IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA DE CONTROLE … · Figura 2.6 (a) e (b): Circuito para obtenção dos...

CENTRO DE TECNOLOGIA E URBANISMO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA

IMPLEMENTAO DE UM SISTEMA DE

CONTROLE ANALGICO COM MOVIMENTO EM DOIS EIXOS APLICADO

EM PAINIS SOLARES

Julio Cesar Guimares

Londrina Paran 2012

CENTRO DE TECNOLOGIA E URBANISMO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA

IMPLEMENTAO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ANALGICO COM

MOVIMENTO EM DOIS EIXOS APLICADO EM PAINIS SOLARES

Candidato: Julio Cesar Guimares

Orientador:

Prof. Dr. Carlos Henrique Gonalves Treviso

Dissertao de Mestrado apresentada ao

Programa de Ps-Graduao em Engenharia

Eltrica da Universidade Estadual de

Londrina como parte dos requisitos para a

obteno do Ttulo de Mestre em Engenharia

Eltrica.

rea de concentrao: Sistemas Eletrnicos

Especialidade: Eletrnica de Potncia

Londrina Paran 2012

Catalogao elaborada pela Diviso de Processos Tcnicos da Biblioteca Central da Universidade Estadual de Londrina.

Dados Internacionais de Catalogao-na-Publicao (CIP)

G963i Guimares, Julio Cesar. Implementao de um sistema de controle analgico com movimento em dois eixos aplicado em painis solares / Julio Cesar Guimares. Londrina, 2012. 96 f. : il.

Orientador: Carlos Henrique Gonalves Treviso. Dissertao (Mestrado em Engenharia Eltrica)

Universidade Estadual de Londrina, Centro de Tecnologia e Urbanismo, Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica, 2012.

Inclui bibliografia e anexos.

1. Sistemas eletrnicos analgicos Teses. 2. Eletrnica de potncia Teses. 3. Painel solar Teses. 3. Gerao de energia fotovoltaica Teses. 5. Engenharia eltrica Teses. I. Treviso, Carlos Henrique Gonalves. II. Universidade Estadual de Londrina. Centro de Tecnologia e Urbanismo. Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica. III. Ttulo.

CDU 621.472

Julio Cesar Guimares

Implementao de um Sistema de Controle Analgico com Movimento em Dois Eixos Aplicado em Painis

Solares

Dissertao de Mestrado apresentada ao

Programa de Ps-Graduao em Engenharia

Eltrica da Universidade Estadual de

Londrina como parte dos requisitos para a

obteno do Ttulo de Mestre em Engenharia

Eltrica.

Comisso Examinadora

________________________________________ Prof. Dr. Carlos Henrique Gonalves Treviso

UEL - Depto. de Engenharia Eltrica Orientador

________________________________________

Prof. Dr. Luiz Carlos Gomes de Freitas UFU Universidade Federal de Uberlndia

________________________________________

Prof. Dr. Aziz Elias Demian Jnior UEL - Depto. de Engenharia Eltrica

05 de julho de 2012

Dedico este trabalho aos meus pais.

Agradecimentos

Agradeo a Deus, que me deu fora e vontade para superar todos os obstculos

encontrados no caminho at chegar a este momento.

Aos meus pais e aos meus irmos pelo apoio que sempre me dedicaram durante

o desenvolvimento deste trabalho.

Ao meu orientador, Prof. Dr. Carlos Henrique Gonalves Treviso, por participar

diretamente na minha formao cientfica, pela amizade, empenho e competncia que

me deram muitos ensinamentos.

Aos tcnicos do Departamento de Engenharia Eltrica, que propiciaram e infra-

estrutura necessria para realizao deste trabalho.

Aos colegas de mestrado pelo companheirismo e saudvel convivncia.

A todos que por ventura no foram mencionados, mas que de forma direta ou

indireta colaboraram com este trabalho.

Resumo

A gerao de energia eltrica utilizando sistemas fotovoltaicos solares uma tendncia

para melhorar e eficincia energtica. Seguindo esta tendncia, este trabalho mostra o

projeto de um sistema eletrnico analgico para posicionamento de painis solares em

dois eixos. O sistema proposto apto para operar por uma lgica de controle por

modulao da largura de pulso (PWM) para inversores em ponte completa, acoplados a

dois motores, que mantm o sistema fotovoltaico posicionado perpendicularmente ao

Sol durante todo o perodo ensolarado, aumentando o aproveitamento da energia

incidente. A fim de ilustrar o princpio de operao deste sistema, um estudo detalhado,

incluindo simulaes e resultados experimentais, mostrado nos captulos deste

trabalho. A validade deste sistema garantida pelos resultados obtidos.

Palavras-chave: painel solar, circuito de controle, energia fotovoltaica, converso de

energia.

Abstract

Electrical energy generation using solar photovoltaic systems is a trend to increase the

energy efficiency. Following this trend, this work presents a project of an analog

electronic system to drive a sun-tracking device to position solar photovoltaic panel.

The system proposed is able to operate with a pulse-width-modulation (PWM) circuit

control to full bridge inverters that are connected with two motors that will keep the

photovoltaic system oriented directly to the sun during all sunny period. In order to

illustrate the operational principle of this system, a detailed study, including simulation

and experimental results is carried out. The validity of this system is guaranteed by the

obtained results.

Key-words: solar panel, sun tracker, photovoltaic energy, energy conversion.

Sumrio Lista de Figuras v

Lista de Tabelas vii

Lista de Abreviaturas viii

Introduo 16

1 Converso de Energia Luminosa em Energia Eltrica 22

1.1 Introduo..............................................................................................................22

1.2 Clulas Fotovoltaicas.............................................................................................23

1.2.1 Silcio Cristalino (c-Si).................................................................................23

1.2.2 Silcio Amorfo Hidrogenado (a-Si)..............................................................24

1.2.3 Telureto de Cadmio (CdTe)..........................................................................24

1.2.4 Disseleneto de Cobre e ndio (CuInSe2).......................................................25

1.3 Mdulos Fotovoltaicos..........................................................................................25

1.3.1 Caractersticas Eltricas dos Mdulos Fotovoltaicos...................................25

1.4 Sistemas Fotovoltaicos para Gerao de Energia Eltrica....................................31

1.4.1 Sistemas Isolados..........................................................................................31

1.4.2 Sistemas Hbridos.........................................................................................32

1.4.3 Sistemas Interligados Rede........................................................................33

1.5 Orientao do Mdulo Fotovoltaico......................................................................33

1.6 Consideraes Finais.............................................................................................35

2 Sistema de Controle Analgico 36

2.1 Introduo..............................................................................................................36

2.2 Diagrama de Blocos...............................................................................................36

2.2.1 Sensores LDR (light dependent resistor).....................................................38

2.2.2 Sinal PWM (pulse width modulation)......................................................39

2.3 Funcionamento do Circuito de Controle dos Eixos...............................................40

2.4 Conversor Flyback.................................................................................................45


3 Circuito de Potncia para Acionamento dos Motores 46

3.1 Introduo.............................................................................................................46

3.2 Inversor Monofsico..............................................................................................46

3.2.1 Funcionamento do Inversor..........................................................................46

3.3 Semicondutores.....................................................................................................48

3.4 Snnubers................................................................................................................49

3.5 Funcionamento do Inversor com Filtro de Sada...................................................50

3.6 O Motor de Corrente Contnua..............................................................................52

3.6.1 Estrutura........................................................................................................52

3.6.2 Funcionamento do Motor CC.......................................................................53

3.6.3 Controle de Velocidade................................................................................54

3.7 Testes Realizados..................................................................................................56

3.7.1 Tenso na Carga com Sinal de Razo Cclica de 50%.................................56

3.7.2 Tenso na Carga com Sinal de Razo Cclica de 75%.................................58


4 Estrutura Mecnica 60

4.1 Introduo..............................................................................................................60

4.2 Projeto da Estrutura Mecnica...............................................................................60


5 Procedimentos de Projeto 64

5.1 Dimensionamento do Inversor para Acionamento dos Motores...........................64

5.1.1 Dimensionamento do Indutor........................................................................60

5.2 Dimensionamento dos Circuitos para Isolamento dos Pulsos (Drives).................66

5.3 Dimensionamento do Conversor Flyback.............................................................73


6 Simulaes, Coleta de Dados e Resultados 78

6.1 Introduo..............................................................................................................78

6.2 Configurao do Sistema Fotovoltaico..................................................................78

6.2.1 Caractersticas do Mdulo Fotovoltaico.......................................................78

6.2.2 Controlador de Carga....................................................................................79

6.2.3 Interface de Comunicao............................................................................80

6.3 Operao do Sistema.............................................................................................81

6.4 Resultados Obtidos................................................................................................81


7 Concluso e Trabalhos Futuros 84

Referncias 86

Anexo A Circuito de controle de posio 89

Anexo B Circuito limitador de luminosidade 90

Anexo C Circuitos auxiliares 91

Anexo D Circuito para isolamento dos pulsos (drives) 92

Anexo E Circuito das fontes independentes para isolao dos pulsos 93

Anexo F Circuito de controle do conversor flyback 94

Anexo G Circuito do conversor flyback 95

Anexo H Artigo relacionado ao trabalho publicado em congresso 96

Lista de Figuras

Figura 1: Matriz energtica primria (a), matriz energtica de eletricidade (b).

Figura 2: Atlas solarimtrico da Alemanha (a), atlas solarimtrico do Brasil (b).

Figura 1.1: Efeito fotovoltaico.

Figura 1.2: Painis solares fotovoltaicos de c-Si de vrias potncias comercialmente

disponveis. [Fonte: SIEMENS Solar Industries].

Figura 1.3: Conexo de clulas fotovoltaicas em paralelo.

Figura 1.4: Conexo de clulas fotovoltaicas em srie.

Figura 1.5: Ligaes possveis para um diodo bypass entre clulas.

Figura 1.6: Diodo de bloqueio.

Figura 1.7: Curva dos parmetros de potncia mxima. Fonte: ISOFOTON fabricante

de mdulos fotovoltaicos.

