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UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR CURSO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO CURSO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO PAINEL SOLAR FOTOVOLTAICO GIRASSOL: SISTEMA DE POSICIONAMENTO AUTOMÁTICO DE PLACAS SOLARES Antonio Ramires Dantas Raimundo Celeste Ghizoni Teive, Doutor Eng. São José, Novembro / 2012
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UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR
CURSO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO
CURSO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO
PAINEL SOLAR FOTOVOLTAICO GIRASSOL:
SISTEMA DE POSICIONAMENTO AUTOMÁTICO DE PLACAS
SOLARES
Antonio Ramires Dantas
Raimundo Celeste Ghizoni Teive, Doutor Eng.
São José, Novembro / 2012
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UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR
CURSO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO
CURSO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO
PAINEL SOLAR FOTOVOLTAICO GIRASSOL:
SISTEMA DE POSICIONAMENTO AUTOMÁTICO DE PLACAS
SOLARES
Antonio Ramires Dantas
São José, Junho / 2012
Orientador: Raimundo Celeste Ghizoni Teive, Doutor Eng.
Área de Concentração: Eficiência Energética de Painéis Fotovoltaicos
Linha de Pesquisa: Eficiência Energética Solar
Palavras-chave: Módulo Fotovoltaico, Eficiência Energética, Microcontrolador.
Número de páginas: 67
RESUMO
A energia solar possui um comportamento muito variável e seu aproveitamento na obtenção de
energia elétrica depende das condições climáticas, pois não são todos os dias que essas condições são
ideais para captação solar, sem nenhum tipo de interferência, tais como; dias nublados, estações de
chuvas e períodos de pouca incidência solar. O objetivo principal deste trabalho é analisar formas de
melhorar a eficiência energética produzida pelas células solares. Neste sentido é proposto o uso de um
microcontrolador para o posicionamento automático do módulo fotovoltaico de forma a direcioná-lo,
conforme o posicionamento do sol, otimizando-se assim a captação de radiação solar. A avaliação do
ganho na geração de energia elétrica é feita por dois tipos de sistemas, ambos nas mesmas condições
climáticas. O diferencial entre ambos será a forma de instalação de sua base de suporte para os painéis,
sendo um com base fixa e outro com base móvel (micro-controlada). Com isso verificou-se um
aumento da geração de energia com o sistema móvel em relação ao sistema fixo, onde demonstraram
em qual período do dia os painéis fixos tendem a ter sua eficiência reduzida, devido ao fato de estarem
mal posicionados em relação ao sol.
iii
ABSTRACT
Solar energy has a very variable behavior and it's use in obtaining electricity depends on
climatic conditions, not every day has the ideal conditions for capturing solar enegery, there are some
kinds of interference, such as; cloudy, rainy seasons and periods of low solar incidence. The main
objective of this work is to analyze ways to improve energy efficiency produced by photovoltaic
modules. In this regard it is proposed to use a microcontroller to control the automatic placement of the
photovoltaic module in order to follow the sun position, thus optimizing the capture of solar radiation.
The evaluation of the gain in power generation will be done by two types of systems, both in the same
climatic conditions. The difference between them is the support base installation for photovoltaic
modules, one of them has a fixed base and the other has a controlled mobile base. From the results
obtained during the experiments the benefits of the automatic position system will be evaluated and
verified to observe if there is an increase in the mobile base power generation system compared to the
fixed one. Thus, we seek to verify the feasibility of this system in the implementation of real
applications.
iv
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Estrutura da oferta interna de energia elétrica no Brasil ......................................................... 14
Figura 2. Consumo setorial de eletricidade no Brasil ............................................................................. 16 Figura 3. Energia Eólica.......................................................................................................................... 19 Figura 4. Produção Estimada de Energia Eólica x Vazão do Rio São Francisco ................................... 20 Figura 5. Matriz de consumo final de energia nos anos de 1973 e 2006 ................................................ 23 Figura 6. Estrutura de uma célula fotovoltaica ....................................................................................... 26
Figura 7. Módulo rígido de silício monocristalino ................................................................................. 27 Figura 8. Módulo rígido de silício policristalino .................................................................................... 27
Figura 9. Módulo flexível de silício amorfo. .......................................................................................... 28 Figura 10. Característica de saída corrente versus tensão de um painel fotovoltaico típico para dois
valores de radiação solar com temperatura constante. .................................................................... 29 Figura 11. Visão geral do protótipo ........................................................................................................ 36 Figura 12. Visão geral dos componentes ................................................................................................ 37
Figura 13. Visão da disposição dos sensores .......................................................................................... 37 Figura 14. Fluxograma do sistema .......................................................................................................... 38 Figura 15. Diagrama de caso de uso do sistema controlador .................................................................. 40 Figura 16. Diagrama de classe do sistema controlador ........................................................................... 43
Figura 17. Uma célula monocristalino .................................................................................................... 44 Figura 18. Módulo fixo de 45º de inclinação .......................................................................................... 45
Figura 19. Suporte articulado .................................................................................................................. 45 Figura 20. Servo motor desmontado ....................................................................................................... 46
Figura 21. Largura do pulso .................................................................................................................... 47 Figura 22. Suporte articulado da base móvel .......................................................................................... 48
Figura 23. Base móvel ............................................................................................................................ 48 Figura 24. Sensor de LDR....................................................................................................................... 49 Figura 25. Shield microSd WaveShare ................................................................................................... 50
Figura 26. Protoboard ............................................................................................................................. 50 Figura 24. Laço de repetição, responsável por realizar a leitura e média dos valores. .......................... 52 Figura 28. Sistema mecânico .................................................................................................................. 53
Figura 29. Lógica para movimentar o painel. ........................................................................................ 53 Figura 30. Diagrama de bloco dos sensores. ........................................................................................... 54
Figura 31. Método responsável pela gravação dos dados. ..................................................................... 55 Figura 32. Trecho de código de verificação dos valores ......................................................................... 55
Figura 32. Validação da tensão do painel com o sistema e um multímetro ............................................ 56 Figura 34. Método responsável por gerar o gráfico ................................................................................ 57 Figura 35. Montagem do experimento ................................................................................................... 58
Figura 36. Posição dos sensores LDR ..................................................................................................... 59 Figura 37. Condições climáticas ............................................................................................................ 59
Figura 38. Gráfico de tensão durante o período do dia ........................................................................... 61 Figura 39. Gráfico obtido pelo Office da Microsoft ............................................................................... 62
v
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Consumo setorial de eletricidade no Brasil (em 103
tep) ........................................................ 16
Tabela 2. Oferta e demanda de energia eólica ........................................................................................ 20 Tabela 3. Eficiência conforme o material de fabricação dos módulos ................................................... 30 Tabela 4. Requisitos funcionais .............................................................................................................. 39 Tabela 5. Requisitos não funcionais ....................................................................................................... 39 Tabela 6. Dados coletados no dia 02/11/2012 ........................................................................................ 60
Tabela 7. Dados coletados dia 03/11/2012 ............................................................................................. 62 Tabela 8. Dados médios de geração de energia elétrica por ambos os painéis ....................................... 63
iv
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
BEN Balanço Energético Nacional
EPE Empresa de Pesquisa Energética
MME Ministério de Minas e Energia
TCC Trabalho de Conclusão de Curso
TEP Tonelada equivalente de petróleo
UNIVALI Universidade do Vale do Itajaí
v
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO .......................................................................................... 7
1.1 PROBLEMA DE PESQUISA............................................................................. 9
1.1.1 Solução Proposta ............................................................................................... 9
1.1.2 Delimitação de Escopo .................................................................................... 10
1.1.3 Justificativa ...................................................................................................... 10
1.2 OBJETIVOS ...................................................................................................... 11
1.2.1 Objetivo Geral ................................................................................................. 11
1.2.2 Objetivos Específicos ...................................................................................... 11
1.3 METODOLOGIA .............................................................................................. 11
1.3.1 Metodologia da Pesquisa ................................................................................ 11
1.3.2 Procedimentos Metodológicos ........................................................................ 12
1.3.3 Estrutura do Trabalho .................................................................................... 13
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ...................................................... 14
2.1 MATRIZ ENERGÉTICA NACIONAL .......................................................... 14
2.1.1 Consumo Energético Por Setor ...................................................................... 16
2.2 ENERGIA RENOVÁVEL NO BRASIL ......................................................... 17
2.2.1 Classificação de Energia Renovável .............................................................. 18
2.3 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA .......................................................... 24
2.3.1 Definições ......................................................................................................... 24
2.3.2 Efeito fotovoltaico............................................................................................ 25
2.3.3 Tipos de Células Solares ................................................................................. 26
2.3.4 Classificação de Eficiência Energética .......................................................... 28
2.4 CONSIDERAÇÕES .......................................................................................... 31
3 TRABALHOS RELACIONADOS .................................................... 32
3.1 1. PROCESSAMENTO DA ENERGIA ELÉTRICA PROVENIENTE DE
MÓDULOS FOTOVOLTAICOS ............................................................................ 32
3.2 2. EFICIÊNCIA DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONSIDERANDO
CURVA DE CARGA ................................................................................................ 32
3.3 3. ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE CENÁRIO ENERGÉTICO DO
BRASIL E PORTUGAL COM O FOCO NAS FONTES ALTERNATIVAS DE
ENERGIA .................................................................................................................. 32
3.4 4. SISTEMA DE POSICIONAMENTO AUTOMÁTICO PARA
AUMENTAR A CONVERSÃO DE ENERGIA EM PAINÉIS
FOTOVOLTAICOS .................................................................................................. 32
3.5 5. SISTEMA DE POSICIONAMENTO AUTOMÁTICO DE PAINEL
FOTOVOLTAICO .................................................................................................... 33
3.6 6. SISTEMA PARA OPTIMIZAÇÃO DA EXTRACÇÃO DE ENERGIA
DE PAINÉIS SOLARES FOTOVOLTAICOS ...................................................... 33
vi
3.7 ANÁLISE COMPARATIVA............................................................................ 33
4 DESENVOLVIMENTO ...................................................................... 35
4.1 VISÃO GERAL DO SISTEMA ....................................................................... 35
4.2 ANÁLISE DE REQUISITOS ........................................................................... 38
4.3 MODELAGEM DO SISTEMA ........................................................................ 39
4.3.1 Caso de uso ....................................................................................................... 39
4.3.2 Diagrama de classe .......................................................................................... 43
4.4 DETALHAMENTO DO DESENVOLVIMENTO......................................... 44
4.4.1 Etapa construção dos módulos ...................................................................... 44
4.4.2 Etapa de projeto e desenvolvimento .............................................................. 49
4.4.3 Etapa de desenvolvimento do software ......................................................... 51
4.5 DESCRIÇÃO DOS EXPERIMENTOS .......................................................... 58
4.6 RESULTADOS .................................................................................................. 60
5 CONCLUSÕES .................................................................................... 66
5.1 TRABALHO FUTUROS .................................................................................. 67
7
INTRODUÇÃO
Não há dúvidas que as fontes renováveis de energia conhecidas como não tradicionais, terão
cada vez mais participação relevante na matriz energética global durante as próximas décadas. Há
necessidade de explorar novos recursos de tal forma a ampliar a diversificação da matriz energética,
não ficando apenas restrito aos recursos tradicionais, os quais são finitos e tendem a escassez.
