uma fonte de 9V 0.2A. Afonte alimenta diretamente um divisor/regulador de tensão que fornece 5V contínuos,trabalhando assim como uma fonte de 5V. Este divisor/regulador alimenta um conjuntode amplificadores operacionais e alimenta um divisor de tensão que reduz a tensão para2.5V. A tensão de 2.5V é responsável por alimentar a referência dos amplificadores deinstrumentação e a referência do microcontrolador que serão detalhados mais a frente.Além disso, a tensão de 5V passa por um novo divisor de tensão que reduz a tensãopara um quarto ( 1.25V), esta tensão alimenta as pontes de Wheatstone que serãodetalhadas mais a frente. A escolha deste valor de tensão para alimentação das pontesfoi a fim de produzir um sinal de saída (das pontes de Wheatstone e entrada dosamplificadores de instrumentação) de baixa intensidade, diminuindo o ganho naturaldo sinal do processo.

3.3.2 Sensoriamento e Dispositivos de Controle

As vantagens do uso dos amplificadores de instrumentação ao invés de um conjuntode amplificadores operacionais para desempenharem a mesma função é a compacta-ção que a unidade traz ao projeto e principalmente o fato de que os amplificadoresoperacionais necessitariam de serem alimentados por uma fonte simétrica, enquanto osamplificadores de instrumentação não precisam desta fonte simétrica.

Conforme será abordado mais à frente, foram criadas mais de uma placa, pois,

3.3. INSTRUMENTAÇÃO DO PROCESSO 19

apesar de não haver componentes armazenadores de energia e considerando apenasa ausência de capacitores e indutores diretamente na placa, observou-se na primeiraversão da placa um efeito de carga quando se alimentava o circuito completo. Comalguns testes, pode-se verificar que a melhor alternativa para contornar este efeitoindesejado era ‘desacoplar’ o sistema colocando amplificadores operacionais, operandocom buffers, na saída dos divisores de tensão. Para tanto, foi utilizado um CircuitoIntegrado (CI) TL072 a fim de fornecer dois amplificadores operacionais necessários.

É importante citar também que, durante a etapa de desenvolvimento e testes como protótipo inicial (3.1), houve um problema que ocorria com certa frequência: rom-pimento de cabos. Como a estrutura necessita estar livre para se movimentar, cabosrígidos não são adequados para as ligações e por este motivo foram utilizados cabosmaleáveis. Entretanto, a utilização destes cabos sob as condições de movimentos rota-cionais, em diferentes direções, acabou resultando no seu rompimento. Para resolvereste problema, optou-se por fazer a utilização de um cabo ethernet (CAT5) com conec-tores RJ45 para fazer a ligação dos contatos dos LDRs aos pontos de conexão na placa.O terminal para o encaixe do conector RJ45 foi soldado aos contatos dos LDRs e foifixado na parte de trás da estrutura de suporte da placa (figura 3.4). E a outra pontado cabo foi separada para que se pudesse ligar isoladamente cada LDR no terminalcorrespondente da placa criada (figura 3.12). Com isso, não houveram mais problemasrelacionados ao rompimento dos cabos ou mal contato nos pinos.

O sistema desenvolvido consiste no rastreamento por posicionamento de tal formaque a incidência de luz solar sobre o dispositivo de sombreamento gera uma quantidadeespecífica de luz sobre cada LDR. Os LDRs estão dispostos em uma forma não intuitivapara rastreamento como pode ser visto na figura 3.9, como proposto inicialmente por[21].

Figura 3.9: Disposição dos LDRs

Cada par de LDRs marcados na figura 3.9, isto é, o conjunto disposto para azimutee o conjunto disposto para altura, estão ligados entre si em uma ponte de Wheatstone(Figura 3.10), onde os dois conjuntos estão alimentados com a mesma fonte e assim,a diferença de resistência entre eles fornecerá um valor específico de uma diferença depotencial (DDP) na saída da ponte de Wheatstone.

As saídas de cada ponte de Wheatstone estão alimentando entradas de um amplifi-cador de instrumentação. O valor de referência para este amplificador de instrumenta-ção foi definido em 2.5V (equivalente a redução de 50% de um dos divisores de tensão


citado anteriormente) de forma que o amplificador vai gerar um sinal de saída baseadona comparação entre a DDP da ponte de Wheatstone correspondente e a referência deentrada. O sinal de saída de cada um dos amplificadores operacionais são os sinais deentrada para o microcontrolador, um arduino NANO.