Figura 1.8: Variao do MPPT com a radiao solar incidente (a) e com a carga (b).

Figura 1.9: Curva caracterstica corrente x tenso do mdulo fotovoltaico em funo da

radiao solar incidente. [Fonte: ISOFOTON fabricante de mdulos fotovoltaicos].

Figura 1.10: Curva caracterstica corrente x tenso do mdulo fotovoltaico em funo

da temperatura. [Fonte: ISOFOTON fabricante de mdulos fotovoltaicos].

Figura 1.11: Curva caracterstica potncia x tenso do mdulo fotovoltaico em funo

da radiao solar incidente. [Fonte: ISOFOTON fabricante de mdulos fotovoltaicos].

Figura 1.12: Curva caracterstica potncia x tenso do mdulo fotovoltaico em funo

da temperatura. [Fonte: ISOFOTON fabricante de mdulos fotovoltaicos].

Figura 1.13: Configurao tpica de um sistema fotovoltaico.

Figura 1.14: Sistema fotovoltaico isolado.

Figura 1.15: Topologia tpica de um sistema hbrido.

Figura 1.16: Topologia de sistema fotovoltaico interligado rede.

Figura 2.1: Diagrama de blocos do circuito de controle.

Figura 2.2: Comportamento de sada do comparador PWM.

Figura 2.3: Sensores LDRs separados pelo anteparo.

Figura 2.4: Sensores LDRs instalados sobre a superfcie do mdulo fotovoltaico.

Figura 2.5: Sinal PWM comparado com a onda triangular e os pulsos resultantes nas

chaves do inversor monofsico.

Figura 2.6 (a) e (b): Circuito para obteno dos pulsos para controle do inversor.

Figura 2.7: Circuito limitador de luminosidade.

Figura 2.8: Pulsos complementares gerados pelo circuito de controle.

Figura 2.9: Forma de onda resultante dos pulsos complementares.

Figura 2.10: Montagem do circuito de controle junto estrutura mecnica.

Figura 3.1: Esquema elementar do inversor.

Figura 3.2: Formas de onda e tenso para o inversor.

Figura 3.3: Circuito do inversor monofsico em ponte completa.

Figura 3.4: Snubber dissipativo convencional para um transistor.

Figura 3.5: Formas de onda de tenso e corrente na sada do inversor.

Figura 3.6: Inversor com filtro LC.

Figura 3.7: Filtro LC utilizado no inversor.

Figura 3.8: Filtros equivalentes (a) e (b) possuem as mesmas caractersticas de

funcionamento.

Figura 3.9: Funcionamento de um motor CC.

Figura 3.10: Esquema equivalente do motor CC.

Figura 3.11: Motor CC utilizado no projeto.

Figura 3.12: Tenso na carga com sinal de entrada de 12,5 kHz e D = 50%.

Figura 3.13: Tenso na carga com sinal de entrada de 25 kHz e D = 50%.



Figura 4.1: Estrutura de madeira para ensaios em laboratrio.

Figura 4.2: Esquema de acoplamento da rosca sem fim no motor e na cremalheira.

Figura 4.3: Estrutura para posicionamento do painel solar.

Figura 4.4: Estrutura para posicionamento do painel solar com espelhos concentradores.

Figura 4.5: acoplamento do motor para controlar a inclinao.

Figura 4.6: acoplamento do motor para controlar o giro.

Figura 5.1: Circuito do drive para isolao dos pulsos.

Figura 5.2: Formas de onda na sada do opto acoplador e nos gates dos semicondutores

do inversor.

Figura 5.3: Transformador do drive isolador de pulsos.

Figura 5.4: Curva de histerese de um ncleo de ferrite.

Figura 5.5: Circuito das fontes independentes.

Figura 5.6: Trajeto percorrido pela corrente durante a magnetizao do ncleo.

Figura 5.7 (a) Conversor Flyback, (b) Circuito Ton, (c) Circuito Toff.

Figura 6.1: Controlador de carga Phocos.

Figura 6.2: Configurao do sistema fotovoltaico.

Lista de Tabelas Tabela 5.1: Tamanhos de ncleos EE.

Tabela 6.1: Resultados obtidos nas coletas de dados realizadas.

Lista de Abreviaturas

AC Alternate Current

a-Si:H Silcio Amorfo Hidrogenado

CA Corrente alternada

CC Corrente contnua

CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor

CO Monxido de carbono

CO2 Dixido de carbono

c-Si Silcio Cristalino

DC Direct Current

dB/dec Decibel por dcada

Hz Hertz

mH mili Henri

mT mili Tesla

H micro Henri

kWh Kilo Watt hora

LDR Light Dependent Resistor

mm milmetro

MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

PROINFA Programa de Incentivo s Fontes Alternativas de Energia Eltrica

PWM Pulse Width Modulation

MPPT Maximum Power Point Tracking

Wp Watt pico

Ohm

16

Introduo

O aumento do consumo de energia decorrente de fatores como o progresso

tecnolgico e o avano no desenvolvimento humano (caracterizado por parmetros

scio-econmicos) so apontados como os fatores mais importantes na acelerao das

alteraes climticas e ambientais observadas e descritas pela comunidade cientfica. O

crescimento do consumo de energia mais que triplicou aps a Revoluo Industrial e

estudos recentes mostram uma tendncia de crescimento de demanda de energtica em

conseqncia da recuperao econmica nos pases em desenvolvimento. A tendncia

de crescimento atual indica que, na segunda dcada deste sculo, o consumo de energia

nos pases desenvolvidos seja ultrapassado pelo consumo nos pases em

desenvolvimento em virtude da melhoria dos parmetros scio-econmicos nesses

pases [1]. Fatores como o aumento da demanda energtica em conjunto com a

possibilidade de reduo da oferta de combustveis convencionais, aliados crescente

preocupao com a preservao do meio ambiente, esto impulsionando a comunidade

cientfica a pesquisar e desenvolver fontes alternativas de energia menos poluentes,

renovveis e que produzam menor impacto ambiental.

A matriz brasileira de oferta de energia primria, mostrada na figura 1a,

demonstra que a queima de combustveis fsseis responde por grande parte da demanda

de energia no setor de transporte e atende a cerca de 40% da energia utilizada no setor

agropecurio o que resulta em uma grande contribuio para emisso de gases do efeito

estufa (CO2, CO, etc.) no Brasil.

Figura 1: matriz energtica primria (a), matriz energtica de eletricidade (b).

17

Programas de incentivo para adoo da queima de biomassa (etanol e biodiesel)

esto em implantao no pas [2] e espera-se que em um futuro prximo, a biomassa

contribua significativamente nestes setores, reduzindo a contribuio brasileira para a

emisso global de gases de efeito estufa.

Atualmente, a energia hidrulica a principal fonte de energia para a gerao de

eletricidade, conforme mostra a matriz de produo de eletricidade, ilustrada na figura

1b. Apesar de considerada uma fonte renovvel e limpa, as usinas hidroeltricas

produzem um impacto ambiental ainda no adequadamente avaliado, devido ao

alagamento de grandes reas [3]. Alm disso, as principais bacias hidrogrficas

brasileiras com capacidade de gerao hidroeltrica de alta densidade energtica j esto

praticamente esgotadas nos principais centros consumidores do pas.

A energia nuclear citada como ume fonte limpa de energia eltrica por no

provocar e emisso de gases para a atmosfera. Sob o ponto de vista do

desenvolvimento, uma alternativa para cobrir o dficit de energia, diversificar as

fontes de energia nacionais e viabilizar o programa nuclear brasileiro. O pas conta com

a sexta maior reserva de urnio do mundo e apenas 25% do territrio nacional foram

mapeados. Contudo, a energia nuclear no tem sido bem aceita pela sociedade civil em

razo do questionamento sobre os riscos associados ao problema do armazenamento dos

rejeitos radioativos gerados.

Dentre as fontes renovveis de energia eltrica, a energia elica a que vem

recebendo maior volume de investimentos por conta do Programa de Incentivo s

Fontes Alternativas de Energia Eltrica (PROINFA http://www.mme.gov.br/),

coordenado pelo Ministrio de Minas e Energia. A capacitao tecnolgica da indstria

nacional e o custo decrescente da eletricidade de origem elica, quando associados ao

enorme potencial elico nacional (143,5 GW) [4], indicam que essa forma de gerao

poder ocupar, em mdio prazo, um importante papel no pas, principalmente atuando

como fonte descentralizada e complementar de energia acoplada rede eltrica. No

entanto, boa parte do territrio brasileiro, incluindo praticamente toda a regio

amaznica e central do Brasil, no apresenta condio de vento adequada para gerao

de eletricidade.

Pelo fato de estar localizado na sua maior parte na regio tropical, o Brasil

possui grande potencial para aproveitamento da energia solar durante todo ano [5, 6]. A

utilizao da energia solar traz benefcios em longo prazo para o pas, viabilizando o

desenvolvimento de regies remotas onde o custo da eletrificao pela rede

18

convencional demasiadamente alto com relao ao retorno financeiro do investimento,

regulando a oferta de energia em perodos de estiagem, diminuindo a dependncia do

mercado de petrleo e reduzindo a emisso de gases poluentes atmosfera como

estabelece a Conferncia de Kyoto [7]. Existem muitas possibilidades em mdio e em

longo prazo para aproveitamento dessa forma de energia renovvel, que vai desde

pequenos sistemas fotovoltaicos a at grandes centrais que empregam energia solar

concentrada, ou a sistemas de produo de hidrognio para utilizao em clulas de

combustvel para a produo de trabalho com emisso zero de CO2. No entanto, hoje em

dia essa energia ainda tem uma participao incipiente na matriz energtica brasileira.

Apenas a energia solar trmica para aquecimento de gua tem despertado interesse no

mercado nacional.