Com o crescente aumento da demanda energética, o governo tem adotado algumas medidas de
precaução, pois o crescimento médio anual do consumo de energia elétrica chega a 4,4% a.a, no
cenário atual. Na medida em que o Brasil passa por profundas transformações no seu perfil
demográfico, não só em termos da dinâmica de crescimento populacional, mas também com relação a
sua distribuição geográfica e seu rápido processo de urbanização, refletindo de forma significativa no
que diz respeito ao consumo de energia. Estudos de longo prazo acenam um aumento da população de
53 milhões de habitantes até o ano 2030, com isso pode-se chegar a uma população total de
aproximadamente 238 milhões de habitantes contra uma população atual de 185 milhões (LOBÃO,
2008).
Com todo esse crescimento demográfico nacional, o investimento em fontes de geração de
energia elétrica não se deve limitar apenas a insumos naturais: gás natural, petróleo, carvão minerais e
demais fósseis, pois as reservas naturais estão com os seus dias contados devido ao uso extensivo de
combustíveis fósseis, que levam eras geológicas para se formarem, acarretando a escassez desses
recursos, com isso é estimulado os investimentos em outras fontes renováveis de energia elétrica.
Segundo BEN (2012), o Brasil apresenta uma situação privilegiada na utilização de fontes
renováveis. No ano de 2012 a produção de eletricidade na matriz elétrica do país chegou a 88,8% de
energia renovável, ou seja, um aumento de 2,5% em relação a 2011. Já a média mundial de produção
de energia em outros países é de 19.5% e em países desenvolvidos cai para menos da metade, apenas
7%. Com isso o governo adaptou o projeto para o desenvolvimento das energias alternativas com a
implantação do Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (PROINFA).
Segundo Abdo (2004), o PROINFA foi criado no âmbito do Ministério de Minas e Energia (MME)
pela Lei nº 10.438, de 26 de abril de 2002, e revisado pela Lei nº 10.762, de 11 de novembro de 2003.
Segundo Rüther (2004), a Terra recebe anualmente 1,5 x 1018
kWh de energia solar, o que
corresponde a 10.000 vezes o consumo mundial de energia neste período. Este fato indica que além de
8
ser essencial para a manutenção da vida na Terra, a radiação solar constitui uma fonte energética
inesgotável, havendo um enorme potencial de utilização da radiação solar por meio de sistemas de
captação, armazenamento e conversão em outras formas de energia (térmica, elétrica, etc.).
Com o crescente aumento do uso de sistemas fotovoltaicos, as pesquisas com intuito de
aumentar a eficiência desses sistemas buscam diferentes meios para alcançar este objetivo, desde
formas de instalação, materiais usados entre outros. As variadas tecnologias de construção das células
fotovoltaicas têm sido pesquisadas nas últimas décadas, sempre com um objetivo maior de reduzir
custo das células e aumentar a eficiência, tendo como resultado uma melhoria na conversão de energia
solar em elétrica (JOSÉ, 2007).
Além dessas possibilidades, pode-se pensar em desenvolver soluções que resultem em ganhos
significativos na geração de energia, como, por exemplo, o desenvolvimento de um sistema que
permita posicionar automaticamente os painéis solares de acordo com a localização do sol,
aumentando assim a radiação solar que incide nos painéis, obtendo-se uma maior geração de potência
elétrica produzida.
Este trabalho de conclusão tem como objetivo projetar um sistema embarcado que seja capaz
de realizar a leitura dos sensores de luminosidade, de modo a determinar o posicionamento do sol em
relação aos painéis solares e movimentá-los para uma a melhor radiação nas células fotovoltaicas. Para
determinar o posicionamento do sol, serão utilizados sensores de luminosidade, de modo achar uma
melhor inclinação para o painel. O sistema visa o armazenamento dos valores obtidos durante o
período de avaliação, dos quais esses valores são:
O valor de tensão do painel solar e o valor de tensão do sensor de luminosidade.
Posteriormente com esses valores se faz a comparação do ganho. Esse processamento será
realizado por um microcontrolador que é capaz de realizar as leituras tanto dos sensores como das
células, e também acionar o servo-motor para movimentá-los formando o armazenamento desses
valores em uma unidade física, que é no caso de um cartão micro SD.
9
1.1 PROBLEMA DE PESQUISA
A demanda mundial por energia elétrica cresce descontroladamente, com o crescente aumento
populacional que é o principal fator do aumento de consumo elétrico. Por outro lado o investimento
em geração de energia cresce num ritmo mais lento. Tudo isso conduz à necessidade de explorar novas
formas de geração de eletricidade, tais como energias alternativas, para suprir toda essa demanda, sem
agregar poluição ao meio ambiente (ALDABÓ, 2002).
Com o crescente aumento da demanda energética, novos meios de exploração de energia são
abordados. Procura-se hoje fazer investimentos em energia limpa e renovável, isto é que não venha
agredir o meio ambiente e sim preservá-lo. Uma dessas alternativas é a utilização de energia solar,
inesgotável, que de uma forma direta poderia ser utilizada transformando a energia luminosa em
energia elétrica. Esse processo pode ser realizado pelas células solares ou também pelos conhecidos
painéis fotovoltaicos.
Os painéis fotovoltaicos têm como característica uma baixa eficiência na conversão da energia
luminosa em energia elétrica, pois não conseguem transformar toda energia recebida do sol. Com isso,
a eficiência das placas existentes no mercado fica em torno de 15%. Em testes realizados em
laboratório com células de silício monocristalino, que possuem uma eficiência de 15%, foi possível
chegar a quase o dobro desse valor, em torno de 24% (ALDABÓ, 2002).
1.1.1 Solução Proposta
A solução proposta consiste em automatizar a base de suporte dos módulos solares, fazendo
com que ela seja capaz de controlar a angulação destes módulos em relação ao posicionamento do sol,
obtendo-se dessa forma uma maior incidência de raios solares sobre os mesmos, procurando assim
melhorar a sua eficiência na geração elétrica.
A proposta consiste em desenvolver uma solução simplificada desse mecanismo, constituído
por sensores de luminosidade, células solares, um servo-motor e um microcontrolador AVR
Atmega328P.
10
Inicialmente, procura-se responder as seguintes perguntas de pesquisa:
Qual período do dia que o sistema de posicionamento automático terá uma eficiência
considerável em relação a outro sistema?
Qual o ganho de potência gerada de um sistema de módulos móveis em relação a um
sistema de módulos fixos tradicional?
1.1.2 Delimitação de Escopo
Esse trabalho busca elaborar um protótipo para auxiliar a movimentação das células solares de
acordo com a localização do sol, para elevar seu ganho de eficiência.
1.1.3 Justificativa
Tendo em vista que o sistema energético mundial está baseado em fontes de energias não
renováveis, pois não se pensava nos impactos ambientais nessa época, como por exemplo; emissões de
gases, lixos radioativos ou até mesmo na alteração na fauna e na flora. Chegou-se a um consenso
mundial da necessidade da produção sustentável, do aquecimento global, que trazem consigo a ideia de
produzir energias mais sustentáveis. Então se procura meios de gerar energias de forma mais limpa
preservando dessa forma o planeta.
A partir desse consenso, buscam-se projetos de geração de eletricidade sustentável, reduzindo
as produções de energias não renováveis e consequentemente a redução dos efeitos ambientais. Uma
solução simples é utilização da energia solar com o uso de painéis fotovoltaicos, pois caracteriza uma
forma de fácil acesso e um meio direto de conversão da energia elétrica.
Diante desses fatos e o crescente aumento na utilização da energia solar, estudos voltados ao
uso de sistemas fotovoltaicos são cada vez mais requisitados, dando a possibilidade de explorar ao
máximo esses sistemas. Contudo, sabe-se que é baixa a eficiência desse sistema, pois usualmente tem-
se uma eficiência de apenas 15%.
Este trabalho busca monitorar o ganho de potência elétrica desses painéis, com a utilização
desse sistema controlador, avaliando assim o seu rendimento ao longo do dia, para que novos projetos
a utilizarem essa tecnologia possam explorar ao máximo o seu rendimento durante o dia.
11
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo Geral
O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de um sistema de posicionamento automático
placas solares, de forma analisar o comportamento dos dois sistemas e verificar o ganho de potência
durante o dia.
1.2.2 Objetivos Específicos
Desenvolver a prototipação do hardware;
Desenvolver o sistema embarcado;
Desenvolver o hardware para armazenar os dados gerados;
Construir os painéis fotovoltaicos;
Desenvolver a base de suporte dos painéis fotovoltaicos;
Desenvolver o sistema analisador que irá processar os dados;
Realizar os testes, considerando as variações climáticas;
Mensurar o ganho do experimento com o sistema automatizado.
1.3 METODOLOGIA
1.3.1 Metodologia da Pesquisa
A metodologia utilizada para o desenvolvimento deste trabalho será a utilização de um método
hipotético-dedutivo para a comprovação, pois se considera a premissa que, com a movimentação das
placas poderá ter um melhor aproveitamento durante o dia.
Segundo Rodrigues (2007) direciona-se a uma pesquisa aplicada, pois tem como objetivo
comprovar que, com essa movimentação das placas tende a ter uma melhora energética durante o dia.
Para alcançar esse objetivo traçam-se algumas etapas.
12
1.3.2 Procedimentos Metodológicos
As etapas deste projeto são:
1. Revisão bibliográfica,
2. Modelagem da solução,
3. Implementação,
4. Testes e Documentação
5. Os conhecimentos adquiridos durante esse trabalho serão utilizados no experimento.
A Etapa (1) do projeto tem como objetivo prover o conhecimento necessário para traçar
métricas que permitam validar o objetivo do trabalho. Nesta etapa é apresentada a revisão bibliográfica
que contempla os conceitos de matriz energética nacional, energias renováveis no Brasil e energia
solar fotovoltaica.
A Etapa (2) do projeto apresentará uma visão geral do sistema, a partir dos conhecimentos
obtidos na etapa anterior, de forma a definir os requisitos deste sistema, assim como devem se
comportar os diagramas que representam suas funcionalidades, etc.
A Etapa (3) do projeto tem como objetivo realizar a implementação do sistema como um todo,
tanto na parte de software alto nível e baixo nível, como a parte de construção do hardware, a
construção dos painéis e a construção da base de suporte.
A Etapa (4) do projeto visa realizar as etapas de teste do sistema. Nesta etapa será validado o
funcionamento do sistema. Nos testes será avaliado o funcionamento do sistema controlador e a
integração do sistema como um todo.
A Etapa (5) do projeto possui o objetivo da documentação. Esta etapa deixará registrado todo o
processo pertinente à pesquisa científica, desde a descrição do problema e a proposta de uma nova
solução (modelagem). A documentação permite que outros pesquisadores reproduzam a nova solução
e realizem os mesmos experimentos e testes feitos para sua validação.
13
1.3.3 Estrutura do Trabalho
O trabalho está estruturado em cinco capítulos. A introdução, capítulo 1, apresenta uma visão
geral do trabalho. Na fundamentação teórica, capítulo 2, é feita uma revisão bibliográfica acerca dos
conceitos que permearam esta pesquisa. Esta etapa fornece informações sobre o que é matriz
energética, sobre energia renovável no Brasil, energia solar fotovoltaica e suas características. Os
trabalhos relacionados, capítulo 3, apresentam pesquisas nessa área de energia solar, abordando vários
seguimentos sobre esse tema. O Desenvolvimento, capítulo 4, apresenta o desenvolvimento do sistema
como um todo. As conclusões, capítulo 5, são evidenciadas ao final do trabalho.
14
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Neste capítulo é apresentada a revisão bibliográfica que contempla os conceitos de matriz
energética nacional, energia renovável no Brasil e energia solar fotovoltaica.
2.1 MATRIZ ENERGÉTICA NACIONAL
Matriz energética é toda energia que se disponibiliza para sua transformação, distribuição e
consumo nas diversas formas de processos produtivos. É uma representação quantitativa da oferta de
energia, ou seja, da quantidade de recursos energéticos oferecidos pelo país.