O microcontrolador recebe os sinais de entrada, provenientes das saídas dos ampli-ficadores de instrumentação, também recebe um sinal de referência para comparaçãodireta e além disso, também alimenta os sinais de controle que são escritos diretamenteno conjunto de atuadores do sistema.

3.3.3 Atuação

O conjunto de atuadores responsáveis por fazer o movimento do rastreio propriamentedito consistiu, para o protótipo inicial (3.1) em dois servomotores SG90 9g que alimen-tado a 5V consegue fornecer uma velocidade de 0.1 sec/60 e torque de 1.80 kg.cm, epara a estrutura final (3.2), consistiu em dois servomotores HD1501 que alimentadoa 6V consegue fornecer uma velocidade de 0.14 sec/60 e torque de 17 kg·cm, queestão parafusados a partes específicas da estrutura, e que desempenham, sem nenhumproblema para o caso da estrutura final, os movimentos de rotação horizontal (rastrea-mento de azimute) e vertical (rastreamento de altura). Estes motores estão alimentadospor uma outra fonte de tensão que fornece uma potência maior, uma fonte de 6V e 2A.

Figura 3.10: Ponte de Wheatstone com o par de LDR para cada conjunto

3.4 Controle

Como citado anteriormente, o microcontrolador recebe os sinais de controle dos ampli-ficadores de intrumentação e com isso, por meio de um integrador em tempo discreto,a ação de controle é calculada em cima da posição atual do protótipo e da posição real

3.4. CONTROLE 21

do Sol. Assim, a integração do erro fornece a ação de controle desejada, de tal formaque o erro em regime permanente é nulo.

Pode-se considerar que a rotação de azimute do protótipo será menor ou igual à180 graus pois, como citado em 1.1 o local de realização está a quase 20 ao sul dalinha equatorial. Com isso, levando em conta uma duração média do dia no territóriobrasileiro sendo algo próximo de 12 horas e 15 minutos, a rotação média do protótipoé menor do que 15 graus/hora em relação aos dados propostos anteriormente. Comisso, a ação de controle não necessita de uma componente derivativa nem mesmo deuma componente proporcional, sendo um integrador puro suficiente para o controle daplanta, visto que, é possível considerar a variação solar por hora como sendo pequenossinais do tipo degrau (função degrau unitário em Laplace definida na equação 3.1).

Além disso, existe uma diferença de comportamento entre o sistema com um contro-lador Proporcional-Integral (PI) e um controlador Integral (I). A equação que descreveo controlador I, no domínio da frequência após aplicada a transformada de Laplace, émostrada na equação 3.2, e na equação 3.3 para o tempo discreto.

A ação integral, produz um resultado que é proporcional à magnitude e duraçãodo erro. Isso acontece em forma de correção em intervalos regulares (tempo integral).Estes intervalos são dimensionados pelo ganho integral de tal forma que o ganho integralé o inverso do tempo integral. Se o valor do ganho integral for muito alto, o tempo deacomodação será pequeno, mas o sistema tem uma forte tendência a se tornar instável.Por outro lado, com um ganho integral baixo, o tempo para a correção do erro torna-segrande, mas a estabilidade do sistema permanece inalterada.

u(s) :⇔ 1

s(3.1)

GCI(s) =Ki

s. (3.2)

GCI [k] = u[k − 1] +Ki

Ti.e[k] . (3.3)

Onde ’Ki’ é o ganho integral,’e’ é o erro do sistema no instante ’k’, ’u’ é o sinal deentrada no instante anterior ’(k-1)’ e ’Ti’ é o tempo de amostragem integral.

Como podemos considerar o sistema sendo apenas um ganho ’M’ qualquer, nossafunção de transferência do sistema com um controlador integal, em malha aberta (MA),em Laplace é dada por:

FT (s) =M

s. (3.4)

O lugar das raízes da equação 3.4 é mostrado na figura 3.11.Levando em consideração as premissas de que não se deseja tanta velocidade para

o sistema, pois as variações serão lentas, mas deseja-se obter um erro em regime per-manente (RP) nulo, o controlador puramente integral se mostra ideal para o controledeste projeto. Como existe um pequeno atraso entre o envio do sinal de controle aosservomotores e a resposta física dos servomotores propriamente dita, o sistema teriauma pequena tendência à instabilidade caso o ganho dado fosse muito alto (pois, seria


Figura 3.11: Lugar das raízes em malha aberta do sistema da equação 3.4

enviado um comando aos servomotores e antes que o movimento dos servomotores fossefinalizado, o controlador já estaria enviando outro comando). Entretanto, foi dado umganho pequeno experimentalmente ao controlador além de um tempo de amostragemsuficiente, garantindo assim a estabilidade geral do sistema (eletrônico e físico).