Atualmente, um dos pases que possui um timo programa de incentivo e

tambm tecnologias para aproveitamento de energia solar a Alemanha [8]. O

programa alemo de incentivo s energias renovveis baseado na obrigatoriedade de

compra pela operadora de rede de toda a energia gerada pelas fontes renovveis,

pagando ao gerador uma tarifa prmio que distinta para cada tecnologia. Os recursos

captados por meio de um pequeno acrscimo na tarifa de todos os consumidores so

depositados em um fundo, utilizado para reembolsar (na forma de tarifa prmio) os

consumidores que tenham instalado os sistemas fotovoltaicos. Neste caso, o incentivo

pago gradualmente, como um prmio por kWh ao longo de vrios anos, permitindo que

os consumidores recuperem seu investimento.

Comparando os valores da mdia anual da radiao solar global incidente no

plano horizontal da Alemanha com o Brasil, mostrados na figura 2, possvel verificar

que mesmo a regio da Alemanha mais favorecida, em termos de radiao solar,

apresenta aproximadamente 1,4 vezes menos radiao do que a regio brasileira menos

ensolarada.

O Brasil possui excelentes nveis de radiao solar, pois est localizado em uma

faixa de latitude na qual a incidncia de radiao solar muito superior verificada no

restante do mundo. Essa caracterstica coloca o pas em vantagem com relao aos

pases industrializados no que tange utilizao da energia solar fotovoltaica [9].

Algumas regulamentaes recentes da ANEEL Agncia Nacional de Energia

Eltrica incentivam a utilizao de energia fotovoltaica como alternativa para gerao

de energia, estimulando a micro e mini gerao distribuda no Brasil. Em 17 de abril de

19

2012 foi aprovada uma Resoluo Normativa que permite os consumidores gerar

energia com sistemas convencionais, elicos e/ou fotovoltaicos.

(a) (b) Figura 2: atlas solarimtrico da Alemanha (a), atlas solarimtrico do Brasil (b).

Neste sentido, no municpio de Tau, Estado do Cear, foi implantado o projeto

da Central Geradora Solar Fotovoltaica Tau [10], cujo projeto de iniciativa privada

em parceria com o Governo do Estado do Cear. A central utilizar a radiao solar

disponvel na localidade para a gerao de energia com capacidade instalada total de 50

MW por meio da utilizao de painis fotovoltaicos, sendo 5 MW correspondentes

primeira etapa de instalao e os 45 MW restantes correspondentes segunda etapa.

Cada painel fotovoltaico tem potncia de 140 W a 230 W e a ligao entre eles resultar

em 45 MW.

Observa-se que em pases tropicais como o Brasil, a utilizao da energia solar

vivel em praticamente todo o territrio, em locais distantes dos centros de produo

energtica, sendo que sua utilizao contribui para a reduo da demanda energtica

nestes e, conseqentemente, da perda de energia que ocorreria no sistema de

transmisso [11].

Atualmente, o custo de sistemas fotovoltaicos para gerao de energia eltrica

o principal fator que define a opo por outras fontes geradoras. Um sistema

fotovoltaico no produz lixo txico, no polui o meio ambiente e no envolve impacto

ambiental ou social. Assim, a justificativa para o desenvolvimento deste trabalho a

grande expectativa pela reduo do custo de fabricao das clulas solares, projetado

para algo abaixo dos US$ 0,40/Watt contra os atuais US$ 4,00/Watt [12].

KWh/m2/ano

20

Neste contexto, observa-se um aumento do interesse em pesquisas por

tecnologias fotovoltaicas, graas aos novos incentivos governamentais para o

desenvolvimento da gerao de energia utilizando esta fonte renovvel.

O presente trabalho tem por objetivo desenvolver e implementar um sistema de

controle analgico com movimento em dois eixos aplicado em painis fotovoltaicos,

apresentando resultados obtidos por meio de simulaes em laboratrio do circuito de

controle e do sistema completo de gerao fotovoltaica de energia eltrica.

Os objetivos gerais deste trabalho so:

1 - analisar a viabilidade da utilizao de sistemas de converso de energia

luminosa em energia eltrica, para instalaes de pequeno porte;

2 desenvolver um sistema fotovoltaico em laboratrio para realizao de

simulaes e obteno de resultados para avaliao da eficincia energtica do mesmo.

Os objetivos especficos so:

1 desenvolver um sistema de controle de posio para um painel solar, por

meio da utilizao de uma lgica de controle PWM para inversor em ponte H, acoplado

a dois motores para posicionamento em dois eixos, permitindo que o painel permanea

posicionado perpendicularmente ao Sol;

2 analisar a viabilidade tcnica do sistema considerando a facilidade de

manuteno, utilizao de componentes e sistemas disponveis no mercado nacional;

3 avaliar a eficincia energtica do sistema para aplicaes em instalaes de

pequeno porte.

Para alcanar estes objetivos, este trabalho est dividido da seguinte forma:

Captulo 1: so apresentadas as tecnologias para converso da luz em energia

eltrica, caractersticas das clulas fotovoltaicas, dos sistemas e parmetros para

implantao de sistemas fotovoltaicos.

Captulo 2: demonstrado o sistema de controle adotado com suas

caractersticas.

Captulo 3: apresenta-se o desenvolvimento dos circuitos de controle de potncia

utilizados para acionamento dos motores.

Captulo 4: neste captulo demonstra-se o desenvolvimento da estrutura

mecnica utilizada para posicionamento do painel solar.

Captulo 5: aborda os critrios e procedimentos de projetos adotados.

Captulo 6: so apresentadas as simulaes realizadas e os resultados obtidos.

21

Captulo 7: concluso e trabalhos futuros.

Referncias.

Anexo A Circuito de controle de posio.

Anexo B Circuito limitador de luminosidade.

Anexo C Circuitos auxiliares.

Anexo D Circuitos para isolamento dos pulsos (drives).

Anexo E Circuito das fontes independentes para isolao dos pulsos.

Anexo F Circuito de controle do conversor flyback.

Anexo G Circuito do conversor flyback.

Anexo H Artigo relacionado ao trabalho publicado em congresso.

22

Captulo 1

Converso de Energia Luminosa em Energia Eltrica 1.1 Introduo A energia solar fotovoltaica a energia da converso direta da luz em

eletricidade, denominado de efeito fotovoltaico. O efeito fotovoltaico, ilustrado na

figura 1.1, o aparecimento de uma diferena de potencial nos extremos de uma

estrutura de um material semicondutor, produzida pela absoro da luz [11].

(a) (b)

Figura 1.1: Efeito fotovoltaico.

Os materiais semicondutores utilizados para fabricao da clula fotovoltaica, o

tipo de conexo e o nmero de clulas associadas so os fatores que influenciam na

obteno da potncia que um mdulo ou painel fotovoltaico pode gerar.

Neste captulo sero apresentadas as topologias dos sistemas fotovoltaicos de

gerao de energia eltrica, as caractersticas dos mdulos fotovoltaicos, os tipos de

clulas fotovoltaicas e critrios de projetos de sistemas fotovoltaicos.

23

1.2 Clulas Fotovoltaicas

Os maiores empecilhos na utilizao de clulas fotovoltaicas so seu alto custo

e baixo rendimento. A tecnologia atual de fabricao necessita de muita energia para

que seja obtido material em estado muito puro, exigido na confeco das clulas, e no

final obtm-se painis com aproximadamente 15% de rendimento apenas. Para um

painel com 25 anos de vida til, considerando o desgaste e manuteno do sistema, o

kilowatt/hora custa, em mdia, R$1,50 reais, contra os R$0,40 o kilowatt/hora da

energia produzida pelas usinas [13]. Projees esperam que apenas em 2013 o preo da

energia fotovoltaica se iguale ao da energia convencional, mas somente nas regies

brasileiras com maior incidncia solar [14]. Por este motivo, necessrio buscar

alternativas para tornar vivel a utilizao de clulas solares.

Dentre os diversos semicondutores utilizados para a produo de clulas solares

fotovoltaicas, destacam-se por ordem decrescente de maturidade e utilizao: o silcio

cristalino (c-Si); o silcio amorfo hidrogenado (a-Si:H) ou simplesmente a-Si; o telureto

de cdmio CdTe e os compostos relacionados ao disseleneto de cobre e ndio CuInSe2

ou CIS e ao disseleneto de cobre, glio e ndio CuInGaSe2 ou CIGS. Neste ltimo

grupo, aparecem elementos que so altamente txicos (Cd, Se, Te) ou muito raros (Ga,

Te, Se, In, Cd), ou ambos, o que se mostrou inicialmente um obstculo considervel ao

uso mais intensivo destas tecnologias. O silcio o segundo elemento mais abundante

na superfcie do planeta (mais de 25% da costa terrestre silcio [15] e cem vezes

menos txico que os outros elementos citados [16].

1.2.1 Silcio Cristalino (c-Si)

A mais tradicional das tecnologias fotovoltaicas e a que ainda hoje apresenta

maior escala de produo a nvel comercial, o c-Si consolidou-se no mercado

fotovoltaico internacional por sua extrema robustez e confiabilidade. O custo de

produo destes painis solares , no entanto, elevado, razo pela qual esta tecnologia

no considerada por muitos analistas como sria competidora com as formas

convencionais de gerao de energia em larga escala. No entanto, o c-Si segue sendo o

lder dentre as tecnologias fotovoltaicas para aplicaes terrestres em qualquer escala.

A figura 1.2 mostra mdulos fotovoltaicos de c-SI.

24

Figura 1.2: Painis solares fotovoltaicos de c-Si de vrias potncias comercialmente

disponveis. [Fonte: SIEMENS Solar Industries]

O recorde de eficincia para clulas de c-Si, testadas em laboratrio,

atualmente de 24,7% [18], muito prximo do mximo rendimento terico. Os melhores

painis disponveis no mercado, porm, tm eficincia em torno de 15%, pois as

diferenas entre e eficincia da melhor clula de laboratrio e painis comerciais

incluem perdas de interconexo entre clulas no painel, rea ativa do painel e

rendimento do processo produtivo.