A matriz energética brasileira é umas das poucas no mundo a terem um grande percentual em
energia renovável. Em 2011 a produção de energia gerada pelas hidrelétricas chegou a 74,9% e o
restante da produção energética é proveniente de outras fontes, de forma complementar a geração da
matriz energética, como mostra a Figura 1.
Figura 1. Estrutura da oferta interna de energia elétrica no Brasil
Fonte: BEN - Balanço Energético Nacional (2011).
¹ Inclui gás de coqueria
² Inclui lenha, bagaço de cana, lixívia e outras recuperações.
15
Com esse aumento no consumo energético, o governo adota algumas medidas de precaução. O
crescimento médio anual de consumo de energia elétrica chega a 4,4% a.a, no cenário atual. Na
medida em que o Brasil passa por profundas transformações no seu perfil demográfico, tanto no setor
socioeconômico e urbanização, os mesmos acabam se refletindo de forma significativa em termos do
consumo de energia (LOBÃO, 2008).
Com todo esse crescimento demográfico nacional, o investimento em fontes de geração de
energia elétrica não se deve limitar apenas a insumos de gás natural, petróleo, carvão mineral e
combustível nuclear, pois são finitos e tendem a escassear, com isso proporciona o direcionamento de
investimentos em outras fontes renováveis de energia elétrica.
Dessa forma o governo visa diversificar a produção de energia, pois a diversificação da matriz
energética brasileira é baixa, o maior percentual concentra-se na geração das hidrelétricas com 74,9%,
e ao extremo com energias alternativas com apenas 0,4% em energia eólica. Com isso, o governo vem
estimulando uma maior participação de energias alternativas, cada vez mais relevantes tanto na matriz
energética nacional quanto na global das próximas décadas. Vem se questionar por tanto os fatores
ambientais e o consenso mundial sobre o desenvolvimento em bases sustentáveis para o crescimento
dessas novas formas de obter energia limpas.
Senso assim o governo desenvolveu um projeto para o desenvolvimento das energias
alternativas com a implantação do Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica
(PROINFA). Segundo Abdo (2004), o PROINFA foi criado no âmbito do Ministério de Minas e
Energia (MME) pela Lei nº 10.438, de 26 de abril de 2002, e revisado pela Lei nº 10.762, de 11 de
novembro de 2003.
Com a criação desse programa o governo visa à garantia da compra de energia por 20 anos
pelas Centrais Elétricas Brasileiras S.A. (Eletrobrás). O foco do programa prevê a implantação de 144
usinas, totalizando 3.299,40 MW de capacidade na rede nacional, sendo 1.191,24 MW provenientes de
63 PCHs, 1.422,92 MW de 54 usinas eólicas e 685,24 MW de 27 usinas a base de biomassa
(PROINFA, 2012). O programa teve delimitação nessas três fontes especificas de energias alternativas,
não contribuindo para o crescimento da energia solar.
16
2.1.1 Consumo Energético Por Setor
O consumo de energia varia de acordo com cada setor que o utilizará. O maior consumo de
energia vem dos setores industrial com 38,2%, e em segundo lugar o setor transporte com 30,7% como
mostra a Figura 2.
Figura 2. Consumo setorial de eletricidade no Brasil
Fonte: BEN - Balanço Energético Nacional (2011).
¹ Setor energético agrega os centros de transformação e/ou processos de extração e transporte interno
de produtos energéticos, na sua forma final.
O consumo energético por setores obteve algum crescimento durante o ano de 2009 a 2010,
como demonstra a Tabela 1.
Tabela 1. Consumo setorial de eletricidade no Brasil (em 103
tep)
Setores 2010 2009 10/09
Setor Industrial 88.333 76.413 13%
Setor Transportes 69.451 62.687 10,8%
Setor Energético 26.136 24.415 7%
Setor Residencial 23.673 23.227 1,9%
Setor Agropecuário 9.911 9.453 4,8%
Setor Comercial 6.777 6.314 7,3%
Setor Público 3.814 3.717 2,6%
Total 226.094 206.225 9,6%
Fonte: BEN - Balanço Energético Nacional (2011).
17
Além do percentual do consumo energético por setores, deve-se levar em consideração a
demanda de energia residencial durante os horários de pico, onde o consumo de energia é maior do que
o normal, fazendo-se necessário um planejamento para suprir essas demandas.
Nas residências, o alto consumo de energia se estabelece no final do dia entre 18 e 21h, devido
o uso excessivo dos chuveiros elétricos e iluminações do ambiente, já no período da tarde o uso dos
aparelhos climatizadores de ambientes, pois a demanda aumenta próximo ao meio-dia, onde a
temperatura começa a ficar mais quente. Além de todo o planejamento, o governo tem como estratégia
a implantação do horário de verão para reduzir a demanda do consumo desse período conseguindo um
melhor aproveitamento da luz natural ao entardecer, o que proporciona uma redução no consumo de
energia elétrica.
2.2 ENERGIA RENOVÁVEL NO BRASIL
A eletricidade, nas suas mais diversas formas, é algo indispensável para a sobrevivência da
espécie humana, tornando-se um suprimento indispensável para o desenvolvimento sócio econômico e
estratégico do país. Com o passar dos anos houve um crescente aumento na demanda energética e
como as reservas de combustíveis fósseis são finitas, fez-se necessário estudos de fontes renováveis ou
também conhecidas como fontes alternativas para suprir toda essa demanda sem agregar emissões de
gases ao meio ambiente (ALDABÓ, 2002).
Todas as energias renováveis são originadas de fontes naturais que possuem a capacidade de
regeneração (renovação), ou seja, não se esgotam.
O Brasil, onde já existe tradição no uso de fontes alternativas tanto para geração de eletricidade
quanto nos setores de transporte e siderurgia, e, com o início do projeto PROINFA, o Brasil deixa
claro seu comprometimento na diversificação da matriz energética, pois grande parte de sua geração é
proveniente das hidrelétricas (TOLMASQUIM, 2004).
“Outro fator estimulante para novas fontes de energias alternativas é a desregulamentação das
atividades do mercado de energia elétrica, que incrementa o desenvolvimento de pequenos produtores
e também a competividade entre as grandes concessionárias” (ALDABÓ, 2002).
A preocupação com aumento do consumo e as questões ambientais têm justificado um
planejamento e implantação de fontes renováveis.
18
2.2.1 Classificação de Energia Renovável
Como visto anteriormente, não há dúvidas que as fontes renováveis de energia, aquelas
conhecidas como não tradicionais, terão cada vez mais a participação relevante na matriz energética
global nas próximas décadas.
Projeções mais recentes afirmam que essa participação poderá chegar a 10% em 2020,
viabilizando o crescente consumo de energia. A seguir serão abordadas as principais energias
renováveis no panorama brasileiro, eólica, biomassa e solar (TOLMASQUIM, 2004).
2.2.1.1 Energia Eólica
A energia eólica denomina-se a energia cinética obtida pelo movimento do ar (força dos
ventos), esse aproveitamento ocorre por meio da conversão da energia cinética de translação em
energia cinética de rotação, com o auxilio das turbinas eólicas, também conhecidas como
aerogeradores, para a geração de eletricidade ou para trabalhos mecânicos como bombeamento d’água,
moagem de grãos e outras aplicações que envolvem energia mecânica (NASCIMENTO, 2005).
A energia eólica se mostra uma excelente opção de geração complementar na matriz energética,
pois o regime dos ventos e o comportamento da vazão de algumas bacias hidrográficas brasileiras
demostrou-se com condições ideais para implantação dessa fonte energia, com tais condições acabou
contribuindo a confiabilidade do sistema e minimizando os efeitos das variações intrínsecas do recurso
eólico (TOLMASQUIM, 2004).
Com ao passar dos anos houve um grande avanço tecnológico nessa área melhorando o seu
potencial tais como; sistemas avançados de transmissão, melhor aerodinâmica, estratégias de controle,
operação das turbinas e entre outras. Com todos esses aspectos obteve-se uma redução do custo,
melhoramento do desempenho e o aumento da confiabilidade dos equipamentos (ANNEL, 2003).
Na utilização da energia eólica, têm-se dois tipos de turbinas, uma com eixo horizontal e outra
com eixo vertical, podendo ter apenas uma pá, duas ou três pás, com gerador de indução, gerador
síncrono e etc. Ao passar dos anos se consolidou os projetos de turbinas com eixo de rotação
horizontal, três pás, alinhamento ativo, gerador de indução e estrutura não flexível, como mostra a
Figura 3 (SANSON, 2006).
19
Figura 3. Energia Eólica
Fonte: ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica (2003).
A produção de eletricidade a partir da fonte eólica, segundo o Balanço Energético Nacional de
2011 (BEN, 2011) alcançou 2.176,6 GWh em 2010. Isto representa um aumento em relação do ano
anterior (75,8%), quando se alcançou 1.238,0.
Em 2010 a potência instalada para geração eólica no país aumentou 54,1%. Segundo o Banco
de Informações da Geração (BIG), da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), o parque eólico
nacional cresceu 326 MW, alcançando 928 MW ao final de 2010, em decorrência da inauguração de
catorze parques eólicos (BEN, 2011).
Segundo BEN (2011), dentre os novos parques eólicos se destacam quatro com potência
instalada superior a 40 MW: “Volta do Rio”, “Bons Ventos” e “Canoa Quebrada” (respectivamente 42
20
MW, 50 MW e 57 MW, todos no Ceará), além do empreendimento “Alegria I” (51 MW, no Rio
Grande do Norte).
O processo de expansão da geração energia eólica vem crescendo ao logos dos anos, de acordo
com a Tabela 2.
Tabela 2. Oferta e demanda de energia eólica
Fluxo (GWh) 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
Geração Total 53 56 63 74 74 342 668 1.183 1.238 2.177
Consumo Total 53 56 63 74 74 342 668 1.183 1.238 2.177
Fonte: BEN - Balanço Energético Nacional (2011).
A regularização da vazão do rio São Francisco pode ser complementada pelos parques eólicos,
principalmente no período de seca, onde o rio perde o seu potencial de geração de energia devido os
reservatórios se encontrarem em nível abaixo do seu padrão habitual, com a baixa na vazão do Rio São
Francisco o sistema de geração de energia eólica pode complementar esses períodos de pouca vazão,
pois nessa época há uma grande quantidade de ventos alísios.
A Figura 4 apresenta uma comparação das vazões naturais dos afluentes no rio São Francisco
com a média mensal da geração eólica de energia esperada nas estações anemométricas instaladas no
Nordeste, pode-se observar o potencial eólico dessa região com uma contribuição complementar de
energia elétrica durante esse período de seca, principalmente no segundo semestre do ano, período em
que o potencial eólico na região é mais elevado e registram-se as menores vazões no rio São Francisco
(MARINHO & ARQUINO, 2006).
Figura 4. Produção Estimada de Energia Eólica x Vazão do Rio São Francisco
Fonte: Adaptado de Eletrobrás (2006).
21
Mostram-se os benefícios de sistemas alternativos interligados nacionalmente, indicando ser
possível adicionar maiores volumes de energia ao sistema exatamente nos períodos secos, cabendo ao
Governo criar as condições de desenvolvimento da política energética no país. Neste sentido, existe
uma complementaridade nos aproveitamentos hidrelétricos e eólicos, conforme é apresentado na
Figura 4.