Para não haver erro com o valor de referência, isto é, para não acontecer de serpredefinido um valor para a referência (como foi dito anteriormente = 2.5V) e o valorreal ser diferente disso, por exemplo, optou-se por alimentar uma entrada do micro-controlador com o sinal de referência. Sinal este similar ao que alimenta ambos osamplificadores operacionais. Deste modo, não haverá irregularidades por diferenças devalores.

3.5 Softwares Utilizados

Para a realização do projeto com as atividades descritas ao longo deste texto, foramnecessários alguns softwares de programação, análise computacional, desenho e projeto.Os softwares utilizados estão listados abaixo com suas respectivas finalidades de uso:

3.5.1 Arduino

Como foi utilizado um Arduino NANO como microcontrolador, o uso do softwareArduino para programar o microcontrolador se mostrou bastante adequado. A IDEArduino é uma plataforma bastante simples, de código aberto, e que permite leiturae escrita direta no controlador via comunicação serial. A programação do microcon-trolador por meio deste software se dá de forma bastante intuitiva, sendo C/C++ sualinguagem nativa. O código desenvolvido é mostrado na figura A.1.

3.5.2 Processing

Processing é uma linguagem de programação de código aberto e ambiente de desenvol-vimento integrado. A IDE é bastante similar à do Arduino e a programação tambémse dá em C/C++. O Processing foi utilizado para leitura dos dados que eram escritos

3.6. DESENVOLVIMENTO DA PLACA COM O CIRCUITO LÓGICO IMPRESSO23

via serial por parte do controlador, e escrita destes dados em um arquivo .txt parafutura análise. O código desenvolvido no Processing é mostrado na figura A.2.

3.5.3 AutoCad

O AutoCad é um software da AutoDesk que foi utilizado para desenho e análise dostamanhos dos protótipos antes da confecção de cada protótipo. Foi utilizado inicial-mente para desenho e trabalho em cima das peças desenhadas em 2D. Posteriormente,o software utilizado para estas funções passou a ser o Fusion 360.

3.5.4 CorelDRAW

O CorelDRAW foi utilizado para desenho e redimensionamento dos tamanhos das pe-ças, em 2D, para futura análise de cada peça do protótipo. Posteriormente, o softwareutilizado para estas funções também passou a ser o Fusion 360.

3.5.5 Eagle

O Eagle é um software da AutoDesk voltado para o projeto de circuitos eletrônicos paraa automação, possuindo uma grande biblioteca de componentes comumente utilizadospara projetos eletro-eletrônicos. O Eagle foi utilizado para confecção dos esquemáticos,circuitos e para cálculo e análise de otimização das malhas de circuito que seriamposteriormente impressas na placa de cobre.

3.5.6 Fusion 360

O Fusion 360 também é um software da AutoDesk que tem funcionalidades voltadaspara prototipagem e impressão em impressoras 3D. O software oferece recursos dedesenho e modelagem similares ao AutoCad. Após finalizado o desenho, o software écapaz de gerar as chapas e o desenho em comandos que são reconhecidos pela impressora3D.

3.5.7 MatLab

O MatLab é um programa voltado para cálculos numéricos complexos, analise e simu-lação de sistemas avançados. Foi utilizado neste trabalho para análise comportamentaldo controlador proposto e para esboço do lugar das raízes para comprovar a eficácia docontrolador proposto. Além disso, foi também utilizado para análise gráfica dos dadoscoletados das placas.

3.6 Desenvolvimento da Placa com o circuito lógicoimpresso

Como citado anteriormente, foram desenvolvidas mais de uma placa até chegar à placafinal apresentada. O esquemático e circuito lógico desenvolvidos para versão final feita,


tanto para rastreio quanto para coleta de dados, são mostrados no Apêndice B destamonografia.

A primeira placa apresentava problemas de desempenho inicialmente desconhecidos.Para se obter os 5V nos pontos necessários, era preciso aplicar 24V aos terminais deentrada. Isso passou a causar um efeito em cascata por toda a placa e, a cada novocomponente que era conectado, o valor de tensão nos pontos de 5V caiam ainda mais,Estudando ponto a ponto, observou-se a presença de um efeito de carga que causavaessa interferência. Para contornar este problema, decidiu-se colocar amplificadoresoperacionais operando como ’buffers’, a fim de desacoplar os circuitos entre si.