1.2.2 Silcio Amorfo Hidrogenado (a-Si)

No incio dos anos 80 o a-Si era visto como a nica tecnologia fotovoltaica

comercialmente vivel em filmes finos (pelculas delgadas). Tendo primeiramente sido

empregado em clulas solares, em meados da dcada de 70, imediatamente despontou

como tecnologia ideal para aplicao em calculadoras, relgios e outros produtos onde

o consumo eltrico baixo. Por apresentar uma resposta espectral mais voltada para o

azul, tais clulas se mostraram extremamente eficientes sob iluminao artificial,

principalmente sob lmpadas fluorescentes.

1.2.3 Telureto de Cadmio (CdTe)

O mais recente competidor de c-Si e a-Si no mercado fotovoltaico para gerao

de potncia o CdTe, tambm na forma de filmes finos. Para aplicaes em

calculadoras este material j vem sendo usado h quase uma dcada, mas nas chamadas

aplicaes terrestres, somente na ltima dcada que comearam a ser comercializados

painis solares de grandes reas (o maior disponvel atualmente tem uma rea

aproximada de 0,67m2).

25

Os custos de produo do CdTe so relativamente baixos para produo em

grande escala e esta tecnologia tende a despontar como um competidor no mercado

fotovoltaico para gerao de energia eltrica. A relativamente baixa abundncia dos

elementos envolvidos e sua toxicidade so aspectos que tm de ser levados em conta,

principalmente se esta tecnologia atingir quantidades significativas de produo.

O recorde de eficincia de clulas individuais de pequenas reas foi, em

laboratrio, ao redor de 16%, sendo que painis solares encontrados no mercado

internacional apresentam eficincia entre 7 e 9% [18].

1.2.4 Disseleneto de Cobre e ndio (CuInSe2)

Outro competidor no mercado fotovoltaico, so os compostos baseados no

disseleneto de cobre e ndio (CuInSe2 ou CIS) e disseleneto de cobre, glio e ndio

(CuInGaSe2 ou CIGS), principalmente por seu potencial de atingir eficincias

relativamente elevadas e custos de produo relativamente baixos [19].

Clulas de CIS de pequenas reas produzidas em laboratrio apresentam no

momento eficincias em torno de 18%. Painis de grande rea (aproximadamente 1m2)

j se encontrem disponveis no mercado com eficincia entre 9 e 10%.

1.3 Mdulos Fotovoltaicos

Devido baixa tenso e corrente de sada em uma clula fotovoltaica, agrupam-

se vrias clulas formando um mdulo. O arranjo das clulas nos mdulos pode ser feito

conectando-se em srie ou em paralelo.

Ao conectar as clulas em paralelo, conforme mostrado na figura 1.3, somam-se

as correntes de cada mdulo e a tenso exatamente a tenso de sada da clula. A

corrente produzida pelo efeito fotovoltaico contnua. Pelas caractersticas tpicas das

clulas (corrente mxima de aproximadamente 3A e tenso muito baixa, em torno de

0,7V) este arranjo no utilizado, salvo em condies especiais, como por exemplo, em

pequenas aplicaes como dispositivos eletrnicos (relgios, calculadoras, etc.).

26

Figura 1.3: Conexo de clulas fotovoltaicas em paralelo.

A conexo mais comum de clulas fotovoltaicas em srie, pois nesta

configurao soma-se a tenso de cada clula chegando a um valor final de 12 V ou

mais (depende das caractersticas do mdulo) e a corrente permanece com o mesmo

valor, evitando que sejam utilizados condutores com elevadas bitolas, como mostra a

figura 1.4, possibilitando a carga de acumuladores (baterias) que tambm operam nesta

tenso.

Figura 1.4: Conexo de clulas fotovoltaicas em srie.

Quando uma clula fotovoltaica dentro de um mdulo, por algum motivo, estiver

encoberta, a potncia de sada do mdulo reduzir consideravelmente e, pelo fato de

estar ligada em srie, comprometer o funcionamento das demais clulas no mdulo.

Para que toda a corrente de um mdulo no seja limitada por uma clula de pior

desempenho (no caso de estar encoberta), utiliza-se um diodo para criar um circuito

alternativo, denominado bypass. Este diodo serve como um caminho alternativo para a

corrente e limita a dissipao de calor na clula defeituosa. Geralmente o uso do diodo

bypass feito em agrupamentos de clulas, o que reduz custos em relao a

configurao de se conectar um diodo em cada clula, conforme mostrado na figura 1.5.

27

Figura 1.5: Ligaes possveis para um diodo bypass entre clulas.

Um problema que pode ocorrer a circulao de uma corrente negativa pelas

clulas fotovoltaicas, ou seja, ao invs de gerar corrente, o mdulo passa a receber

muito mais do que produz. Esta corrente pode causar queda na eficincia das clulas e,

em alguns casos, a clula pode ser desconectada de arranjo causando a perda total do

fluxo de potncia do mdulo. Para evitar isto, utiliza-se um diodo de bloqueio, mostrado

na figura 1.6, impedindo assim, correntes reversas que podem ocorrer, caso o mdulo

seja conectado diretamente a um acumulador ou bateria.

Figura 1.6: Diodo de bloqueio.

1.3.1 Caractersticas Eltricas dos Mdulos Fotovoltaicos

A caracterstica de tenso e corrente de sada dos painis depende da irradiao

solar e da temperatura da clula fotovoltaica e estas variaes causam flutuaes no

ponto de mxima potncia (MPPT Maximum Power Point Tracking), conforme

mostra a figura 1.7. A figura 1.8 (a) e (b) mostra a variao do ponto de mxima

potncia com a radiao solar e a carga.

28

Figura 1.7: Curva dos parmetros de potncia mxima. [Fonte: ISOFOTON fabricante de

mdulos fotovoltaicos]

(a) (b)

Figura 1.8: Variao do MPPT com a radiao solar incidente (a) e com a carga (b).

Conversores estticos controlados so alocados entre geradores fotovoltaicos e

cargas, com a finalidade de manter o sistema trabalhando no ponto de mxima potncia.

Visando maximizar a potncia fornecida pelo painel fotovoltaico so utilizados circuitos

de controle MPPT, os quais possuem como base principal de funcionamento a busca de

mxima potncia.

Devido complexidade desse controle, atualmente vrios estudos so

desenvolvidos no ramo da eletrnica com o objetivo de propor novas configuraes de

controle do MPPT. Mais informaes esto disponveis em [17].

MPPT

Tenso (V)

Cor

rent

e (A

)

29

Alm deste parmetro, h outras caractersticas eltricas que melhor definem a

funcionalidade do mdulo. As principais caractersticas eltricas de um mdulo

fotovoltaico so:

Tenso de circuito aberto (Voc);

Corrente de curto-circuito (Isc);

Tenso de potncia mxima (Vmp);

Corrente de potncia mxima (Imp);

Potncia em Wp (Watt pico).

A unidade de potncia Watt pico (Wp), especfica da tecnologia solar

fotovoltaica, significa que cada Wp instalado dever transferir 1 W de potncia quando

o mdulo fotovoltaico for submetido s condies normalizadas, que so: radiao solar

incidente de 1 kW/m2 e temperatura das clulas fotovoltaicas de 25 C. Os fabricantes

de mdulos fotovoltaicos especificam a eficincia destes para vrios valores de radiao

solar incidente, uma vez que as condies climticas causam variaes da radiao

incidente e, tambm, para vrias temperaturas de trabalho.

Para o correto dimensionamento de um sistema de fotovoltaico, devem ser

consideradas as seguintes curvas caractersticas do painel solar:

curvas corrente-tenso (I x V) em funo da radiao solar incidente, (figura 1.9)

e da temperatura, (figura 1.10);

curvas potncia-tenso (P x V) em funo da radiao solar incidente, (figura

1.11), e da temperatura, (figura 1.12).

Figura 1.9: Curva caracterstica corrente x tenso do mdulo fotovoltaico em funo da radiao solar

incidente. [Fonte: ISOFOTON fabricante de mdulos fotovoltaicos]

Cor

rent

e (A

)

Tenso (V)

30

Figura 1.10: Curva caracterstica corrente x tenso do mdulo fotovoltaico em funo da temperatura.

[Fonte: ISOFOTON fabricante de mdulos fotovoltaicos]

Figura 1.11: Curva caracterstica potncia x tenso do mdulo fotovoltaico em funo da radiao solar

incidente. [Fonte: ISOFOTON fabricante de mdulos fotovoltaicos]

Figura 1.12: Curva caracterstica potncia x tenso do mdulo fotovoltaico em funo da temperatura.

[Fonte: ISOFOTON fabricante de mdulos fotovoltaicos]

Tenso (V)

Cor

rent

e (A

) P

otn

cia

(W)

Tenso (V)

Pot

nci

a (W

)

Tenso (V)

31

1.4 - Sistemas Fotovoltaicos para Gerao de Energia Eltrica

Os sistemas fotovoltaicos podem ser classificados em trs categorias distintas:

sistemas isolados, hbridos e conectados a rede. Os sistemas obedecem a uma

configurao bsica onde o sistema dever ter uma unidade de controle de potncia e

tambm uma unidade de armazenamento [11], conforme mostrado na figura 1.13.

Figura 1.13: Configurao tpica de um sistema fotovoltaico.

1.4.1 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados, em geral, so utilizados em locais remotos, como

instalaes rurais. Pode alimentar cargas em CC, quando o painel fotovoltaico alimenta

diretamente a carga, neste caso toda a energia gerada consumida instantaneamente,

sem armazenamento, como por exemplo, a alimentao de bombas dgua. Quando o

sistema utiliza armazenamento de energia, este feito por meio de um banco de

baterias, neste caso utiliza-se um controlador de carga que tem a funo de no permitir

que haja danos nas baterias causados por sobrecarga ou descarga profunda. Alm de

proteger as baterias o controlador tambm monitora o consumo de energia das cargas,

evitando que o painel fotovoltaico fique sujeito a condies de sobrecargas.

Geralmente, em sistemas fotovoltaicos isolados utiliza-se a configurao

mostrada na figura 1.14, pois freqente o uso de cargas CA, por isso torna-se

indispensvel o uso de inversores CC-CA e controladores de carga. Mais informaes

disponveis em [28].