2.2.1.2 Energia Biomassa
A energia biomassa é constituída por matérias orgânicas (vegetal, animal, micro organismo)
que possam ser transformadas em energia mecânica, térmica ou elétrica, classifica-se como energia
biomassa, pode ser: florestal (madeira, principalmente), agrícola (soja, arroz e cana-de-açúcar, entre
outras) e rejeitos urbanos e industriais (sólidos ou líquidos, como o lixo). Os derivados obtidos
dependem tanto da matéria-prima utilizada (cujo potencial energético varia de tipo para tipo) quanto da
tecnologia de processamento para obtenção dos energéticos (ANEEL, 2008).
A partir da biomassa é possível obter energia elétrica e até mesmo combustível, por exemplo, o
biodiesel e o etanol, cujo consumo é crescente na substituição aos derivados de petróleo como o óleo
diesel e a gasolina, pois na produção energética, a biomassa tem vantagens como baixo custo,
reaproveitamento de resíduos, é menos poluente que outras fontes de energia como o petróleo e o
carvão, facilidades de armazenamento, conversão e transporte.
Reis (2005) afirma que:
“Fonte de energia renovável (quando manejada adequadamente), a biomassa apresenta
vantagens ambientais inexistentes em qualquer combustível fóssil. Como não emite óxidos de
nitrogênio e enxofre, e o CO2 lançado na atmosfera durante a queima é absorvido na
fotossíntese, apresenta balanço zero de emissões. Tais características devem, futuramente,
reverter sua tendência de troca de combustíveis, e a biomassa vai retomar espaços ocupados
pelo petróleo e carvão mineral.”
Existem várias formas de se obter energia elétrica a partir da biomassa, mas todas partem do
principio básico de conversão da matéria-prima em um produto intermediário que será utilizado em
uma máquina motriz. Essa máquina produzirá a energia mecânica que acionará o gerador de energia
elétrica, após obter-se essa energia aplicam-se alguns processos de cogeração, que produzem dois ou
mais energéticos a partir de um único processo para geração de energia, tradicionalmente utilizada por
setores industriais. Nos últimos anos, transformou-se também em um dos principais estímulos aos
22
investimentos da produção de energia a partir da cana-de-açúcar por parte das usinas de açúcar e álcool
(ANEEL, 2008).
As principais formas de ser obter energia por biomassa são analisadas no estudo pelo Plano
Nacional de Energia 2030 e resumidas a seguir:
Ciclo a vapor com turbinas de contrapressão;
Ciclo a vapor com turbinas de condensação e extração;
Ciclo combinado integrado à gaseificação da biomassa.
Com o avanço da tecnologia, estudam-se melhorias no processo de gaseificação de
combustíveis da qual é conhecida desde o século XIX e muito utilizada até os anos 30, quando os
derivados de petróleo tiveram um grande aumento na sua utilização e por um preço competitivo. Ela
retomou nos anos 80, quando ficou evidente a necessidade de contenção no consumo de petróleo, mas,
no caso da biomassa, ainda não é uma tecnologia competitiva do ponto de vista comercial (ANEEL,
2008). Segundo o Plano Nacional de Energia 2030 (PNE, 2007), a grande dificuldade para a sua
aplicação não é o processo básico de gaseificação, mas a obtenção dos equipamentos para a geração de
gás com qualidade, com confiabilidade e segurança, adaptado às condições particulares do combustível
e da operação.
Com todos esses fatores, a biomassa é uma das fontes para produção de energia com maior
potencial de crescimento nos próximos anos, tanto no mercado internacional quanto no interno, pois
ela é uma forma alternativa para a diversificação da matriz energética nacional e consequentemente
levará a redução do uso dos combustíveis fósseis.
Segundo ANEEL (2008), a estimativa mais aceitável para esse cenário representa 13% do
consumo mundial de energia primária, como mostra o Figura 5. Estudo mais recentes publicado a este
respeito, registrou-se que a biomassa respondeu pela produção total de 183,4 TWh (TeraWatts-hora)
em 2005, o que correspondeu a um pouco mais de 1% da energia elétrica produzida no mundo naquele
ano.
23
Figura 5. Matriz de consumo final de energia nos anos de 1973 e 2006
Fonte: ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica (2008).
2.2.1.3 Energia Solar
A energia solar chega a Terra nas formas térmicas e luminosa, pois é proveniente da radiação
do sol, podendo ser utilizada diretamente como fonte de energia térmica, para aquecimento de fluidos,
ambientes e para geração de potência mecânica ou elétrica. Outra forma de ser utilizar esta radiação é
na conversão direta em energia elétrica, mediante de efeitos termoelétrico e fotovoltaico.
O sol é uma fonte de energia primária na Terra, pois todos os organismos vivos dependem
dessa forma de energia para sobreviver ou realizar suas funções vitais. O aproveitamento da energia
solar já vem sendo aproveitada desde antigas civilizações. Segundo (FRAIDENRAICH & LYRA 1995
apud SANTOS, 2009) o Egito já utilizava essa energia para fazer “estátuas sonoras”, essas estátuas
emitiam sons quando aquecidas pela radiação solar que incidia sobre as mesmas. Outra forma de
aproveitar a energia solar pelos egípcios era o aproveitamento na secagem de alimentos e no
funcionamento das salinas.
Entre os vários processos de aproveitamento da energia solar, os mais usados atualmente são o
aquecimento de água e a geração fotovoltaica de energia elétrica. Segundo Elias (2009) um fato
importante na utilização dessa energia no Brasil, é que o território brasileiro localiza-se próximo a
linha do Equador, linha imaginária responsável pela divisão do globo terrestre em dois hemisférios, sul
e norte. Próximo dessa linha não há grandes variações na inclinação solar. Em média, a insolação
diária é superior a seis horas.
24
No Brasil, o aquecimento de água é mais encontrado nas regiões Sul e Sudeste, devido a
características climáticas, e a geração fotovoltaica, nas regiões Norte e Nordeste, em comunidades
isoladas da rede de energia elétrica.
2.3 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
A energia solar fotovoltaica tem como o princípio, a capacidade de transformar a energia
luminosa em energia elétrica. Esse efeito é possível através de um processo conhecido por Efeito
Fotovoltaico, inicialmente descoberto pelo físico francês Edmond Becquerel em 1839 (ALDABÓ,
2002).
Após anos de pesquisas, a primeira aplicação prática foi realizada pelo Bell Laboratories (Bell
Labs), em Murray Hill, New Jersey, nos Estados Unidos da América, que aconteceu no início na
década de 1950, mas como essa tecnologia era cara, ficou restrita a fins espaciais (VALLÊRA &
BRITO, 2006).
A própria palavra fotovoltaica significa energia dos raios solares, pois “Foto” vem de “photo”,
derivada da palavra grega “phos”, que significa luz, com ‘volt’, derivada do nome de Alessandro
Volta, pioneiro pesquisador da eletricidade.
2.3.1 Definições
Esta sessão tem como objetivo esclarecer alguns termos ou nomenclatura que serão utilizados
ao longo dessa sessão.
Célula fotovoltaica – De modo geral, é constituída por um material semicondutor onde é
produzida uma junção PN através do processo de dopagem.
Módulo fotovoltaico – É composto pela interligação de várias células em série e/ou
paralelo para obtenção da tensão e corrente.
Painel fotovoltaico – É composto por um conjunto de módulos.
25
2.3.2 Efeito fotovoltaico
Os módulos são compostos de células fotovoltaicas de silício baseados na propriedade de
alguns materiais, chamados semicondutores, que convertem a luz do sol em eletricidade. A esta
propriedade dá-se o nome de efeito fotovoltaico. Ele é à base de todo o estudo, o entendimento desse
efeito e o funcionamento dos semicondutores se fazem necessários.
As células solares são fabricadas com material semicondutor, isto é, com a utilização do silício
já que é um material com características intermediárias entre um condutor e um isolante.
O silício é o segundo elemento mais abundante da crosta terrestre, normalmente é encontrado
nos grãos de areia. Mediante métodos de purificação obtém-se o silício em forma pura, assim desse
modo puro ele não possui elétrons livres e torna-se um mal condutor elétrico. Para modificar essa
situação, tornando-o um bom condutor elétrico, utiliza-se um processo conhecido como dopagem.
Dessa forma é possível obter um material com elétrons livres ou com carga negativa (silício tipo N),
quando a dopagem é feita com Fósforo. Realizando o mesmo processo, mas acrescentando Boro ao
invés de Fósforo, obtém-se um material com características inversas, ou seja, falta de elétrons ou com
carga positiva (silício tipo P) (SOLARTERRA, 2001).
Segundo Solarterra (2001), cada célula que é composta por uma camada de material tipo P com
a união de uma camada de material tipo N, ao serem unidas, forma-se um campo elétrico próximo à
junção, que pode ser observada na Figura 6. Separadas, ambas as camadas são eletricamente neutras,
mas ao serem unidas, no ponto de junção de PN, gera-se um campo elétrico devido aos elétrons do
silício tipo N que ocupam os espaços vazios da estrutura do silício tipo P. Com a incidência da luz
sobre a célula solar, os fótons que a integram chocam-se com os elétrons da estrutura do silício dando-
lhes energia e transformando-os em condutores. Devido ao campo elétrico gerado na união P-N, os
elétrons são orientados e fluem da camada tipo P para a camada tipo N. Por meio de um condutor
externo, conecta-se a camada negativa à positiva gerando assim um fluxo de elétrons (corrente
elétrica) na conexão. Enquanto a luz continuar a incidir na célula, o fluxo de elétrons mantém-se. A
intensidade da corrente gerada vai variar proporcionalmente conforme a intensidade da luz incidente,
tornando-o inesgotável.
26
Figura 6. Estrutura de uma célula fotovoltaica
Fonte: Adaptado de NT-SOLAR (2008).
A conversão de energia é proveniente dos fótons presente na luz solar.
Segundo Oliveira (2008, p. 7),
Em um dia claro, cerca de 4,4 x 1017
fótons atingem um centímetro quadrado da superfície da
Terra a cada segundo, porém apenas uma parcela destes fótons possui energia necessária para
que o processo de conversão de energia ocorra dentro do semicondutor. Este processo começa
quando um fóton entra em um semicondutor sendo então absorvido e transferindo um elétron
de sua banda de valência para a sua banda de condução. Após este processo aparecerá um
buraco na banda de valência, desta forma o processo de absorção de fótons gera pares elétron-
lacuna que terão excesso de energia em sua bandgap (conceituada como um espaço de
separação entre a banda de valência e a banda de condução a qual um elétron só poderá passar
de uma banda para outra se possuir energia suficiente). Este é o início de todo o processo de
conversão de energia solar em energia elétrica.
2.3.3 Tipos de Células Solares
Há uma grande variedade de células solares no mercado, com diversos tipos de materiais
semicondutores que são utilizados. O princípio de funcionamento é muito semelhante ao
funcionamento da célula de silício citado anteriormente, as diferenças estão basicamente na
configuração das células, camadas de materiais e consequentemente na sua eficiência energética
(OLIVEIRA, 2008).
O estudo realizado em células solares com outros materiais obteve-se um percentual de 30% de
eficiência em laboratórios, mas serão exploradas apenas células convencionais, que podem ser
encontradas para venda, são elas; silício monocristalina, policristalino e amorfo.
27
2.3.3.1 Silício monocristalina (m-Si)
Esse tipo de células representa a primeira geração. O seu rendimento elétrico é relativamente
elevado podendo-se chegar até 15% aproximadamente porem em laboratório pode-se chegar até 24%,
mas as técnicas utilizadas na sua produção são complexas e com um preço elevado. Um modelo dessa
célula pode ser representado na Figura 7. Por outro lado requer uma grande quantidade de energia na
sua fabricação, devido à exigência de utilização de materiais em estado muito puro e com uma
estrutura de cristal perfeita (OLIVEIRA, 2008).
Figura 7. Módulo rígido de silício monocristalino
Fonte: Adaptado de Uni-Solar® (2012).