Então, foi feita uma nova placa. agora levando em consideração um circuito inte-grado (CI), o TL072 que conta com dois amplificadores de operacionais em sua mon-tagem. Além disso, decidiu-se substituir um divisor de tensão que realizava a quedade 9V para 5V por outro CI, o regulador de tensão L7805. Assim, chegou-se à placamostrada na figura 3.12, cujo esquemático pode ser visto na figura B.1. Após a placater sido feita, notou-se que os pinos 5V-ARD1 e GND-ARD1, que seriam posterior-mente utilizados para alimentação direta do Arduino NANO, ficariam melhor dispostosimediatamente do lado da placa do Arduino. Desta forma foram feitas modificaçõesnas linhas de cobre da placa culminando nos pinos ficarem dispostos exatamente daforma desejada, como pode ser visto no topo da figura 3.12.

Após o desenvolvimento desta placa para rastreio e tratamento de dados dos sen-sores, notou-se que seria interessante desenvolver uma outra placa para aquisição dedados diretamente das placas fotovoltaicas.

Essa nova placa, teria como entrada as saídas das placas fotovoltaicas, isto é, atensão gerada por cada uma das placas fotovoltaicas. Como as placas fotovoltaicasutilizadas produzem tensão que variam de 0 a 15V, é necessário reduzir essa tensão pormeio de divisores de tensão a fim de escalar o valor máximo de tensão produzida aovalor máximo de tensão que o Arduino aceita como entrada, 5V. Para fazer isso, a fimde reduzir a tensão para um terço do valor real produzido, utilizou-se três resistores de10k Ω como pode ser visto na figura B.4 .

As saídas da placa seriam duas diferenças de potencial, referentes ao valor de tensãoajustado. Estas saídas seriam ligadas ao Arduíno e ele seria o responsável pela coletageral de dados. Além disso, o valor do "terra"das placas desenvolvidas e o do Arduinoprecisavam ser iguais, assim, todos eles foram ligados juntos, como se fossem um únicobarramento, por meio de uma adaptação feita em uma linha de cobre da placa principal.A nova placa para aquisição dos dados é bastante simples, cujo esquemático é mostradona figura B.4.

Por se tratar de uma estrutura extremamente simples, optou-se por fazer esta placaem uma placa de circuito impresso ilhada, de tal forma que o acoplamento à placaprincipal ocorresse da forma mais simples e direta possível. Para tanto foram utili-zados soquetes individuais de pinos de encaixe em ambas as placas, de forma que oacomplamento se dá por contato direto.

Com isto, uma modificação na placa mostrada na figura 3.12 se fazia necessária:era preciso associar pinos do Arduino para comunicação com a nova placa de aquisiçãode dados. Após esta modificação, a placa 3.12 passou a ter o formato mostrado nafigura 3.13. A placa secundária pronta é mostrada na figura 3.14 e o resultado do


Figura 3.12: Segunda placa criada para este projeto. As abreviações Az e Al se referemaos dispositivos referentes ao controle de azimute e altura respectivamente. Desta formaLDR AZ1 e LDR AZ2 são os LDRs para leitura azimutal, LDR AL1 e LDR AL2 são osLDRs para leitura horizontal. M-AL são os pinos do motor de movimentação de alturae M-AZ são os pinos do motor de movimentação de azimute. E, por fim, <->AZ serefere ao amplificador de instrumentação atuando no controle de azimute e <->AL serefere ao amplificador de instrumentação atuando no controle de altura.


acoplamento das placas é mostrado na figura 3.15. Vale ressaltar que esta modificaçãonão acarretou em alterações na lógica, funcionamento e desempenho que se tinha antes.

É importante apontar que, como a construção da estrutura foi feita sem suportede ferramentas e materiais de precisão, ocorreram pequenos erros e falhas ao longo dodesenvolvimento. Um desses erros foi a não previsão de possíveis mudanças futuras ea necessidade de adaptar a placa desenvolvida às novas demandas, como foi tratadoanteriormente.

Um outro ponto interessante de notar, é o posicionamento dos sensores (LDRs).Não havia uma ferramenta milimetricamente precisa para posicionar os sensores naestrutura mostrada na figura 3.4, portanto, na prática eles não estavam perfeitamentealinhados o que gerava um sinal levemente errado fazendo com que a estrutura nãose alinhasse perfeitamente ao Sol, tendo um erro natural na ordem de unidades degraus. Para tanto, foi necessário implementar um fator de correção no código doArduino (apêndice A.1) a fim de contornar este erro natural de construção. Destaforma, obteve-se o alinhamento preciso conforme era desejado.

