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PAULO CÉSAR SEDOR
OTIMIZAÇÃO DA ABSORÇÃO DE ENERGIA SOLAR COM USO DE PLACAS FOTOVOLTAICAS E
REFLETORES MÓVEIS
FLORIANÓPOLIS, 2013
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA
CAMPUS FLORIANÓPOLIS DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL-MECÂNICA
MESTRADO PROFISSIONAL EM MECATRÔNICA
PAULO CÉSAR SEDOR
OTIMIZAÇÃO DA ABSORÇÃO DE ENERGIA SOLAR COM USO DE PLACAS FOTOVOLTAICAS E
REFLETORES MÓVEIS
Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em Mecatrônica do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina para a obtenção do título de Mestre em Mecatrônica. Orientador: Prof. Jean Paulo Rodrigues, Dr. Eng.
FLORIANÓPOLIS, 2013
Reservado para a ficha catalográfica
Sistema de Bibliotecas Integradas do IFSC Biblioteca Dr. Hercílio Luz – Campus Florianópolis
OTIMIZAÇÃO DA ABSORÇÃO DE ENERGIA SOLAR COM USO DE PLACAS FOTOVOLTAICAS E
REFLETORES MÓVEIS
PAULO CÉSAR SEDOR
A presente dissertação foi julgada adequada para obtenção do Título de Mestre em Mecatrônica, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Mecatrônica do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina.
Florianópolis, 05 de junho de 2013.
___________________________________________ Prof. Jean Paulo Rodrigues, Dr. Eng. – Orientador
_______________________________________________ Prof. Roberto Alexandre Dias, Dr. Eng. – Coordenador do
Curso
Banca Examinadora:
___________________________________________ Prof. Jean Paulo Rodrigues, Dr. Eng. – Presidente
____________________________________________ Prof. Adriano Regis, Msc. Mecatrônica – Titular
_____________________________________________ Prof. Luciano Amaury dos Santos, Dr. Eng. - Titular
Aos meus pais: Waldo e Isa (Ladomer Sedor e Elisabetha Ilkio Sedor).
A minha irmã Lizete (Lizete Sedor Milis).
Aos meus filhos: Yúri e Bea
(Yúri Horbatiuk Sedor e Beatriz Horbatiuk Sedor).
Ao meu tio Pedrinho (Pedro Ilkiw).
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RESUMO
As placas fotovoltaicas utilizadas para transformação da energia solar em energia elétrica não apresentam rendimento nominal devido à variação do ângulo de incidência dos raios solares durante o movimento aparente do sol e devido, principalmente, à existência de nebulosidade. A identificação desta queda na absorção de energia motivou a pesquisa em sistemas de acompanhamento solar e utilização de superfícies refletoras. Neste contexto, este trabalho apresenta estudos de placas fotovoltaicas com concentradores dos raios solares e seguimento solar. Conforme apresentado de forma analítica e experimental, são alcançados maiores rendimentos, melhorando a relação custo/beneficio com a utilização dessas técnicas. Palavras-chave: Energia fotovoltaica. Concentrador solar. Seguidor solar. Heliostato.
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ABSTRACT
The photovoltaic panels used for transformation of solar energy into electrical energy have no nominal income due to the variation of the angle of incidence of sunlight during the apparent motion of the sun and mainly due to the existence of cloudiness. The identification of this drop in energy absorption motivated this research in solar tracking systems and the use of reflective surfaces. In this context, this work presents studies of photovoltaic concentrator of sunlight and solar tracking. As shown analytically and experimental, higher yields are achieved by improving the cost / benefit with the use of these techniques.
Key words: Photovoltaic energy. Solar concentrator. Solar
tracking. Heliostat.