2.3.3.2 Silício policristalino (p-Si)
As células de policristalino têm um custo de produção inferior por necessitarem de menos
energia na sua fabricação, mas apresenta um rendimento elétrico inferior de apenas 14%
aproximadamente e em laboratórios obteve-se até 18%. Um modelo dessa célula pode ser representado
na Figura 8. Esta redução de rendimento é causada pela imperfeição do cristal, devido ao sistema de
fabricação (OLIVEIRA, 2008).
Figura 8. Módulo rígido de silício policristalino
Fonte: Adaptado de Uni-Solar® (2012).
28
2.3.3.3 Silício amorfo (a-Si)
Já as células de amorfo são as que apresentam o custo mais reduzido, mas em contrapartida o
seu rendimento elétrico é também o mais reduzido de aproximadamente a 7% a 8% e em laboratório
pode-se chegar até 12%. Um modelo dessa célula pode ser representado na Figura 9. As células de
silício amorfo são películas muito finas e flexíveis, o que permite serem utilizadas como material de
construção, tirando ainda o proveito energético (BRAGA, 2008).
Figura 9. Módulo flexível de silício amorfo.
Fonte: Adaptado de Uni-Solar® (2012).
2.3.4 Classificação de Eficiência Energética
O comportamento de uma célula solar pode ser analisado através de três parâmetros principais
que são:
1. A tensão máxima (Vmax – voltage maximum) de circuito aberto,
2. a corrente máxima (Imax – current maximum) de curto circuito
3. o ponto de potência máxima (mpp – maximum power point) que pode ser alcançada com
o produto .
Estes três parâmetros determinam o rendimento de uma célula solar em operação, como mostra
a Figura 10 (DEMONTI, 1998).
29
Figura 10. Característica de saída corrente versus tensão de um painel fotovoltaico típico para dois
valores de radiação solar com temperatura constante.
Fonte: Adaptado de Demonti (1998).
Observa-se que para cada valor de radiação solar que atinge o painel existe um ponto de
máxima potência. Cabe ressaltar alguns fatores que podem influenciar o ponto de potência máxima
(mpp), a temperatura da junção PN influencia o rendimento do painel e variação da irradiação que
atinge a superfície da Terra de acordo a cada estação do ano (DEMONTI, 1998).
A eficiência do sistema depende da fração de energia solar que atinge a célula e que é
convertida em potência elétrica (corrente versus tensão). A eficiência máxima é obtida quando a
potência é máxima, o percentual de eficiência das células leva em consideração o tipo de composto e
sua cristalização, como mostra a Tabela 3.
30
Tabela 3. Eficiência conforme o material de fabricação dos módulos
Material Laboratório Comercial
Silício monocristalino (m-Si) 24% 15%
Silício policristalino (p-Si) 18% 14
Arsenieto de gálio (GaAs) 28% ***
Silício amorfo (a-Si) 10% 7%
Telureto de cádmio (CdTe) 16% 7%
Diseleneto de cobre e índio (CulnSe2) 18% 11%
Fonte: Adaptado de Aldabó (2002).
A tabela 3 mostra uma comparação de percentuais, que indica que cada material utilizado na
sua fabricação terá uma influência em sua eficiência, pois cada material possui uma peculiaridade na
conversão diferente. Os percentuais em laboratórios tendem a ter um valor melhor, devido ao fato de
estarem em um ambiente controlado e favorável para capacitação, isso já não ocorre em um ambiente
natural.
Segundo Aldabó (2002), algumas estratégias para solucionar problemas de limitação na
eficiência:
A luz que é refletida, ou perdida, pela superfície da célula pode ser minimizada por algum
meio de tratamento da superfície.
A perda da luz que é refletida por contatos elétricos na parte frontal da célula pode ser
minimizada com a utilização de contatos elétricos transparentes, evitando a perda de
reflexão.
A quantidade da luz que passa através do material semicondutor sem colidir com algum
elétron pode ser limitada pela seleção de materiais com alto índice de absorção de luz.
Alguns tipos de filmes possuem espessura inferior a um (1) mícron, absorvendo 90% de luz
solar. Cristal simples e silício policristalino devem possuir uma espessura
aproximadamente entre 50 e 150 mícron, com isso tende a ter uma melhor absorção efetiva.
Elétron e lacunas criados pelos fótons podem se recombinar antes de alcançar a junção PN
e formar corrente elétricas. Ligas de hidrogênio são utilizadas para prevenir essa
recombinação em materiais policristalinos e amorfos (não cristalinos).
A resistência elétrica no interior do semicondutor pode ser minimizada durante a
elaboração do projeto
31
2.4 CONSIDERAÇÕES
Este capítulo teve como objetivo dar uma visão geral sobre a situação energética nacional,
fornecendo um embasamento sobre a demanda energética nacional e os setores consumidores dessa
energia, mostrando o crescimento da demanda relacionado ao consumo de energia. Outro tópico
importante é o conceito sobre fontes renováveis. Por fim, foi apresentada a tecnologia fotovoltaica,
suas formas e estruturas de transformar energia. O Capítulo seguinte visa citar algumas ferramentas
similares à proposta no presente trabalho.
32
3 TRABALHOS RELACIONADOS
Este capítulo tem o objetivo demonstrar o estudo sobre trabalhos correlatos que possuem um
grau de similaridade com o tema do TCC.
3.1 1. PROCESSAMENTO DA ENERGIA ELÉTRICA PROVENIENTE DE
MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
O trabalho do Demonti (2003) se propôs a desenvolver e analisar formas de tratamento da
energia elétrica produzida por módulos fotovoltaicos. Ele enfatiza a aplicação de conversores estáticos
de energia para a obtenção de uma solução simples e eficiente.
3.2 2. EFICIÊNCIA DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONSIDERANDO
CURVA DE CARGA
O trabalho do Silva (2010) tinha como escopo avaliar a influência que a curva de carga possui
sobre a eficiência do sistema fotovoltaico e para isso foi realizado alguns procedimentos com intuito
de avaliar o rendimento de cada componente do sistema.
3.3 3. ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE CENÁRIO ENERGÉTICO DO
BRASIL E PORTUGAL COM O FOCO NAS FONTES ALTERNATIVAS
DE ENERGIA
O trabalho do Aumiller (2010) tinha como objetivo avaliar o cenário energético, focando em
fontes alternativas, sua situação atual e o incentivo no Brasil e em Portugal, realizar comparações entre
os dois países sobre os aspectos de desenvolvimento de fontes alternativas.
3.4 4. SISTEMA DE POSICIONAMENTO AUTOMÁTICO PARA AUMENTAR
A CONVERSÃO DE ENERGIA EM PAINÉIS FOTOVOLTAICOS
O trabalho de Ferreira (2008) teve como objetivo criar e avaliar o ganho desse sistema de
posicionamento automático de painéis fotovoltaicos com um sistema fixo, de forma a melhorar a
conversão da energia solar em energia elétrica. O processo de movimentação do painel foi através de
um processo simplificado de movimento, no qual não são usados sensores para determinar a posição
aparente do Sol, mas sim as equações da posição relativa Terra-Sol. Esse sistema mecânico de utilizou
33
dois motores de passo para mover o painel em dois eixos, sua programa foi feita em um CLP e coleta
dos ângulos de inclinação e azimute.
3.5 5. SISTEMA DE POSICIONAMENTO AUTOMÁTICO DE PAINEL
FOTOVOLTAICO
Lima (2009), no seu trabalho possuía como objetivo criar e avaliar o ganho de um painel
usando um sistema de posicionamento automático, utilizando a intensidade luminosa das células como
sensores de luz e registrava a angulação do movimento. No desenvolvimento desse hardware foi
utilizado, um microcontrolador PIC16F, um conversor serial/USB FT232, quatro células fotovoltaicas,
dois potenciômetros para a coleta dos ângulos de inclinação e azimute. Dois motores de passo
responsáveis pelo posicionamento das células e software com interface gráfica foi utilizado para que o
usuário do sistema gerencie o funcionamento o seu e as condições (energia gerada e a posição) dos
painéis solares.
3.6 6. SISTEMA PARA OPTIMIZAÇÃO DA EXTRACÇÃO DE ENERGIA DE
PAINÉIS SOLARES FOTOVOLTAICOS
Trindade, Martins e Afonso (2005), neste artigo teve como objetivo apresentar um sistema para
aperfeiçoar a extração da energia produzida por painéis solares fotovoltaicos, melhorando assim o seu
rendimento ao longo do dia. O sistema utiliza uma pirâmide solar, de formar detectar a localização do
sol pela a intensidade da luz sobre o mesmo. Assim orientar os painéis nessa direção, e otimiza a
extração da energia produzida através de um circuito que faz com que os painéis operem no ponto de
máxima potência. O sistema de controlo do MPPT utilizou um microcontrolador DS87C550 da Dalla
semicondutor, que implementa um algoritmo que controla os painéis solares.
3.7 ANÁLISE COMPARATIVA
Nesta seção, será apresentada a análise comparativa dos trabalhos selecionados como trabalhos
correlatos, mostrando uma análise comparativa no quadro de número 1.
34
Quadro 1. Análise comparativa dos trabalhos
Caracterís
tica
Trabalho
1
Trabalho
2
Trabalho
3
Trabalho
4
Trabalho
5
Trabalho
6
Este
Trabalho
Vantagens Maximiz
a a
conversã
o de
energia
do painel
Comparou
os valores
melhores
Mostrou
necessida
de de
pensar em
formas
alternativ
as
Sem uso
de
sensores
luminosid
ade.
A
utilização
de
algoritmo
para
determina
r o
posiciona
mento do
sol.
A
utilização
de um
sistema
para
aumentar a
tensão
produzida
pelo painel.
Movimenta
de acordo
com a
intensidade
do sol
Desvantag
ens
Não
aumenta
a
produção
de
energia.
Não
aumenta a
produção
de energia
Não
aumenta a
produção
de
energia
O sistema
fica
restrito a
um
ambiente
ideal.
Realiza o
moviment
o, mesmo
sem sol,
apesar de
o sistema
mecânico
ser
econômic
o.
Não leva
em
consideraçã
o a
inclinação
do painel
em relação
ao sol.
Utiliza
sensores de
luminosidad
e.
Limitações Dependê
ncia dos
compone
ntes
Ficou
restrita a
carga
Não
aumenta a
produção
de
energia
Funciona
mento em
apenas
em
ambiente
controlad
o, pois
em
ambiente
normal
não iria
funcionar
perfeitam
ente.
Implemen
tação em
CLP,
codificaçã
o baixo
nível,
impossibi
litando
códigos
mais
sofisticad
os.
Sistema
mecânico
não
econômico
Sistema
mecânico
não
econômico.
Referência (DEMON
TI)
(SILVA) (AUMEL
LIR)
(LIMA) (FERREI
RA)
(TRINDA
DE,
MARTINS
E
AFONSO)
35
4 DESENVOLVIMENTO
Neste capítulo serão apresentadas as ferramentas a serem utilizadas no projeto e a modelagem
do sistema. A modelagem consiste em diagrama de classe, diagrama de casos de uso e fluxograma do
sistema. Também serão apresentados os requisitos funcionais e não funcionais encontrados.
4.1 VISÃO GERAL DO SISTEMA
Conforme apresentado no Capítulo 1, o sistema proposto possuirá uma base de suporte
articulada ao painel solar de forma a realizar a movimentação necessária na proposta e com a
utilização de um servo-motor para realizar essa movimentação mecânica.