Com a placa final pronta e a nova estrutura, impressa pela impressora 3D tambémpronta, o trabalho foi focado na coleta de dados para análise de desempenho. Nestemomento foi utilizado o software Processing para coleta de dados pela porta serial eescrita destes dados em um arquivo. Com a coleta pronta utilizou-se o MatLab paraanálise e comparação dos dados.


Figura 3.13: Placa após a adaptação para acoplar a placa secundária


Figura 3.14: Placa secundária para medir a tensão na saída das placas fotovoltaicas

Figura 3.15: Resultado da acoplagem das placas

Capítulo 4

Resultados

A seguir serão explanados os testes e resultados desempenhados ao longo deste trabalho.

4.1 Teste em sala escura

O propósito do teste em sala escura foi certificar de que, em condições extremas (baixaluminosidade e múltiplas fontes luminosas com diferentes intensidades, visto que nãohaverá mais de um Sol em um único dia) o rastreador teria um bom desempenho. Destaforma, em um dia de variações bruscas na luminosidade (nuvens densas ou grandessombras indesejadas), o rastreador conseguiria identificar o ponto de maior iluminaçãono ambiente, mantendo a placa fotovoltaica sempre perpendicular à incidência destailuminação.

Foram realizados dois destes deste tipo. O primeiro, consistiu em acender e apagardiferentes lâmpadas dentro da sala, De forma que, ainda que pequena, haveria diferençana posição do ponto de maior iluminação.

O segundo teste consistiu em uma simples lanterna dentro de toda a sala. O ras-treador foi capaz de seguir sem problemas a lanterna.

Apesar de simples, testes como estes mostram a confiabilidade e robustez do pro-jeto, que implica em uma maior independência em um dia com baixa luminosidade,ou um dia com muitas nuvens ou chuva. O fato de o rastreador ter tido um bom de-sempenho nestes testes mostra que não é necessário fazer uma calibração nos sensorespara diferentes dias.

4.2 A placa fixa e a placa com o rastreador

4.2.1 Placa fixa

Para a coleta de dados referentes à placa fixa, foi necessário de antemão, decidir qualseria o ângulo de posicionamento da placa. Para tanto, foram inseridas as coordenadasdo local de realização do projeto (seção 1.1), no programa SunData que fornece osângulos de posicionamento para maior precisão no aumento de eficiência das placas. OSunData pode ser acesso em [24].

29

30 CAPÍTULO 4. RESULTADOS

A coleta dos dados apresentados nesta e nas próximas sub-seções, se deu no mês deNovembro do ano de 2019. De acordo com os dados fornecidos pelo SunData, verifica-seque, embora para o mês de Novembro a placa no plano horizontal tende a produzir maisenergia do que a placa inclinada com ângulo igual à latitude (∼20), e essa informaçãoindepende do ano, adotou-se o posicionamento da placa no ângulo igual à latitude pormotivos fundamentais: As placas são instaladas por empresas especializadas, no ânguloque se tem maior produção total de energia ao longo do ano. Ainda pelos dados doSunData, nota-se que a média anual é maior para placas posicionadas em um ângulode valor igual à latitude (∼20). Deste modo, o servo-motor de ajuste de altura foifixado de tal forma que o ângulo de inclinação fosse ∼20 e o servo-motor de ajusteazimutal foi fixado para a estrutura ficar faceada para o Norte.

Para colher os dados propriamente ditos referentes à placa fixa, a estrutura foiposicionada conforme descrito anteriormente (figura 4.1 e 4.2). Com isso, o valor detensão sobre o resistor R3 da figura B.4 que é monitorado pela entrada analógica doArduino, é escrito na porta serial e é lido pelo código escrito no Processing. Em seguida,este valor é escrito em um arquivo .txt.