32

Figura 1.14 Sistema fotovoltaico isolado.

1.4.2 Sistemas Hbridos

So sistemas que, desconectados da rede convencional, apresentam vrias fontes

de gerao de energia, como por exemplo: turbinas elicas, gerao a diesel, mdulos

fotovoltaicos entre outras, conforme mostra a figura 1.15. A utilizao de vrias formas

de energia eltrica torna-se complexo na necessidade de otimizar o controle da

transferncia da energia gerada. necessrio um controle de todas as fontes para que

haja mxima eficincia na transferncia da energia para a carga.

Figura 1.15: Topologia tpica de um sistema hbrido.

Geralmente, os sistemas hbridos so empregados para sistemas de mdio a

grande porte vindo a atender um nmero maior de usurios. Por trabalhar com cargas de

corrente contnua, o sistema hbrido tambm apresenta um inversor. Devido grande

33

complexidade de arranjos e multiplicidade de opes, a forma de otimizar o sistema

torna-se um estudo particular para cada caso.

1.4.3 Sistemas Interligados Rede

Estes sistemas utilizam vrios painis fotovoltaicos e no armazenam energia,

pois toda a gerao entregue diretamente na rede. Este sistema representa uma fonte

complementar ao sistema eltrico de grande porte ao qual est conectado. Todo o

arranjo conectado em inversores, conforme mostrado na figura 1.16, que logo em

seguida, so conectados diretamente na rede. Os inversores devem satisfazer s

exigncias de qualidade e segurana para que a rede no seja afetada.

Figura 1.16: Topologia de sistema fotovoltaico interligado rede.

Atualmente, muitos estudos so desenvolvidos para avaliar a paridade do

sistema fotovoltaico com a rede, pois isto envolve custos operacionais e questes

regionais que influenciam no susto final da energia gerada por estes sistemas. Mais

informaes esto disponveis em [8].

1.5 Orientao do Mdulo Fotovoltaico

Uma maneira de aumentar o rendimento das clulas fotovoltaicas posicionar o

mdulo fotovoltaico adequadamente para obter mxima incidncia de raios solares.

Com movimentao do painel sobre o eixo horizontal, possvel obter entre 15% e

20% a mais de energia durante o ano dependendo do local, se comparado ao

posicionamento convencional (painel esttico com a mesma inclinao da latitude do

local) [20]. Anlises econmicas mostram que o custo do seguidor de sol de eixo

34

simples de R$0,25 o kilowatt/hora gerado, valor bem abaixo do custo da energia

obtida pelos painis fotovoltaicos estticos. Ao comparar dois painis solares idnticos,

sendo um mvel e outro esttico, o rendimento aumentou de 8,84% para 10,89%, ou

seja, um acrscimo de 20% [20].

Com a finalidade de beneficiar-se da mxima captao de energia ao longo do

ano, duas condies devem ser observadas [21]. A primeira considera que, para uma

operao adequada, os mdulos devem estar orientados para o Equador. Para

instalaes localizadas no territrio brasileiro (Hemisfrio Sul), os mdulos

fotovoltaicos estticos devem estar orientados em direo ao Norte Verdadeiro. Porm,

esta regra pode no ser vlida caso o clima local varie muito durante um dia tpico, por

exemplo, se ocorre neblina durante a manh e a maioria da insolao ocorre tarde, ou

caso se deseje privilegiar a gerao em alguma hora especfica do dia.

Na maioria das regies o Norte Verdadeiro no coincide com o Norte

Magntico (indicado pela bssola). A diferena entre o Norte Verdadeiro e o Norte

Magntico denominada de Declinao Magntica do Lugar. A verificao da direo

Norte-Sul por meio de uma bssola est sujeita a grandes desvios. Este fato pode ser

percebido colocando-se um pequeno m prximo a uma bssola, que sofrer uma

alterao na indicao da direo. Deve-se consultar um mapa de declinao magntica

para achar a correo angular, que dever ser aplicada leitura da bssola e tambm,

evitando objetos metlicos, fontes de campo magntico, etc.

A segunda condio a ser observada refere-se ao ngulo de inclinao dos

arranjos fotovoltaicos. Em geral, a inclinao deve ser igual latitude do local onde o

sistema ser instalado, mas nunca inferior a 10, para favorecer a auto-limpeza dos

mdulos. Vale lembrar ainda que, em locais com muita poeira, necessrio limpar

periodicamente a superfcie do mdulo, uma vez que a sujeira afeta a captao de luz,

reduzindo seu desempenho. No entanto, deve-se cuidar para no danificar o vidro ou

qualquer outro material de cobertura do mdulo.

O ngulo de inclinao que maximiza a gerao de energia varia com a poca

do ano e com a latitude do local onde o sistema ser instalado. Para maximizar a

energia gerada ao longo do ano, a inclinao do arranjo fotovoltaico deve estar dentro

de 10 no entorno da latitude do local. Por exemplo, um sistema posicionado, ao longo

35

de todo ano, em uma latitude de 35 pode ter um ngulo de inclinao de 25 a 45, sem

uma reduo significativa no seu desempenho anual. Dependendo da aplicao e das

condies climticas ao longo do ano, podem ser utilizadas outras inclinaes que

privilegiem a gerao em pocas especficas.

O planeta Terra, durante o movimento angular ao redor do Sol, descreve em

trajetria elptica um plano que inclinado de, aproximadamente, 23,5 com relao ao

plano equatorial. A posio angular do Sol, ao meio dia solar, em relao ao plano do

Equador, denominada de Declinao Solar (d). Este ngulo varia com o dia do ano,

dentro dos seguintes limites:

-23,5 d 23,5

A soma de declinao solar com a latitude local determina a trajetria do

movimento aparente do Sol para um determinado dia em uma dada localidade na Terra.

O correto posicionamento de um painel fotovoltaico um fator fundamental para

obter o mximo possvel de radiao luminosa incidente, garantindo alta eficincia do

sistema. Atualmente, h tecnologias computacionais (software) que permitem a anlise

preliminar do local onde se pretende implantar um sistema de gerao fotovoltaico. Um

software utilizado o PVsyst (http://www.pvsyst.com), o qual elabora relatrios com

informaes sobre as variveis (radiao solar, orientao adequada, etc.) a serem

consideradas no dimensionamento de um sistema fotovoltaico.

1.6 Consideraes Finais

Para o dimensionamento de sistemas fotovoltaicos devem ser observados

aspectos como: integrao com o local a ser instalado (edificaes ou locais remotos

como campos, reas abertas, etc.), resistncia a altas temperaturas, custo e

caractersticas eltricas dos painis, previso do consumo das cargas e dimensionamento

do banco de baterias. Mais informaes esto disponveis em [27] e [28].

Um sistema fotovoltaico rastreador apresenta um ganho de 15% a 20% na

gerao de energia, em relao a um sistema fixo, pelo fato de estar posicionado sempre

perpendicularmente ao Sol, o que permite aproveitar ao mximo a radiao solar

incidente [11] e [20].

36

Captulo 2

Sistema de Controle Analgico

2.1 Introduo

O sistema para controle constitudo por um circuito para gerao de sinal

PWM para movimentao do painel fotovoltaico, utilizando dois motores CC de12V. A

localizao da fonte luminosa realizada por meio de um circuito eletrnico que, ao

detectar a posio do Sol por meio de sensores LDRs (light dependent resistor),

fornece aos semicondutores do inversor os pulsos de disparo.

Este captulo apresenta o desenvolvimento do circuito de controle, assim como o

funcionamento do mesmo, a importncia dos sensores LDRs utilizados e a gerao do

sinal PWM adotado neste projeto.

2.2Diagrama de Blocos

O circuito de controle, cujo diagrama de blocos est mostrado na figura 2.1,

possui sensores LDRs, componente cuja resistncia muda linearmente conforme varia a

incidncia de luz sobre o mesmo [26]. Estes sensores esto posicionados sobre o painel

fotovoltaico.

De posse das tenses sobre os sensores, estas so comparadas em um

amplificador diferencial (subtrator). Com este circuito obtm-se na sada uma tenso

igual diferena entre os sinais aplicados, multiplicada por um ganho, situao

suficiente para saber o quo diferente est a incidncia de luz nos sensores: quanto mais

prximo da tenso offset, mais direcionado perpendicularmente fonte de luz est o

painel, pois a intensidade luminosa nos dois sensores deve ser muito prxima ou igual.

Quanto maior esta diferena, acima ou abaixo da tenso de offset, mais a direita ou a

esquerda est a fonte de luz, pois um dos sensores est mais iluminado que o outro.

Aps o estgio diferencial, o sinal passa ainda por um circuito integrador para suavizar

as variaes na tenso de sada do amplificador diferencial.

Os pulsos de chaveamento so obtidos aps a modulao por largura de pulso

(comparador PWM).

prov

caso,

na sa

onda

sada

triang

sinal

Utilizand

eniente do a

, uma ond

ada do com

a triangular

Consider

a alta duran

gular, e sa

l complemen

F

Figura 2.1

do um amp

amplificado

da triangula

mparador, um

est mostra

rando a ond

nte a parte

da baixa ca

ntar, para co

Figura 2.2: C

: Diagrama

plificador o

or diferencia

ar que oscila

m sinal com

ado no Anex

da triangular

do perodo

aso contrrio

ontrolar os

Comportam

de blocos d

peracional

al e integrad

a acima e ab

m ciclo ativo

xo C.

r na entrada

o em que a

o (figura 2.

quatro semi

mento da sad

do circuito d

para comp

dor, com um

baixo desta

o especfico

a inversora d

a tenso CC

2). Inverten

icondutores

da do comp

de controle.

arar o sina

ma onda per

a tenso CC

o. O circuito

do amplific

C maior

ndo as entra

s do inverso

arador PWM

al de tenso

ridica que

C, obtendo a

o para gera

ador, o sina

que a tens

adas, obtm

or.