O sistema foi implementado em microcontrolador da família AVR, na linguagem de
programação “C”, utilizando o ambiente de desenvolvimento AVR Studio. A programação desse
sistema controlador tem como objetivo realizar a leitura dos sensores de luminosidade de forma
determinar o posicionamento do sol em relação ao painel. Com essa localização, acionar o servo-motor
de modo variar a angulação do painel, obtendo assim uma melhor incidência solar. Por fim, salvar os
valores gerados de tensão dos painéis e os valores dos sensores, que nesse caso é o valor tensão, em
um cartão micro-SD.
36
Uma visão macro do sistema proposto nesse trabalho se ilustra na Figura 11.
Sistema com placa móvel
Sistema com placa fixa
Figura 11. Visão geral do protótipo
37
Uma visão geral da interação dos componentes do sistema na Figura 12.
Figura 12. Visão geral dos componentes
A visão sobre a disposição dos sensores ao módulo fotovoltaico se ilustra na Figura 13.
Figura 13. Visão da disposição dos sensores
38
A visão geral do sistema em funcionamento com fluxograma na Figura 14.
Figura 14. Fluxograma do sistema
A Figura 14 apresenta um fluxograma do sistema controlador, representando o modo de
operação no sistema, onde teremos quatro entradas analógicas como sinal de tensão, dentre elas; duas
dos dois painéis e duas dos sensores. As portas analógicas são implementadas com um converso A/D
(analógico para digital) que irá converter esse sinal analógico para digital, de modo conseguir
manipular os valores no microcontrolador. Por sua vez se programa uma lógica computacional que
tende a realizar uma média dos valores obtidos das portas A/D. O bloco acumulador representa uma
média obtida durante um período aproximado de 5 minutos. Após esse processamento se dá início a
gravação desses valores no cartão microSD e a verificação da posição do painel, no qual se verifica se
haverá mudança ou não na inclinação do mesmo. Esse processo de verificação dos sensores que está
representado na Figura 14 como um subprocesso chamado de fluxograma do sensor, será detalhado
mais adiante na Figura 26. Verificando haver alteração na inclinação do painel, será enviado um sinal
de pulso de clock para servo, caso contrário não irá acontecer nada e ciclo recomeça novamente.
4.2 ANÁLISE DE REQUISITOS
Os requisitos descrevem o que se espera do sistema. Eles podem ser classificados de duas
formas, uma como REF (Requisitos funcionais) e a outra como RNF (Requisitos não funcionais). Os
requisitos funcionais são aqueles que descrevem o comportamento do sistema, suas ações para cada
39
entrada, ou seja, descrevem o que tem que ser feito pelo sistema. Na Tabela 4 são apresentados os
requisitos funcionais do sistema controlador.
Tabela 4. Requisitos funcionais
REF do Sistema controlador
REF.01 O sistema deve possibilitar ao usuário ligar/desligar o dispositivo;
REF.02 O sistema deve informar quando o dispositivo está ligado/desligado;
REF.03 O sistema deve ser capaz realizar a leituras dos sensores de luminosidade;
REF.04 O sistema deve ser capaz realizar a leituras dos painéis solares;
REF.05 O sistema deve ser capaz de controlar o servo-motor;
REF.06 O sistema deve informar quando houver alguma falha de comunicação dos dispositivos;
REF.07 O sistema deve ser capaz de armazenar os valores obtidos na leitura dos painéis;
Requisitos não funcionais são restrições acerca dos serviços ou funções disponibilizadas pelo
sistema: usabilidade, hardware, segurança, restrições de tempo, restrições sobre o processo de
desenvolvimento, padrões, e outros. Na Tabela 5 são apresentados os requisitos não funcionais do
sistema controlador.
Tabela 5. Requisitos não funcionais
RNF do Sistema controlador
RNF.01 O sistema deverá ser embarcado;
RNF.02 O sistema deverá armazenar os dados em arquivo texto;
RNF.03 O sistema terá uma alimentação externa;
RNF.04 O sistema terá um servo-motor
RNF.05 O sistema terá dois sensores LDR
4.3 MODELAGEM DO SISTEMA
A modelagem do sistema será por meio do software Enterprise Architect SPARX, onde serão criados
os casos de uso e digramas de classe.
4.3.1 Caso de uso
Casos de uso são o meio para especificar a utilização requerida de um sistema, de modo a
expressar suas operações propriamente ditas, como é visto na Figura 15.
40
Figura 15. Diagrama de caso de uso do sistema controlador
4.3.1.1 Descrição do caso de uso
Para cada caso de uso apresentado na Figura 15 será apresentada uma breve descrição, a pré-
condição, pós-condição e o fluxo das informações.
Ligar dispositivo.
o Descrição: O operador liga o dispositivo.
o Pré-Condições: O sistema de alimentação deve estar energizado.
o Pós-Condições: O dispositivo deve estar pronto para realizar a leitura do painel
solar.
o Fluxo base:
1. O operador aciona a chave de inicialização;
2. O sistema inicializa as leituras;
41
Sistema ativado/ desativado.
o Descrição: Modo operação.
o Pré-Condições: O sistema de alimentação deve estar energizado.
o Pós-Condições: O dispositivo deve indicar que estar ativo ou desativado.
o Fluxo base:
1. O operador aciona a chave de inicialização;
2. O sistema indica o seu status;
Erro de comunicação.
o Descrição: Verificar se houve algum erro de comunicação no dispositivo.
o Pré-Condições: O sistema já deve estar ligado.
o Pós-Condições: O sistema verifica se houve alguma falha na inicialização dos
processos e deve-se indicar caso haja alguma falha no sistema.
o Fluxo base:
1. O operador aciona a chave de inicialização;
2. O sistema indicará se houve algum erro de comunicação na inicialização;
Sensores.
o Descrição: Sensor LDR.
o Pré-Condições: O sensor LDR já deve estar energizado e conectado a porta
analógica do microcontrolador.
o Pós-Condições: O sensor irá transmitir sinal analógico de tensão na porta do
microcontrolador.
o Fluxo base:
42
1. O operador aciona a chave de inicialização;
2. O sistema indica o seu status;
3. O sistema indica caso houver alguma falha nessa verificação
Inicializar sistema.
o Descrição: Realiza a verificação dos componentes integrados ao sistema.
o Pré-Condições: Os componentes devem estar conectados ao sistema.
o Pós-Condições: O sistema verifica se os componentes estão ligados.
o Fluxo base:
1. O operador aciona a chave de inicialização;
2. O sistema indica o seu status;
3. O sistema verifica se os componentes estão conectados ao dispositivo;
4. O sistema indica caso houver alguma falha nessa verificação
Processamento dos dados.
o Descrição: Sistema realiza o processamento das informações obtidas.
o Pré-Condições: O sistema deve estar em modo de operação ativado e sem erros
de comunicação.
o Pós-Condições: O sistema realiza a análise dos dados.
o Fluxo base:
1. O operador aciona a chave de inicialização;
2. O sistema indica o seu status ativado;
3. O sistema realiza a captura das informações;
43
Motor.
o Descrição: Servo-motor do sistema.
o Pré-Condições: O servo deve estar energizado e conectado ao microcontrolador.
o Pós-Condições: O sistema irá controlar o servo-motor.
o Fluxo base:
1. O operador aciona a chave de inicialização;
2. O sistema indica o seu status ativado;
3. O sistema irá controlar a angulação do servo-motor;
4.3.2 Diagrama de classe
Nessa seção será explorado o digrama de classe do microcontrolador na Figura 16, mostrando
sua estrutura de codificação.
Figura 16. Diagrama de classe do sistema controlador
44
A Figura 16 apresenta uma estrutura de classe da qual foi implementado ao sistema
controlador, que possuiu métodos de validar se o dispositivo foi corretamente conectado ao sistema e
os envios das informações do mesmo, sendo administrado pelo método principal, que possui a
finalidade de gravar as informações obtidas no processo de aquisição dos valores.
4.4 DETALHAMENTO DO DESENVOLVIMENTO
Neste tópico é apresentado o detalhamento do desenvolvimento do protótipo de hardware e do
software do sistema controlador. Esse projeto foi dividido em três etapas importantes, de modo
alcançar o objetivo do mesmo.
As etapas serão:
1º. Etapa – Construção dos módulos
2º. Etapa – Projeto e desenvolvimento
3º. Etapa – Desenvolvimento do software
4.4.1 Etapa construção dos módulos
Esta etapa possui como objetivo a construção dos painéis solares. Para realizar essa etapa se fez
necessário o uso de oito células fotovoltaicas, conforme demonstra a Figura 17.
Figura 17. Uma célula monocristalino
45
Após a soldagem das células, as mesmas foram adicionadas a uma base de sustentação, que não
terá movimentação angular no seu eixo e possui uma inclinação de 45º, como mostra a Figura 18.
Figura 18. Módulo fixo de 45º de inclinação
Na base móvel, foi elaborado um suporte articulado que possui como objetivo principal,
movimentar o painel solar de acordo com o posicionamento do sol durante o dia, como mostra a Figura
19 de forma ilustrativa.
Figura 19. Suporte articulado
46
Esse suporte articulado tem um papel fundamental no projeto, com ele torna-se possível
realizar a inclinação do painel fotovoltaico. O trabalho mecânico realizado nessa inclinação é feito por
um servo-motor, que possui a capacidade de rotacionar de zero a 180º de acordo com o sinal de
entrada.
Figura 20. Servo motor desmontado
A Figura 20 mostra um servo desmontado e suas características relevantes que serão
exploradas, de modo a deixar claro o seu funcionamento:
Circuito de Controle (Control Cicuit) – Setor responsável por receber os sinais e energia
do receptor, monitorar a posição do potenciômetro e controlar o motor de acordo com o
sinal do receptor e a posição do potenciômetro.
Potenciômetro (Potenciometer) - Ligado ao eixo de saída do servo, monitora a posição
do mesmo.
Motor - Movimenta as engrenagens e o eixo do servo.
Engrenagens (Drive Gears) - Reduzem a rotação do motor, transferem mais força ao
eixo principal de saída.
Caixa do servo (Servo Case).
47
Para movimentá-lo, o servo deve estar ligado a um receptor que recebe um sinal no formato
PWM (Pulse Width Modulation). O circuito de controle do servo monitora o sinal em um intervalo de
tempo de 20ms (milissegundos). Se dentro deste intervalo houver uma alteração do sinal entre 1ms até
2ms, esse intervalo determina a rotação do motor.
Figura 21. Largura do pulso
A Figura 21 corresponde à largura do pulso do sinal de entrada do servo.
Um sinal de 1ms corresponde a uma posição do eixo do servo todo a esquerda ou 0º
Um sinal de 1,5ms corresponde a posição central do servo ou 90º
Um sinal de 2ms corresponde a uma posição do eixo do servo todo a direita ou 180º
48
Dessa forma o sistema mecânico ficou da seguinte forma, como demonstra a Figura 22.
Figura 22. Suporte articulado da base móvel
A Figura 23 ilustra o sistema mecânico já montado a base de sustentação móvel.
Figura 23. Base móvel
Após o término da etapa de construção dos painéis e de sua base de sustentação, foi dada
sequência a etapa seguinte.
49
4.4.2 Etapa de projeto e desenvolvimento
Nessa etapa de construção do hardware, foram utilizados dois componentes, que são o shield de
microsSd e LDR.
Para o sensor de luminosidade, foi utilizado o sensor de LDR (Light Dependent Resistor) ou
em português Resistor Dependente de Luz, que é um tipo de resistor cuja resistência varia de acordo
com a intensidade de radiação eletromagnética do espectro visível que o incide.