Figura 4.1: Estrutura Posicionada para coleta de dados - Placa fixa

4.2. A PLACA FIXA E A PLACA COM O RASTREADOR 31

Figura 4.2: Estrutura Posicionada para coleta de dados - Placa fixa


4.2.2 Placa com rastreamento

A coleta dos dados referentes à placa com rastreamento, consistiu na ligação devida detodos os pinos da placa (sensores, motores e alimentação), conforme é possível ver nasfiguras 4.3 e 4.4, aos pontos da estrutura que foi posicionada inicialmente de maneirasimilar à forma descrita em 4.2.1 (figura 4.1 e 4.2). Com isso, o valor de tensão sobreo resistor R6 da figura B.4 que é monitorado por uma outra entrada analógica doArduino, também é escrito na porta serial e sucessivamente lido pelo código escrito noProcessing. Posteriormente, este valor é escrito em um outro arquivo .txt.

Figura 4.3: Estrutura Posicionada para coleta de dados - Placa com Rastreador


Figura 4.4: Estrutura Posicionada para coleta de dados - Placa com Rastreador


4.2.3 Análise de dados

O período em que as peças da estrutura final ficaram prontas, é costumeiramente umperíodo de Sol entre nuvens e chuvas. Sendo assim, a coleta de dados se deu sob estascondições.

É importante notar também que, devido ao fato de apenas haver uma única placafotovoltaica disponível para realização deste trabalho, a fim de evitar resultados ten-denciosos, os dados foram colhidos em dias intercalados com a placa fixa e a placa comrastreador.

Conforme procedimento descrito em 3.6, com os dados brutos salvos em um arquivo.txt, se fazia necessário tratá-los para posteriormente fazer as análises cabíveis. Estetratamento se deu atravás da aplicação de uma fórmula sobre eles :

V alorTratado =V alorBruto ∗ 3 ∗ 5

1024

O valor 3 multiplicado se refere ao divisor de tensão que reduz a tensão de leiturapara 1/3 da nominal fornecida nos terminais da placa. O valor 5 multiplicado é ovalor máximo lido pelas entradas analógicas do Arduíno e o valor 1024 dividido é ovalor máximo mapeado digitalmente no chip do Arduíno para a entrada analógica lida.Deste modo, temos então os valores tratados, isto é, o valor em cada amostra de DDPlida da placa fotovoltaica.

Para os resultados aqui apresentados, a fim de comparação, foi adotado o parea-mento dos dados colhidos com a placa fixa e a placa com rastreador ainda que em diasdiferentes. Os dados tratados utilizados para esta análise podem ser encontrados noapêndice C. Ainda referindo ao mês de Novembro, como citado em 4.2.1, os dados co-lhidos nos dias 13 e 14 são apresentados graficamente na figura 4.5 e os dados colhidosnos dias 16 e 17 são apresentados, também através de um gráfico, na figura 4.6.


Figura 4.5: Comparação entre as diferenças de potencial baseada nos dados colhidosnos dias 13 e 14 de Novembro. O eixo das abcissas mostra a hora da amostra e o eixodas ordenadas mostra o valor total da DDP nos terminais da placa fotovoltaica naqueleinstante.


Figura 4.6: Comparação entre as diferenças de potencial baseada nos dados colhidosnos dias 16 e 17 de Novembro. O eixo das abcissas mostra a hora da amostra e o eixodas ordenadas mostra o valor total da DDP nos terminais da placa fotovoltaica naqueleinstante.


Como é possível ver em todas as curvas dos dois gráficos, existem vários picos epequenas oscilações ao longo de todo o dia. Isso se explica com o fato do período denuvens intensas e chuvas frequentes. Ainda sobre este fato, é válido explicar que no dia15, não houveram dados coletados pois foi um dia de chuva intensa em toda a cidadede Belo Horizonte.

Para comparação quantitativa geral, os dados foram inseridos no MatLab e ambasas curvas foram integradas. Com a área total sob a curva foi possível fazer uma análisecomparativa da somatório das amostras de DDP colhidas ao longo do dia. Para integrara área sob cada curva foi utilizada a função trapz() fonecendo como parâmetros os dadostratados e a quantidade de amostras. O código utilizado no MatLab é mostrado nafigura A.3. Após executar o código para cada um dos valores mostrados nos gráficosacima, foi obtido um aumento de 19.24% para o gráfico mostrado na figura 4.5 e16.88% para o gráfico mostrado na figura 4.6, de tensão convertida por placas com orastreador a partir da luz solar em relação a tensão convertida por placas fixas.

Os componente eletrônicos utilizados tem um bom desempenho para o fim proposto.Além disso, são energeticamente viáveis para este projeto. Embora não tenha sido feitauma relação minuciosa entre Ganho

Gasto, o fato de os servomotores (dispositivos com maior

consumo energético no projeto) serem ativados apenas duas vezes por minuto, faz comque o gasto seja suficientemente pequeno para favorecer ainda mais o ganho geral.Além disso, é possível ainda reduzir a quantidade de vezes que os servomotores sãoativados por minuto, aumentando ainda mais o rendimento geral.