M

37

o CC,

neste

assim,

o da

al tem

o da

m-se o

38

Alm dos estgios da lgica para obteno dos pulsos, h tambm outros

circuitos que completam a lgica de controle, que so:

- regulador de tenso, para gerar a tenso offset dos sinais utilizados (mostrado

no Anexo C);

- gerador de onda triangular, para utilizar no comparador PWM; duas fontes

independentes, para isolar duas das chaves do inversor;

- circuito de isolamento dos pulsos (drive de isolamento), para interface entre o

circuito de controle e o inversor;

- circuito limitador de luminosidade, para manter o sistema de posicionamento

parado enquanto no houver luz suficiente para posicionar adequadamente o painel;

- conversor flyback para fornecer uma tenso contnua e estvel de 15 V aos

circuitos.

Estes circuitos so teis para contornar algumas necessidades da lgica de

controle e o funcionamento destes ser explicado no decorrer do trabalho.

2.2.1 Sensores LDR (light dependent resistor)

Como o intuito posicionar o mdulo perpendicularmente em relao ao Sol, os

pulsos do inversor devem ser obtidos baseados na distribuio da incidncia de luz no

painel solar. A obteno de informao sobre a irradiao de luz no ambiente feita por

meio de sensores LDRs, posicionados prximos superfcie da placa solar.

Utilizando os sensores configurados em um divisor de tenso, so obtidos

valores de tenso relacionados linearmente potncia do estmulo luminoso.

Figura 2.3: Sensores LDRs separados pelo anteparo.

O diferencial obtido pela diferena da intensidade luz incidente, por meio de

um anteparo entre os sensores (figura 2.3). A diferena entre os sinais obtidos aplicada

ao circuito de controle, conforme citado anteriormente.

39

Foram utilizados dois conjuntos sensores, conforme mostrado na figura 2.4,

instalados sobre a superfcie do mdulo fotovoltaico: o primeiro para controlar o giro e

o segundo para controlar a inclinao. Cada conjunto de sensores composto por quatro

LDRs (dois LDRs conectados em paralelo em cada lado do anteparo), pois assim

obteve-se uma taxa de variao suave da resistncia com a variao da intensidade

luminosa, promovendo uma equalizao dos valores reais apresentados pelos LDRs, o

que resultou em maior equilbrio dos valores, evitando deslocamentos rpidos que

causariam solavancos na estrutura durante o posicionamento do sistema.

Figura 2.4: Sensores LDRs instalados sobre a superfcie do mdulo fotovoltaico.

Os sensores foram instalados em suportes posicionados acima do painel solar,

com proteo para no haver incidncia de luz proveniente dos espelhos refletores.

2.2.2 Sinal PWM (pulse width modulation)

Para gerar o sinal PWM realizada a comparao entre o sinal do integrador do

circuito de controle (figura 2.5), e uma onda triangular de 25 kHz de freqncia.

Quando o sinal do integrador possuir um valor maior que o da onda triangular, o

controle ativa as chaves mpares do inversor e se o sinal possuir valor menor que a onda

triangular, as chaves pares so ativadas, conforme mostrado na figura 4.5.

40

Figura 2.5: Sinal PWM comparado com a onda triangular e os pulsos resultantes nas chaves do inversor monofsico.

2.3 Funcionamento do Circuito de Controle dos Eixos

A lgica de controle consiste em comparar as informaes obtidas pelos dois

conjuntos de sensores LDRs e depois utilizar o sinal diferencial em um comparador

PWM. Os sinais passam primeiramente pelo amplificador diferenciador compreendido

pelos componentes R5, R6, R7, R8 e U1C, conforme figura 2.6 a e b, cujo sinal de sada

a diferena das tenses aplicadas nas entradas, multiplicada por um ganho. Como a

alimentao negativa de todos os amplificadores operacionais est aterrada,

adicionado 7,5 V de offset. Se no houvesse o offset positivo, a tenso de sada seria

sempre 0 V quando a tenso aplicada entrada inversora (V-) fosse maior que a tenso

na entrada no-inversora (V+). Com a adio dos 7,5 V, obtm-se na sada do

diferenciador tenso entre 0 V e 7,5 V para V-> V+.

Por meio da anlise do circuito pela lei de corrente de Kirchhoff, a tenso de

sada do diferenciador dada por:

KR

VK

R

VVsensor

sensordif

171

5,71

7

11101

2 (2.1)

41

Este valor de tenso aplicado ao integrador, composto pelo capacitor C1 e

U1D. Os 7,5 V de tenso na entrada positiva agem como offset, resultando na sada do

integrador 7,5V quando as duas entradas apresentarem valores iguais. Este estgio faz

com que a tenso aumente ou diminua lentamente quando os sensores apresentarem

valores de resistncias diferentes um do outro.

O estgio final da lgica de controle para obteno dos pulsos o comparador

PWM. At este ponto, os valores de tenso obtidos pelos sensores foram comparados

entre si e depois integrados, mantendo 7,5 VDC de offset. Agora, o sinal comparado

com uma onda triangular, tambm com 7,5 VDC de offset, freqncia de 25 kHz para

gerao dos pulsos para disparo das chaves do inversor. Com esta comparao entre

uma tenso contnua e outra oscilando, possvel obter sinal com o ciclo ativo desejado.

Durante um perodo de onda triangular, enquanto a tenso aplicada entrada no-

inversora maior que a aplicada na inversora, o pulso de sada alto, caso contrrio a

sada baixa. Como o valor da tenso contnua proveniente do estgio diferencial,

ento est diretamente relacionada diferena das tenses obtidas nos divisores de

tenso dos sensores.

Assim, na sada do comparador PWM temos pulsos com ciclo ativo relacionado

diferena de tenso nos sensores. O circuito de controle implementado para controlar

os movimentos do sistema nos dois eixos est mostrado no Anexo A.

Figura 2.6 (a): Circuito para obteno dos pulsos para controle do inversor.

42

Figura 2.6 (b): Circuito para obteno dos pulsos para controle do inversor.

Foi necessrio considerar a condio de operao com baixa luminosidade, isto

, quando anoitecer ou quando o cu estiver parcial ou totalmente nublado. Assim, nesta

condio o circuito de controle pra de gerar sinais de pulso para os inversores. Isto foi

feito por meio do circuito limitador de luminosidade mostrado na figura 2.7. Este

circuito recebe o sinal de tenso dos sensores LDRs e compara os mesmos com uma

tenso de offset, ajustada em um valor especfico. Quando houver baixa incidncia de

luz, a sada Enable1, que est conectada ao circuito de controle juntamente com a

sada de pulsos em uma porta AND, estar em 0 (zero), fazendo com que no haja

pulsos na sada do circuito de controle. O circuito implementado est mostrado no

Anexo B.

43

Figura 2.7: Circuito limitador de luminosidade. O circuito de controle apresentou na sada das portas AND U3A e U3B (figura

2.6 b) as formas de onda apresentadas na figura 2.8, na qual observa-se que em

momento algum ocorre simultaneamente nvel lgico alto, o que danificaria os

semicondutores.

Figura 2.8: Pulsos complementares gerados pelo circuito de controle. A figura 2.9 mostra o sinal resultante da soma das duas formas de onda.

Observa-se a existncia de um intervalo de tempo sem pulso alto, resultado do tempo de

44

carga do capacitor do circuito RC (figura 2.6 b) presente em uma das entradas da porta

AND, garantindo que os quatro MOSFETs no conduzam simultaneamente.

Figura 2.9: Forma de onda resultante dos pulsos complementares.

Aps a realizao de testes do circuito de controle em laboratrio, o mesmo foi

montado em placa de circuito impresso e instalado em um painel junto estrutura

mecnica, conforme mostra a figura 2.10 a, b e c.

(a) (b) (c) Figura 2.10: Montagem do circuito de controle junto estrutura mecnica.

45

2.4 Conversor Flyback

Todo o sistema de controle, que constitudo pelo circuito de controle

analgico, inversor e drives isoladores de pulsos, precisa ser alimentado pela energia

gerada pelo mdulo fotovoltaico. Para isto, foi implementado um conversor flyback

modo contnuo, operando com controle em malha fechada (mostrado no Anexo F), com

tenso estvel de sada de 15 V, considerando que a tenso de entrada pode variar de 24

V a 30 V (variao apresentada na sada do painel fotovoltaico).

Para a implementao do conversor, considerou-se a condio de baixa radiao

solar, que ocorre com cu nublado ou noite, pois nestas situaes no h fornecimento

de energia suficiente para o conversor alimentar o sistema de controle. Para solucionar

isto, utilizou-se uma bateria auxiliar, conectada sada do conversor, que tambm

alimenta o sistema de controle.

No momento em que houver radiao solar adequada, o conversor flyback volta

a alimentar todo o sistema de controle e tambm recarrega a bateria. O circuito do

conversor implementado est mostrado no Anexo G.


O circuito de controle proposto inicialmente apresentou uma taxa de variao

dos pulsos de sada, para os inversores, demasiadamente rpida, dificultando e

estabilizao do sistema na posio perpendicular ao Sol. Quando isso ocorria, os

motores para posicionamento movimentavam-se para um lado ou outro, sem parar no

ponto correto. Isto foi solucionado alterando os valores dos resistores e do capacitor do

amplificador diferencial para obter um ganho melhor, permitindo que a ao integral

apresentasse uma taxa de variao suave, para o correto posicionamento do painel.

Inicialmente foi utilizado um conjunto de sensores LDRs, constitudo por um

LDR em cada lado do anteparo, porm verificou-se que a taxa de variao da resistncia

com a variao da luminosidade era demasiadamente elevada, o que causava solavancos

durante o posicionamento do mdulo. Isto foi solucionado adicionando mais um LDR,

conectado em paralelo, em cada lado do anteparo, para obter uma taxa de variao

suave da resistncia dos mesmos, resultando em movimentos lentos durante o

posicionamento do mdulo. Durante o perodo ensolarado, verificou-se que os LDRs

apresentam mudanas na taxa de variao da resistncia, devido influncia da

temperatura, porm isto no afetou o rastreamento do Sol pelo circuito de controle.