Foi utilizado um invólucro sobre o sensor LDR para limitar a região de luminosidade, de forma
a deixar um feixe de luz passar pelo invólucro, como mostra a Figura 24. O comprimento desse
invólucro não teve um cálculo preciso em relação ao seu tamanho, (pelo fato de não ser algo
comercial, com propósito simples de diminuir a incidência da luz sobre ele), nesse caso foi utilizado
um comprimento de 10 cm. O objetivo desse mecanismo é identificar o posicionamento do sol em
relação ao painel, pois durante o dia o sol se move devido ao efeito de rotação da Terra. Sendo assim
possível ajustar o painel para uma inclinação de modo obter maior incidência de raios solares.
Figura 24. Sensor de LDR
Sobre o armazenamento das informações no cartão microSd, foi utilizando um Shield da
WaveShare, como mostra a Figura 25, pois se trata de um componente adaptado, que pode ser
acoplado em qualquer placa tornando assim bastante viável o seu uso.
50
Esse componente utiliza Interface Periférica Serial Bus ou SPI, esse tipo comunicação opera
em modo full duplex e é gerenciado por um mestre que por sua vez gerencia um ou vários escravos. O
SPI utiliza quatro fios em seu barramento serial, que são: SS (Slave select), MISO (Master In Out
Slave), MOSI (Master Out Slave In) e SCK (Serial Clock). Com uso das bibliotecas do projeto
Arduino, essas configurações ficam de forma transparente ao desenvolver.
Figura 25. Shield microSd WaveShare
Após a aquisição de todos os componentes necessários ao projeto, foi feita a prototipação do
hardware, que ficou da seguinte forma, como mostra a Figura 26.
Figura 26. Protoboard
Porta 1- Sensor LDR 2
Porta 0 - Sensor LDR 1
Porta 5 – Painel Móvel
Porta 4 – Painel Fixo
Led – Status de Erro Led – Status de Padrão
Shield MicroSD
51
4.4.3 Etapa de desenvolvimento do software
Após finalização das 1a e 2
a etapas, inicia o desenvolvimento computacional, visando à
integração desses componentes de formar a realizar o controle do posicionamento do painel solar e o
armazenamento das informações pertinentes obtidas durante o dia, que por sua vez serão armazenadas
no cartão de memória microSD.
Nessa parte de desenvolvimento existiram dois tipos de códigos, uma foi a implementação que
diz respeito à parte do sistema controlando o painel móvel, sendo elaborado um algoritmo que possa
analisar a localização do sol e variar a inclinação do painel de acordo com essa análise, e assim obter
uma maior incidência de raios solares melhorando a geração tensão elétrica. Outro sistema agregado a
esse projeto é o sistema analisador de eficiência enérgica, que possui como objetivo resgatar as
informações armazenadas durante os experimentos e gerar uma gráfico linear comparando o
rendimento dos dois sistemas durante o dia.
4.4.3.1 Desenvolvimento do sistema controlador
Para construção do firmware do microcontrolador, foi desenvolvido na IDE Atmel Studio 6.0
com algumas bibliotecas do projeto chamado Arduino, (plataforma open source de prototipagem que
constroem bibliotecas para microcontroladores da família Atmel), onde disponibiliza várias dessas
bibliotecas já prontas em seu portal. (http://arduino.cc/en/Reference/Libraries)
Bibliotecas Utilizadas
SD: Biblioteca que suporta vários arquivos de sistema como FAT16 e FAT32 em cartões SD de
alta e baixa capacidade. Fornecem as funcionalidades de truncamento, exclusão, leitura, gravação,
criação de arquivos, acesso ao diretório, criação e exclusão de pastas.
SERVO: Essa biblioteca permite controlar servos motores. Servo standard permite variar o
eixo de angulação entre zero e 180 graus. Servos com rotação contínua permitem a rotação do eixo a
ser ajustada de acordo com sua velocidade.
O entendimento do código do microcontrolador é bastante legível, devido às anotações que o
projeto Arduino usa em seu processo de prototipação de código para microcontroladores.
Algumas partes da implementação do sistema serão detalhadas, a primeira parte se refere à
forma de leitura das portas analógicas do microcontrolador. O Atmega 328P possui seis portas
52
analógicas onde serão feitas as leituras de um sinal analógico que pode chegar até uma tensão no
máximo de 5 Volts.
Para realizar essa leitura nas portas analógica, se faz necessário a utilização de uma tensão de
Referência, onde o conversor digital calculará o valor correspondente. Dessa maneira foi utilizado, a
Referência de cinco Volts, capaz de capturar 1024 níveis de um determinado sinal, significando que
um sinal analógico será convertido para digital em 10 bits.
Fazendo as contas:
Como a tensão máxima de referência de 5 V, correspondendo ao valor 1023, obtemos a
seguinte equação para chegar ao resultado:
Para cada variação desse nível corresponde a , se durante a leitura o valor fosse de 500,
ter-se-ia uma tensão de 2,5V aproximadamente.
A partir desse conhecimento foi feito um laço de repetição que realiza a leitura de cada porta
analógica de maneira a encontrar um valor médio sobre uma amostra de 1000 valores, pois os sinais
oscilam bastante, principalmente a leitura dos sensores LDR. Esse laço é apresentado na Figura 24.
Figura 27. Laço de repetição, responsável por realizar a leitura e média dos valores.
53
Ao término do laço de repetição, se implementa uma lógica computacional para se obter o
posicionamento do sol em relação ao painel. Com o auxilio dos sensores LDR que auxiliam na
localização do sol em relação ao painel, esse invólucro acoplado ao sensor irá deixar passar apenas
um feixe luminoso até a célula que é sensível a luz. Quando isso ocorrer, mostra-se que o sensor está
na mesma inclinação do sol e a célula do sensor chegará ao seu valor máximo, que corresponde ao
Valor Atual no código. Caso esse valor venha a diminuir na próxima média do sensor, isso significa
que o sol se moveu em relação ao painel. Dessa maneira o painel irá se locomover também, como
demonstra a Figura 28.
Figura 28. Sistema mecânico
A implementação dessa lógica ficou da seguinte forma, como mostra a Figura 29.
Figura 29. Lógica para movimentar o painel.
54
A Figura 29 mostra apenas que a condição do valor médio do sensor 1 é maior do que o valor
médio do sensor 2, pois a outra condição é praticamente a mesma, pois foi acrescentado um percentual
de 10% sobre o valor do sensor. Esse acréscimo é uma tentativa de evitar oscilações durante as leituras
dos sensores, devido à passagem de uma nuvem sobre o painel ou qualquer tipo de sombra.
No código da Figura 29, após o término desse processamento, no qual retornará a um valor
médio dos sensores e tensão dos painéis, fazendo uma validação desses valores. Caso o valor da
variável, (Valor Atual), seja menor do que a anterior, o motor irá aumentar sua angulação como pode
ser visto na Figura 30 em diagrama de bloco dos sensores.
Figura 30. Diagrama de bloco dos sensores.
Ao final do processo de verificação dos sensores, é feito um armazenamento dos dados obtidos
durante o processo acumulador o qual retornará com os valores médios de tensão dos painéis e o valor
médio de uns dos sensores, que por sua vez serão armazenados em um cartão microSD. As
informações existentes nesse cartão microSD serão utilizadas posteriormente em uma análise
comparativa de rendimento entre os sistemas que terão como métricas o rendimento do sistema móvel
em relação ao fixo. No arquivo onde foram armazenadas as informações temos os seguintes campos:
tensão do painel fixo, tensão do painel móvel e valor do sensor. A implementação desse método ficou
da seguinte forma, como demonstra a Figura 31.
55
Figura 31. Método responsável pela gravação dos dados.
No processo de validação dos valores foi colocado um trecho do código, com o intuito de
demonstrar que os mesmos estavam sendo obtidos durante as leituras analógicas. Esse trecho se
apresentou da seguinte forma demonstrado na Figura 32.
Figura 32. Trecho de código de verificação dos valores
Essa validação possibilitou verificar que os valores salvos estavam corretos. Um dos testes
realizados nessa avaliação foi constatar o valor de tensão de um dos painéis com o auxílio de um
multímetro verificando se o valor obtido no sistema controlador era o mesmo encontrado no
multímetro.
56
Essa simulação pode ser vista na Figura 33.
Figura 33. Validação da tensão do painel com o sistema e um multímetro
4.4.3.2 Desenvolvimento do sistema analisador
Para construção do sistema analisador, utilizou-se a IDE Netbeans 7.2 com algumas
bibliotecas do javaFx, que faz uso de um conjunto de API (Application Programming Interface) para o
desenvolvimento, tanto em sistemas web como em desktop, facilitando a criação de interface de
maneira rápida e fácil.
Para realizar a plotagem do gráfico no sistema analisador, foi utilizado um componente
LineChart, usado para plotar gráficos lineares.
57
A programação desse método de plotagem gráfica está demonstrada na Figura 34.
Figura 34. Método responsável por gerar o gráfico
Esse software tem como objetivo demonstrar o rendimento do sistema móvel em relação ao
fixo, onde as informações obtidas nesse gráfico foram adquiridas dos valores armazenados no cartão
microSD durante os experimentos.
58
4.5 DESCRIÇÃO DOS EXPERIMENTOS
Para a comprovação do aumento da eficiência dos painéis, foram realizados os seguintes
experimentos;
Um painel foi acoplado a uma base de suporte articulada, onde possuía um sistema
controlador que realizou o seu posicionamento automático, buscando a melhor
angulação do painel em relação ao sol, com inclinação inicial de 45º.
Outro painel foi acoplado a uma base de suporte fixa, onde possui uma inclinação de
45°.
A avaliação do ganho na geração de energia elétrica foi constatada por esses dois tipos de
sistemas, ambos nas mesmas condições climáticas. O diferencial entre os sistema foi que em um
utilizou-se uma base de suporte móvel e o outro fixa.
Figura 35. Essa foto foi tirada por volta das 11h00min.
Figura 35. Montagem do experimento
Painel Móvel
Painel Fixo
59
Na Figura 36 tem-se a localização dos sensores.
Figura 36. Posição dos sensores LDR
Os testes foram elaborados em um terraço. A maioria dos testes foram elaborados em dias de
céu encoberto, com períodos de céu aberto.
Segue abaixo a demonstração na Figura 37.
Figura 37. Condições climáticas
Sensor LDR 1 com
invólucro
Sensor LDR 2 com
invólucro
60
4.6 RESULTADOS
Após os dois dias de análise foram divulgados os resultados obtidos nas Tabelas 6, 7 e 8.
Na Tabela 6 tem-se o primeiro dia de coleta de dados do sistema.
Tabela 6. Dados coletados no dia 02/11/2012
Horário
aproximado
Tensão do Painel Fixo (V) Tensão do Painel Móvel
(V)
Valor do
Sensor
14h:00min 2,19 2,2 700
14h:05min 2,18 2,2 670
14h:10min 2,16 2,18 796
14h:15min 2,14 2,17 708
14h:20min 2,11 2,15 658
14h:25min 2,11 2,15 601
14h:30min 2,06 2,12 609
14h:35min 2,04 2,11 591
14h:40min 1,95 2,06 501
14h:45min 1,92 2,04 511
14h:50min 1,89 2,02 500
14h:55min 1,84 1,97 500
15h:00min 1,8 1,95 487
15h:05min 1,79 1,94 415
15h:10min 1,73 1,88 404
15h:15min 1,72 1,86 458
15h:20min 1,65 1,8 400
15h:25min 1,63 1,79 410
15h:30min 1,66 1,81 460
15h:35min 1,75 1,87 406
15h:40min 1,8 1,86 304
15h:45min 1,78 1,9 485
15h:50min 1,85 1,99 455
Média 1,9 2,00 523
No dia 02/11/2012 o processo de análise foi interrompido devido ao mal tempo, mas mesmo
assim foi possível verificar uma melhora significativa do painel móvel em relação ao fixo, da qual está
demonstrado no gráfico da Figura 38.