É interessante notar que, ainda que este valor pareça ser pequeno ao potencial emquestão, o período onde se deu a coleta não favoreceu muito a conversão de energia pormotivos de intempéries (nuvens densas e/ou chuva). Além disso, o local que se tinhapara realização deste experimento não era o ideal para a proposta deste trabalho: Aprimeira razão para esta consideração é que no nível de superfície a luz estava passívelde sofrer alteração devido às arvores e outras construções que poderiam causar sombrase/ou reflexos; A segunda razão para esta consideração é que o telhado da residêncialocal é revestido por telhas de zinco (devido às frequentes chuvas de granizo), que alémde refletir parte da luz incidente atrapalhando a coleta de dados, esquentaria considera-velmente a estrutura. Ainda assim, a implementação do rastreador à placa fotovoltaicase mostrou eficiente e eficaz no aumento da quantidade de energia convertida.

Capítulo 5

Conclusões

Com as execuções dos procedimentos e das etapas descritas nos capítulos anterioresconseguiu-se atingir o objetivo principal descrito na introdução: desenvolver um sistemade rastreio, que acoplado a uma placa fotovoltaica, consiga melhorar o reaproveitamentoda energia solar quando comparado a uma placa fixa.

Ao longo do desenvolvimento diversos problemas elétricos e mecânicos aparece-ram. No contexto elétrico foram mais comuns efeitos de carga, sobreaquecimento defios causado por intertravamento de motor e problemas de alimentação associados àinterferência eletromagnética. Do ponto de vista mecânico, o principal problema foicausado pelo movimento: o rompimento de cabos. Como os cabos são maleáveis eencapados, este foi um problema que demandou bastante tempo até sua detecção, poiscom o cabo rompido, dependendo da posição momentânea, ora se tinha contato e osistema funcionava, ora não se tinha contato e o sistema ficava parado. Todos estesproblemas foram resolvidos ao longo das etapas, viabilizando o funcionamento perfeitoda estrutura final.

Um problema que não foi possível de ser corrigido foi a deformação causada naestrutura, mostrada nas figuras 5.1 e 5.2, devido a longa e intensa exposição ao Sol.Por se tratar de um material impresso em 3D, embora tenha se escolhido densidademais alta suportada pela impressora, ainda assim a resistência ao calor não foi sufi-ciente para suportar a longa exposição ao Sol. As deformações foram causadas coma estrutura exposta por menos de 10 dias ao Sol, entretanto não causaram distorçõesno movimento ou funcionamento indesejado, o que é um ponto positivo. Sendo assim,para uma aplicação de utilização real do sistema proposto, é desejável que seja utili-zada um material metálico com alta resistência às intempéries que a estrutura estaráexposta. Mais uma vez, é importante ressaltar que apesar desta pequena deformação,o funcionamento geral da estrutura permaneceu inalterado.

39

40 CAPÍTULO 5. CONCLUSÕES

Figura 5.1: Deformação causada na estrutura devido a exposição ao Sol.

Figura 5.2: Deformação causada na estrutura devido a exposição ao Sol. Como épossível notar, como o lado que o motor fica preso ao suporte tem um peso maior, coma exposição, a estrutura ficou deformada neste ponto.

5.1. CONSIDERAÇÕES FINAIS 41

5.1 Considerações Finais

Para um cenário ideal de comparação e análise de eficiência de uma placa fotovoltaicaacoplada a uma estrutura de rastreamento versus uma placa fotovoltaica fixa, serianecessário fazer as análises com duas placas de mesmas especificações, em um intervalode tempo suficientemente grande, de forma que fosse possível englobar diversos cenárioscom ação de diferentes intempéries. Entretanto, para satisfazer aos prazos propostospara este trabalho, não foi possível esta análise prolongada e aprofundada. Além disso,no período da realização da coleta de dados deste trabalho, a situação do tempo erade presença de nuvens densas e chuvas leves, moderadas e intensas o que restringiu ointervalo de tempo que os dados puderam ser aproveitados para análise. Ainda assim,com o que conseguiu ser aproveitado, pode ser observado um aumento de 19.24%na melhor comparação, o que torna sugestiva a ideia de que este número poderia sersignificantemente maior na presença de características ideais e favoráveis, como o clima,o ambiente e o local.