46

Captulo 3

Circuito de Potncia para Acionamento dos Motores

3.1 Introduo

O posicionamento do mdulo fotovoltaico perpendicular ao Sol, realizado por

meio do controle de dois motores: um para girar e outro para inclinar o painel. Cada

motor controlado por um inversor monofsico em ponte-completa (full bridge) [23]

que fornece uma tenso positiva ou negativa, conforme o controle feito pelo sinal

PWM para chaveamento dos semicondutores. O inversor monofsico, alimentado por

um conversor flyback com tenso estvel de sada de 15 V.

O funcionamento do inversor empregado no projeto com suas principais formas

de onda, assim como a operao dos motores utilizados so mostrados neste captulo.

3.2 Inversor Monofsico

Com o intuito de controlar o sentido de rotao e velocidade do motor utilizou-

se um inversor (conversor CC-CA). Os inversores tm a funo de transformar uma

tenso contnua e estvel, fornecida pelo conversor flyback, em uma tenso positiva ou

negativa para os motores. Os nveis de tenso ou de corrente podem ser fixos ou

variveis, assim como sua freqncia de operao [22]. Atualmente, existem dois tipos

de inversores, classificados de acordo com: nmero de fases, forma de utilizao de

semicondutores de potncia, comutao e formas de ondas de sada [23].

3.2.1 Funcionamento do Inversor

Com a utilizao de quatro semicondutores MOSFETs nos dois braos do

inversor, o funcionamento consiste em disparos cruzados dos semicondutores, isto ,

M1 conduzindo com M3 e M2 com M4, conforme o esquema elementar mostrado na

figura 3.1.

47

Figura 3.1: Esquema elementar do inversor.

A seguir so mostradas as etapas dos disparos, enquanto que a figura 3.2 mostra

os pulsos em todas as chaves e a forma de onda na sada para uma carga puramente

resistiva.

Figura 3.2: Formas de onda e tenso para o inversor.

Como visto na figura 3.2, quando os semicondutores mpares (M1 e M3)

conduzem, a tenso de sada do inversor ser positiva e quando os semicondutores pares

(M2 e M4) estiverem conduzindo a sada ser negativa.

Etapa 1: T0< t < T1

48

Neste momento M1 conduz junto com M3 e a tenso da fonte DC aplicada na

carga.

Etapa 2: T1< t < T2

Para evitar a conduo simultnea de M1 com M4 (ou M2 com M3) resultando

em um curto-circuito, todos os semicondutores esto em corte, no havendo

tenso aplicada na carga.

Etapa 3: T2< t < T3

Neste momento M2 conduz com M4 e a tenso da fonte DC aplicada na carga

com polaridade invertida.

Etapa 4: T3< t < T4

Para evitar a conduo simultnea de M1 com M4 (ou M2 com M3) resultando

em um curto-circuito, ocorre um intervalo de tempo (tempo morto) no qual os

transistores permanecem em corte, no havendo tenso aplicada na carga, como ocorre

igualmente na etapa 2. O circuito do inversor monofsico utilizado neste trabalho, com

os MOSFETs, mostrado na figura 3.3.

Figura 3.3: Circuito do inversor monofsico em ponte completa.

3.3 Semicondutores

Considerou-se para escolha dos transistores utilizados a tenso aplicada nos

mesmos, bem como as correntes: mdia, eficaz e de pico, que circularo nestes. Os

semicondutores esto sujeitos a tenso de entrada do inversor, que 15 V.

49

Para determinar a corrente eficaz e a mdia considerou-se uma carga puramente

resistiva. Como a razo cclica pode atingir 100% devido s caractersticas de controle

[24], para o caso mais crtico a corrente mdia possui valor igual ao da corrente eficaz.

Para suportar estas condies operacionais deste trabalho, foi selecionado um

transistor MOSFET modelo IRF-540, cujos parmetros (obtidos do datashet) so os

seguintes:

Tenso drain-source - VDS = 100 V;

Tenso drain-gate VDRG = 100 V;

Corrente de dreno contnua (25C) - ID = 22 A;

Corrente de dreno contnua (100C) ID = 15 A;

Corrente de dreno pulsada (na regio segura de operao) IDM = 88 A;

3.4 Snubbers

Durante o processo de chaveamento do conversor, podem surgir oscilaes de

alta freqncia nos transistores e tambm nos diodos de potncia devido s indutncias

intrnsecas existentes nas trilhas e componentes e tambm s capacitncias dos

semicondutores, com elevadas derivadas de tenso e corrente.

Um modo de evitar tais problemas inserir um snubber, podendo este estar em

srie ou em paralelo com o componente a ser protegido. Isso mantm o MOSFET em

uma rea de operao segura. O snubber pode ser passivo (utilizam resistores,

capacitores, indutores e diodos) ou ativo (incluem transistores e outros elementos ativos,

sendo usualmente mais complexos que os passivos). Tambm podem ser classificados

como dissipativos (a energia armazenada no snubber pode ser dissipada em um resistor)

ou regenerativos (caso a energia armazenada seja transferida para a entrada e/ou para a

sada).

Os snubbers so pequenos circuitos inseridos em circuitos estticos de potncia,

cuja funo controlar os efeitos produzidos pelas reatncias intrnsecas do circuito e

podem amortecer oscilaes, controlar a taxa de variao de tenso e/ou corrente e

ainda, grampear sobretenses. Com o projeto adequado do snubber, os semicondutores

apresentam menor dissipao de potncia mdia, picos menores de tenso, corrente e

potncia dissipada. Isto resulta em maior confiabilidade, maior eficincia, menor peso,

menor volume e menos interferncia eletromagntica. Suas caractersticas so

maximizadas quando sua posio na placa de circuito impresso for o mais prximo

50

possvel do semicondutor a ser protegido [24]. A figura 3.4 mostra o esquema para

snubber tipo dissipativo, utilizado neste projeto com um diodo ultra-rpido modelo UF-

4004.

Figura 3.4: Snubber dissipativo convencional para um transistor.

3.5 Funcionamento do Inversor com Filtro de Sada

A implementao de um filtro deve-se ao fato do circuito de controle operar em

alta freqncia e no momento em que o painel estiver posicionado com ngulo de 90

com o Sol, o controle fornecer um sinal para as chaves com razo cclica de 50% e

freqncia de 25 kHz (adotado neste trabalho) e a tenso antes do filtro LC ficar

alternando nessa freqncia com a forma de onda mostrada na figura 3.5.

Figura 3.5: Formas de onda de tenso e corrente na sada do inversor.

51

Tornou-se necessrio implementar um filtro LC que eliminasse as variaes em

altas freqncias e passasse para a carga somente o valor mdio dos pulsos enviados

pelo circuito de controle. O filtro implementado do tipo passa-baixa com freqncia

de corte de 120 Hz. A equao 3.1 permite de dimensionamento dos componentes do

filtro LC.

(3.1)

O esquema do circuito com o filtro passa-baixa mostrado na figura 3.6 e o

esquema completo est mostrado na figura 3.3.

Figura 3.6: Inversor com filtro LC.

O circuito equivalente para entrada AC foi utilizado para determinar a

freqncia de corte do filtro, a figura 3.7 mostra a simplificao de um filtro LC

anlogo ao utilizado neste projeto.

Figura 3.7: Filtro LC utilizado no inversor.

52

(a) (b)

Figura 3.8: Filtros equivalentes (a) e (b) possuem as mesmas caractersticas de

funcionamento.

A partir da simplificao apresentada na figura 3.8 obtm-se a equao 3.2 para

o filtro LC do inversor. Considerando um indutor LX com baixa reatncia indutiva (para

que haja baixa perda no indutor), uma freqncia de corte de 120 Hz, que resulta em

uma atenuao de 3 dB nesta freqncia, um valor de indutncia de 880 H, que

apresenta baixa impedncia (XL = 0,664 ) para a freqncia de corte, pode-se

determinar o valor do capacitor por meio da equao 3.2, que de 1000 F.

(3.2)

Assim, o filtro LC apresenta, para freqncias maiores que a freqncia de corte,

uma atenuao de 40 dB/dec.

3.6 O Motor de Corrente Contnua

3.6.1 Estrutura

O motor de corrente contnua de duas estruturas magnticas:

Estator (enrolamento de campo ou im permanente);

Rotor (enrolamento de armadura).

53

O estator composto por uma estrutura ferromagntica com plos salientes aos

quais so enroladas as bobinas que formam o campo. O rotor um eletrom constitudo

de um ncleo de ferro com enrolamentos na superfcie que so alimentados por um

sistema mecnico de comutao. Este sistema formado por um comutador e por

escovas fixas, que exercem presso sobre o comutador e que so ligadas aos terminais

de alimentao. O propsito do comutador inverter a corrente na fase de rotao

apropriada de forma que o conjugado desenvolvido seja sempre na mesma direo.

Os enrolamentos do rotor compreendem bobinas de n espiras. Ambos os lados

de cada enrolamento so inseridos em ranhuras com espaamento igual ao de dois plos

do estator de modo que, quando os condutores de um lado esto sob o plo norte, os

condutores do outro lado esto sob o plo sul. As bobinas so conectadas em srie por

meio das lminas do comutador, com o final da ltima conectado ao incio da primeira.

3.6.2 Funcionamento do Motor CC

Um desenho esquemtico de um motor CC mostrado na figura 3.9, onde o

estator representado por meio de ims permanentes e o rotor representado por uma

bobina de fio de cobre por onde circula uma corrente eltrica. Uma vez que as correntes

eltricas produzem campos magnticos, essa bobina se comporta como um im

permanente, com os plos resultantes norte e sul.

Figura 3.9: Funcionamento de um motor CC.

54

Iniciando a descrio pela situao ilustrada em (a), a bobina est posicionada

horizontalmente, como plos opostos se atraem, a bobina experimenta um torque que

age no sentido de girar no sentido anti-horrio. A bobina sofre acelerao angular e

continua seu giro para esquerda, conforme ilustrado em (b).