61
Figura 38. Gráfico de tensão durante o período do dia
Esse gráfico da Figura 38 foi gerado a partir do sistema analisador desenvolvido, que possui
como objetivo realizar a leitura dos dados armazenados no cartão microSD, de forma a demonstrar em
modo gráfico o rendimento do sistema.
Já no dia 03/11/2012, foi possível adquirir mais informações devido a condições climáticas
favoráveis. Nesse dia, o céu amanheceu parcialmente nublado e com alguns períodos de céu aberto.
Devido ao fato do horário de verão estar vigente houve um maior aproveitamento do período de sol.
Nesse dia houve uma grande diferença entre os painéis ao entardecer, como apresentado na
Tabela 7, devido ao fato do painel móvel estar posicionado na mesma direção do sol. Dessa forma
obteve-se um melhor aproveitamento da irradiação de fim de tarde no painel móvel. Comparado com o
painel móvel, obteve-se um aproveitamento menor ao final da tarde do painel fixo, já que o mesmo
estava posicionado em uma direção oposta ao sol nesse horário. Nota-se que no painel fixo houve uma
queda considerável causada pela diminuição do nível de irradiação na superfície das células, dando
assim uma baixa produtividade ao entardecer, enquanto o móvel continuou gerando uma tensão mais
estável devido ao seu posicionamento.
62
Tabela 7. Dados coletados dia 03/11/2012
Horário
aproximado
Tensão do Painel Fixo (V) Tensão do Painel Móvel
(V)
Valor do
Sensor
17h00min 1,92 2,13 795
17h20min 1,94 2,14 797
17h40min 1,9 2,17 800
18h00min 1,93 2,18 799
18h20min 1,84 2,22 901
18h40min 1,32 1,79 641
O sistema demonstrou que durante o período do dia os painéis solares de base fixa tendem a ter
uma queda na produtividade, devido à perda de incidência direta dos raios solares na superfície das
células. Com isso há uma queda significativa na sua geração energética. Dessa forma são feitos
trabalhos para maximizar esse ganho energético, de modo a obter um melhor aproveitamento durante
todo o dia. Neste projeto pode-se comprovar essa baixa no rendimento ao longo do dia, e a melhora
significativa na utilização do sistema controlador mostrando haver um melhor desempenho em relação
ao sistema fixo.
A Figura 39 demonstra o rendimento dos painéis durante um período maior do que outro
analisado anteriormente, onde é possível ver claramente o comportamento durante dia, desde ao 10h da
manhã até o final da tarde.
03/11/2012
Figura 39. Gráfico obtido pelo Office da Microsoft
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
2
2,1
2,2
2,3
2,4
10
:00
10
:20
10
:40
11
:00
11
:20
11
:40
12
:00
12
:20
12
:40
13
:00
13
:20
13
:40
14
:00
14
:20
14
:40
15
:00
15
:20
15
:40
16
:00
16
:20
16
:40
17
:00
17
:20
17
:40
18
:00
18
:20
18
:40
Ten
são
Horário Tensão do Fixo
Tensão do Móvel
63
O sistema controlador teve uma melhora significativa no seu desempenho ao longo do dia.
Verificou-se que nas primeiras horas do dia entre o sistema fixo e o móvel, ocorreu uma pequena
diferença na geração de energia. No decorrer do dia em que o sol se movia para o oeste, começou a
evidenciar uma maior variação desses valores. Quanto mais tarde ficava, menor era a tensão do painel
fixo. Isso já não acontecia com painel móvel, pois ainda continuava ter uma geração maior, pelo fato
de está melhor posicionando. Isso se manteve até o final da tarde, como foi visto no gráfico na Figura
39.
A Tabela 8 resume as médias apuradas durante o período de coleta de dados, entre o horário
das 10h00min às 18h40min do dia 03/11/2012. Estes resultados foram obtidos a partir da soma dos
valores da energia gerada durante o experimento e dividido pelo número de amostras daquele horário,
no que resultou a média por hora de energia gerada para cada um dos painéis.
Tabela 8. Dados médios de geração de energia elétrica por ambos os painéis
Horário Média da Energia Gerada
(Painel Fixo – V)
Média da Energia Gerada
(Painel Móvel – V)
Média do Ganho na
Geração (Móvel/Fixo - %)
10h às 10h55 2,1942 2,2017 0,685
11h às 11h55 2,1150 2,1258 1,023
12h às 12h55 2,0550 2,0558 0,078
13h às 13h55 2,0775 2,0808 0,318
14h às 14h55 2,0583 2,0625 0,409
15h às 15h55 2,0867 2,1450 5,666
16h às 16h55 2,0233 2,1383 11,69
17h às 17h55 1,9083 2,1492 26,84
18h às 18h40 1,7289 2,1311 51,93
Média 2,03 2,12 9,064
A comparação entre os valores médios gerados resultou na Média do Ganho na Geração. Esse
valor é representado em porcentagem, por ser um dado comparativo. Para completar esse conjunto de
dados, foi adicionada, uma última linha que se refere à média calculada desses valores resultando num
valor de 9% de acréscimo diário, que indica o percentual de ganho obtido em relação ao outro sistema.
64
Para chegar aos valores desse trabalho, foram utilizadas algumas expressões matemática, que
são:
Em que:
P – potência (watt, W), U – diferença de potencial (volt, V), R – resistor ( ohm, Ω), I – corrente
(ampère, A).
Em que:
E – energia (kilowatt-hora, Wh ), P – potência (watt, W) e - intervalo de tempo (hora, h).
Nota: A quantidade de energia elétrica consumida é indicada por outra unidade que não
pertence ao S.I., o kilowatt-hora, cuja relação com o joule é conhecida por:
O valor da carga (R) de ambos os painéis são iguais. Assim simplificá-los da equação.
Potência do painel móvel
Energia do painel móvel
Potência do painel fixo
Energia do painel fixo
Supondo que a tensão média produzida pelo painel móvel em 9 h no dia foi 2,12 V, então a
energia produzida por ele no mês seria de 1,213 KWh/mês.
Supondo que a tensão média produzida pelo painel fixo em 9 h no dia foi 2,03 V, então a
energia produzida por ele no mês seria de 1,112 KWh/mês.
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Fazendo W1/W2, temos: 1,09; ou seja, o painel móvel daria um aumento na energia mensal de
9%.
Esse valor de 9% se refere apenas ao ganho no entardecer. Devido ao fato do experimento ter
como partida a mesma inclinação do painel fixo, caso fosse feita a análise ao amanhecer, esse valor
poderia aumentar consideravelmente, pois teria um melhor aproveitamento do dia. Vale ressaltar que
esses dados foram coletados em um dia não muito favorável, isto é períodos de céu encoberto.
No mercado atual, os painéis solares em sua grande maioria são utilizados de maneira fixa. Os
painéis fotovoltaicos ainda continuam tendo um valor alto devido ao fato de sua fabricação ter um
custo elevado e a relação de retorno energético muito baixo. Cada placa tem uma variação de 0,4 a 0,6
V dependendo do tipo de material utilizado na fabricação das células, e esses painéis atuais tem uma
vida útil estimada de aproximadamente 25 anos. Após esse período de vida útil, as células tendem a ter
uma perda em sua eficiência energética.
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5 CONCLUSÕES
Com base na revisão bibliográfica realizada, possibilitou o estudo de matriz energética, energia
renovável e sistema fotovoltaico e com os resultados obtidos foi possível extrair algumas informações
tais como;
Após o desenvolvimento das diferentes etapas de construção desse projeto, é possível afirmar
que a pesquisa realizada atingiu os objetivos propostos verificou-se que o sistema móvel obteve uma
melhora significativa de rendimento a partir das 15 horas, obtendo uma melhora ao decorrer do dia em
relação ao painel fixo.
Os resultados mostram uma perda de produtividade ao entardecer, onde se verificou que os
sistemas fixos estavam numa posição contrária do sol no período da tarde, com isso deixa-se de
aproveitar essa energia. Já com o modelo de sistema móvel não houve essa perda, pelo fato de estar
posicionado na mesma direção do sol, aproveitando ao máximo o dia, onde se pode verificar que às
18h20min (horário de verão) pode se obter uma diferença de 0,38 Volts de um painel para outro.
O sistema móvel apresentou um maior rendimento em relação ao pinel fixo, no qual se obtém
uma maior incidência de raios solares sobre a superfície do painel no período da tarde. Com isso uma
maior geração energética. Dentro deste contexto, conclui-se que o sistema proposto pode ser uma
alternativa, tais como as usinas solares, Nevada Solar One, Central Solar Fotovoltaica de Moura,
Parque Fotovoltaico Puertollano, entre outras, de modo maximizar a eficiência energética obtida do
sol, sempre com o objetivo de gerar a produção de energia.
Apesar de o resultado ter se restringido em apenas 9%, pelo fato das condições climáticas do
dia não estarem favoráveis para aquisição dos dados, o sistema se mostrou eficiente na captação solar,
de forma que, melhorou a produtividade em relação ao dia, podendo ter um aproveitamento melhor,
caso as condições climáticas estejam mais favoráveis.
Outro fator importante desse resultado foi à montagem do experimento, no qual se pensou que
apenas a variação da inclinação do painel já teria um valor superior, mas concluiu-se que os dados
analisados mostram uma melhora significativa do seu rendimento, ao entardecer e possivelmente
também ao amanhecer. Como a base móvel partia da mesma inclinação do fixo, e nas primeiras horas
do dia não houve muitas variações entre os dois sistemas. A incidência é praticamente a mesma, ao
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entardecer quando foi observado que os valores vão aumentando obtendo-se os maiores percentuais ao
final do dia.
Por outro lado, o sistema é uma fonte energia renovável e de baixo custo de implantação,
operação e manutenção, fornecendo energia elétrica para comunidade afastada de uma estação elétrica
ou domicílios rurais, tornado uma solução simples e até mais econômica comparando com a
construção de uma nova subestação elétrica.
Este projeto enriqueceu os conhecimentos do autor por ter envolvido diversas áreas, tais como:
programação C/C++, desenvolvimento de hardware e processamento de dados, se fez o uso de
matérias do curso tais como: Circuitos Elétricos, Integração de Software e Hardware, Engenharia de
Software, Algoritmos I e II dentre outras, além de usar tecnologias e conceitos relevantes.
Espaços para novos trabalhos de pesquisa foram identificados no decorrer deste projeto, alguns
destes trabalhos, que abrirão caminhos para novas pesquisas dentro da área.
5.1 TRABALHO FUTUROS
Como continuidade deste trabalho, sugere-se analisar a angulação dos raios solares que incidem
sobre as células dos painéis fotovoltaicos e determinar qual a angulação de melhor aproveitamento
desses raios, de forma absorver ao máximo a luz.
Um trabalho futuro que poderia ser sugerido seria encontrar uma alternativa de movimentá-los
com o menor consumo possível de energia ou utilizar um mecanismo que não utilize energia e
comparar a viabilidade de implantação desse sistema.
Outro trabalho interessante seria elaborar um novo sistema de posicionamento de placas, que
seria apenas rotacioná-los horizontalmente, num giro de 180º graus, de modo aproveitar o entardecer,
verificando assim o desempenho do painel com o sistema de posicionamento automático. Com esse
novo método avaliar o consumo energético para realizar esse movimento e quanto de geração
energética será produzido. E por último aperfeiçoar o software, no sentido de melhorar seu algoritmo,
ou até mesmo utilizar uma lógica fuzzy para verificar se realmente é proveitoso realizar esse
movimento dos painéis.
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