É importante notar também que, neste trabalho, foi adotada a inclinação de ∼20para a coleta de dados referente à placa fixa. Entretanto, na prática, este fato nãoé exatamente assim na maioria dos casos. A maioria dos paineis são simplesmenteinstalados seguindo a inclinação padrão dos telhados das residências. Isso porque,nem sempre, as empresas que fazem instalação destes paineis conseguem posicionarestruturas estáveis que possam dar ao painel a inclinação devida. Deste modo, osdados comparados aqui acabam tendo valores pouco maiores que os dados que seriamobtidos caso fosse utilizado o valor de inclinação dos telhados residenciais e, com isso,a eficiência da estrutura de rastreio poderia ser ainda maior do que a aqui comprovada.

5.2 Propostas de Continuidade

Por se tratar de um sistema proposto para melhoria da coleta e aumento de efetividadede conversão de energia elétrica, existem algumas melhorias que podem ser implemen-tadas junto ao sistema proposto para aumentar a robustez e eficiência como um todo.Algumas melhorias são propostas a seguir:

• Tentar tornar o sistema autosuficiente, de forma que, a energia gerada ao longode um dia que não seja gasta para alimentar o sistema possa ser armazenada embaterias para utilização em outros fins.

• Teste com novos materiais a fim de evitar deformações e desgastes desnecessárioscausados pela ação da variação temporal do clima e pela ação das intempéries.

• Buscar componentes que consumam menos energia. Embora os componentesutilizados se adequem neste critério, é possível fazer uma análise de uma estru-tura com menos atríto entre as partes móveis, diminuindo a perda de energia nomovimento.

• Fazer uso de algum componente que seja capaz de tornar o sistema, autoligantequando houver uma radiação solar suficiente para seu funcionamento de forma

42 CAPÍTULO 5. CONCLUSÕES

autosuficiente, e também permita seu autodesligamento quando a quantidade deluz incidente for desprezível para a produção energética. Caso a autosuficiêncianão consiga ser obtida, o critério para ligar e desligar o sistema poderia ser aviabilidade energética de seu funcionamento.

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43

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[24] BRITO, C. de Referencia para Energia Solar e Eolica Sérgio de S. 2019. Disponível em:<http://www.cresesb.cepel.br/sundata/>.

Apêndice A

Códigos implementados

A.1 Código para Controle - Arduino

45

46 APÊNDICE A. CÓDIGOS IMPLEMENTADOS

Figura A.1: Código implementado no Arduino. Os trechos "newval1 += 3.75;"e "new-val2 -= 0.25"são os fatores de correção citados no penúltimo parágrafo da seção 3.6.

A.2. CÓDIGO PARA LEITURA E ESCRITA DOS DADOS - PROCESSING 47

A.2 Código para leitura e escrita dos dados - Proces-sing

Figura A.2: Código implementado no Processing

A.3 Código para análise dos dados - MatLab

Figura A.3: Código implementado no MatLab

48 APÊNDICE A. CÓDIGOS IMPLEMENTADOS

Apêndice B

Esquemático e circuito lógico da placa

Figura B.1: Esquemático da segunda placa criada para este projeto.

49

50 APÊNDICE B. ESQUEMÁTICO E CIRCUITO LÓGICO DA PLACA

Figura B.2: Componentes do esquemático da segunda placa criada para este projeto.

51

Figura B.3: Circuito da placa criada. Os LRDs estão enumerados como 1 e 11, 2 e22, 3 e 33, 4 e 44 correspondendo aos terminais de ligação. Os pinos iniciados por M1fazem referência aos terminais de ligação do servo motor 1 e M2 fazem referência aosterminais de ligação do servo motor 2. Os Pinos identificados por A0, A1, A2, D8, D9e os terminados por ARD, são terminais para ligação com os pinos do Arduino NANO.

52 APÊNDICE B. ESQUEMÁTICO E CIRCUITO LÓGICO DA PLACA

Figura B.4: Esquemático da placa para coleta e redução da tensão produzida pelasplacas fotovoltaicas. Os resistores R1, R2, R3, R4, R5 e R6 têm valor nominal de 10kΩ.

Apêndice C

Dados coletados

Figura C.1: Primeira parte dos dados utilizados nas análises de desempenho

53

54 APÊNDICE C. DADOS COLETADOS

Figura C.2: Segunda parte dos dados utilizados nas análises de desempenho

55

Figura C.3: Terceira parte dos dados utilizados nas análises de desempenho

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