O torque continua at que os plos da bobina alcancem os plos opostos dos

ims fixos (estator). Nesta situao (c), a bobina girou 90, no h torque algum, uma

vez que a direo da fora eletromagntica passa pelo centro da rotao. Assim, o rotor

est em equilbrio, ou seja, a fora e o torque resultantes so nulos. Este o instante

adequado para inverter o sentido da corrente na bobina. Agora, os plos de mesmo

nome esto muito prximos e a fora de repulso intensa. Devido inrcia do rotor e

como a bobina j apresenta um momento angular para a esquerda, esta continua

girando para a esquerda no sentido anti-horrio e o novo torque, agora propiciado por

foras de repulso, como em (d), colabora para e manuteno e acelerao do

movimento de rotao.

Estas atraes e repulses bem coordenadas que fazem o rotor girar. A

inverso do sentido de corrente, denominada de comutao, no momento oportuno,

indispensvel para a manuteno dos torques favorveis, os quais garantem o

funcionamento dos motores.

3.6.3 Controle de Velocidade

O controle de velocidade de um motor de corrente contnua se d por meio do

controle da tenso aplicada em sua armadura. O modelo eltrico do motor de corrente

contnua, disposto na figura 3.10, mostra as caractersticas eltricas do mesmo.

Figura 3.10: Esquema equivalente do motor CC.

55

Utilizando a lei de Kirchoff:

Ua = Ra Ia L Ia + E (2.3)

Onde:

Ua = tenso da armadura (V);

Ra = resistncia da armadura ( );

Ia = corrente da armadura (A);

E = fora eletromotriz induzida (V).

Considerando que a resistncia da armadura muito pequena e a corrente

constante, possvel simplificar a equao para:

Ua = E (2.4)

Pela lei da induo de Faraday, sabe-se que a fora eletromotriz proporcional

rotao a ao fluxo magntico.

E = K1 n (2.5)

Onde:

K1 = constante que depende da construo do motor;

= fluxo magntico no entreferro;

n = velocidade de rotao do motor;

Combinando as equaes acima:

N = Ua K1

Portanto, a velocidade de rotao proporcional tenso aplicada na armadura e

inversamente proporcional ao fluxo no entreferro.

O controle de velocidade, at a velocidade nominal, feito por meio da variao

do valor da tenso da armadura do motor, mantendo-se o fluxo constante. Velocidades

superiores nominal podem ser obtidas pela diminuio da intensidade do fluxo,

mantendo-se a tenso da armadura constante. Para diminuio deste fluxo necessria a

diminuio da corrente de campo, controle este que foge do escopo deste trabalho. A

velocidade nominal do motor definida por meio da corrente de armadura nominal,

pelos aspectos trmicos do dimensionamento do motor e da tenso da resistncia da

armadura.

Quando o torque requerido pela carga for constante, o motor demanda uma

corrente de armadura praticamente constante e somente durante aceleraes geradas

pelo aumento do valor da tenso que a corrente eleva-se transitoriamente para acelerar

a mquina, retornando aps isso ao valor inicial.

56

Sendo assim, em regime, o motor CC opera com corrente de armadura

praticamente constante e o valor desta corrente determinado pela carga aplicada no

eixo. Assim, no modo de variao de rotao por meio da variao da tenso da

armadura, at a rotao nominal, o motor tem a disponibilidade de acionar a carga

exercendo um torque constante em qualquer valor de rotao de regime estabelecida.

Observa-se que uma grande vantagem do motor CC o alto torque que apresenta

quando opera com baixas rotaes e tambm, torque constante at o valor de rotao

nominal.

Neste projeto utilizou-se um motor de corrente contnua de 12 W, usado em

limpador pra-brisa de veculos. Esse tipo de motor possui um redutor no eixo, que

diminui a velocidade angular a aumenta o torque. O motor utilizado, mostrado na figura

3.11, possui valores de indutncia e resistncia de 1,054 mH e 16,19 ,

respectivamente.

Figura 3.11: Motor CC utilizado no projeto.

3.7 Testes Realizados

Aps a montagem do circuito de controle (para gerao de pulsos PWM) e do

inversor, conectado ao motor, os testes foram realizados por meio da obteno da forma

de onda de sada do inversor. Foram obtidos sinais de razo cclica (D) igual a 50%

(carga em equilbrio) e de 75%. O intuito destes testes foi verificar se a operao do

sistema ocorria conforme os parmetros de projeto.

3.7.1 Tenso na Carga com Sinal de Razo Cclica de 50%

A figura 3.12 mostra a tenso no motor com sinal de entrada de 12,5 kHz e razo

cclica 50% e a figura 3.13 mostra a tenso no motor com sinal de entrada de 25 kHz e

razo cclica 50%.

57


Figura 3.13: Tenso na carga com sinal de entrada de 25 kHz e D = 50%

Observa-se, por meio dos grficos, uma diminuio da tenso com o aumento da

freqncia de operao e que, quando o circuito opera acima da freqncia de corte do

filtro, a tenso mdia no motor de valor prximo a zero, mostrando que o motor

permanece parado nesta condio.

58

3.7.2 Tenso na Carga com Sinal de Razo Cclica de 75%

A figura 3.14 mostra a tenso no motor com sinal de entrada de 12,5 kHz e razo

cclica 75% e a figura 3.15 mostra a tenso no motor com sinal de entrada de 25 kHz e

razo cclica 75%.



Verificou-se, por meio dos grficos que quando ocorria variao da razo cclica

surgiram tenses com valores em mdulo prximos a 5 V de pico, ou seja, quando o

59

circuito de controle fornecer sinais com razes cclicas diferentes de 50% (quando o

motor est parado) surgir uma tenso na sada do inversor, fazendo com que o motor

tenha potncia suficiente para movimentar o painel fotovoltaico para a posio

adequada.


Verificou-se, por meio dos testes realizados, que o circuito de acionamento dos

motores funcionou satisfatoriamente, fornecendo tenso suficiente para os motores,

conforme as caractersticas previstas em projeto, sendo que no houve a necessidade de

adaptaes ou mudanas no modelo proposto inicialmente.

Observou-se que os motores utilizados promovem uma movimentao lenta e

suave do sistema mecnico, posicionando do mdulo fotovoltaico de acordo com o

deslocamento do Sol ao longo do dia. Apresentam alta durabilidade e resistncia, pois

ficaram expostos ao calor e umidade durante a realizao dos testes sem apresentar

falhas.

60

Captulo 4

Estrutura Mecnica

4.1 Introduo

Este captulo apresenta o desenvolvimento da estrutura mecnica utilizada para o

posicionamento do painel solar. A estrutura foi desenvolvida de forma emprica, de

modo a obter os resultados esperados para validar o projeto proposto, sendo que

inicialmente foi implementada em um eixo e posteriormente em dois eixos.

O movimento em dois eixos do painel solar, conforme proposto neste trabalho,

realizado por meio de uma estrutura composta por dois motores CC, utilizados em

sistemas automotivos para limpador de pra-brisas, devido ao fato de serem robustos

(apresentam alta durabilidade, resistncia ao calor e umidade), de baixo custo e de fcil

manuteno.

4.2 Projeto da Estrutura Mecnica

Inicialmente, foi montada uma estrutura de madeira, conforme mostra a figura

4.1, que permitia movimentao em apenas um eixo para ensaios em laboratrio. O

suporte foi confeccionado em madeira devido facilidade em se encontrar este material

e tambm sua fcil manipulao. No suporte foi fixada uma guia com dentes para

acoplamento na cremalheira, que por sua vez foi acoplada ao eixo mvel.

Figura 4.1: Estrutura de madeira para ensaios em laboratrio.

A rosca sem fim foi instalada diretamente no eixo do motor, conforme mostra a

figura 4.2, para proporcionar um travamento do sistema quando o motor estiver parado.

61

Caso isso no ocorresse, o peso da placa faria com que o motor retornasse ao

ponto de equilbrio e assim, o sistema de controle teria que fornecer potncia

constantemente para manter o painel fotovoltaico na posio adequada.

Figura 4.2: Esquema de acoplamento da rosca sem fim no motor e na cremalheira.

O motor foi instalado o mais prximo possvel do suporte a fim de reduzir o

tamanho do conjunto e facilitar o encaixe.

A estrutura montada para posicionar o painel solar de acordo com o escopo deste

trabalho mostrada na figura 4.3.

Figura 4.3: Estrutura para posicionamento do painel solar.

Possui movimentao em dois eixos, permitindo que ocorra por meio do circuito

de controle, a inclinao e o giro simultaneamente. Desta forma obtido o correto

posicionamento do painel fotovoltaico.

Como o intuito deste trabalho aproveitar o mximo possvel de energia

luminosa, foram instalados na estrutura espelhos concentradores posicionados a 45 de

62

inclinao em relao ao eixo normal do painel, com o objetivo de aumentar a

intensidade luminosa incidente, conforme mostra figura 4.4. Isso promoveu maior

incidncia de luz sobre o painel fotovoltaico, aumentando a eficincia durante a

captao e gerao de energia, pois assim h maior radiao solar sobre as clulas

fotovoltaicas, no havendo perdas ou reduo considervel da potncia gerada, mesmo

em condies de baixa luminosidade (cu parcialmente nublado).

Figura 4.4: Estrutura para posicionamento do painel solar com espelhos concentradores.

Os espelhos foram fixados na estrutura por meio de parafusos e tirantes com

rosca sem fim, de tal forma que a distribuio das tenses e esforos ocorresse sem

causar aumento indesejado de carga nos eixos dos motores. Foram fixados de modo que

no ocorresse incidncia de luz sobre os sensores detectores de luz solar, evitando assim

eventuais erros de posicionamento do painel.

O controle da inclinao da estrutura feito pelo sistema de acoplamento,

mostrado na figura 4.5 (a) e (b), e o controle do giro, pelo sistema de acoplamento

mostrado na figura 4.6 (a) e (b).

Os motores utilizados para movimentao nos dois eixos so de corrente

IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA DE CONTROLE … · Figura 2.6 (a) e (b): Circuito para obtenção dos...

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