9 LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Estrutura Cristalina do Silício (adaptada de Ruiz, 2001) ..................................................................................................... 22 Figura 2 - Bandas de energia de um semicondutor (adaptada de Eberhardt, 2005).......................................................................... 23 Figura 3 - Painéis compostos pelos três principais tipos de células fotovoltaicas .................................................................... 27 Figura 4 - Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica real .. 31 Figura 5 - Curva da corrente elétrica em função da tensão nos terminais de uma célula fotovoltaica com a junção P-N no escuro e sob iluminação. Adaptada de Green, 1992.............................. 32 Figura 6 - Curva I&V de um módulo fotovoltaico representada no primeiro quadrante do gráfico corrente em função da tensão elétrica ......................................................................................... 33 Figura 7 - Nebulosidade - energia não absorvida ....................... 38 Figura 8 - (a) Desenho 3D do protótipo projetado. (b) Desenho 3D do Protótipo construído.......................................................... 41 Figura 9 - Parte inferior da base. ................................................ 42 Figura 10 - Chapas em formato de "U". ...................................... 42 Figura 11 - Sustentação da parte móvel. .................................... 43 Figura 12 - Detalhamento do sistema de transmissão e suas fixações........................................................................................ 44 Figura 13 - Barras com distância angular de 120º para as duas extremidades do módulo ............................................................. 45 Figura 14 - Moldura para sustentação dos espelhos .................. 46 Figura 15 - Ensaio de incremento de massa no contrapeso. ..... 47 Figura 16 - Redução 1:50 ............................................................ 48 Figura 17 - Motor CC ................................................................... 49 Figura 18 - LDR ........................................................................... 50 Figura 19 - Tubos para conter os LDRs ...................................... 50 Figura 20 - Circuito seguidor solar [15] ....................................... 51 Figura 21 - Circuito acionando o motor no sentido anti-horário . 52 Figura 22 - Motor parado ............................................................. 52 Figura 23 - Circuito acionando o motor no sentido horário ........ 53 Figura 24 - Montagem dos sensores na placa............................ 54 Figura 25 - Montagem completa em testes. ............................... 55 Figura 26 - Arduino® Duemilanove ............................................. 56 Figura 27 - Módulo GPS .............................................................. 57
10 Figura 28 - Módulo SDcard ......................................................... 57 Figura 29 - Ligação entre Arduino® e GPS ................................ 58 Figura 30 - Ligação entre arduino® e SDcard ............................ 58 Figura 31 - Montagem do coletor de dados ............................... 60 Figura 32 - Acompanhamento da coleta de dados ..................... 61 Figura 33 - Montagem para coleta de dados ............................. 62 Figura 34 - Coletor de dados e cargas utilizadas ....................... 63 Figura 35 - Detalhe das cargas utilizadas .................................. 64 Figura 36 - Plotagem dos dados Vc X Vr e curva ajustada ........ 66 Figura 37 - Céu encoberto por nuvens ....................................... 69 Figura 38 - Céu encoberto, passando à pequenas aberturas de nuvens ......................................................................................... 70 Figura 39 - Céu encoberto, passando à aberto, terminando semi-aberto .......................................................................................... 71 Figura 40 - Céu abrindo e saturando a capacidade das placas . 72 Figura 41 - Detalhe do gráfico anterior: saturação das placas ... 73 Figura 42 - Ganho negativo devido a luz difusa ......................... 74 Figura 43 - Detalhe do gráfico anterior: ganho negativo ............ 75 Figura 44 - Céu totalmente cinzento, sem definição de nuvens 76 Figura 45 - Percentual do tempo em que o céu permaneceu em cada uma das octas .................................................................... 78 Figura 46 - Número de horas significativas em cada faixa horária ..................................................................................................... 79
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Lista de Tabelas Tabela 1 - Nebulosidade em Florianópolis - 1961-1970. Adaptado de GOULART [34] ....................................................................... 37 Tabela 2 - Tabela Vr x Vc ........................................................... 65 Tabela 3 - Classificação da nebulosidade em octas. Fonte INPE ..................................................................................................... 77 Tabela 4 - Percentual do tempo para cada horário em função das octas ............................................................................................ 78 Tabela 5 - Grau de influência de cada faixa horária na captação diária ............................................................................................ 80 Tabela 6 - Quantidade de horas anuais por octa e faixa de horário .......................................................................................... 80 Tabela 7 - Divisão da potência máxima da placa fotovoltaica em 9 faixas ........................................................................................ 81 Tabela 8 - Ganho obtido experimentalmente para cada octa .... 81 Tabela 9 - Potência média gerada na placa de referência para cada octa ..................................................................................... 82 Tabela 10 - Potência média gerada na placa do sistema para cada octa ..................................................................................... 82 Tabela 11 - Potência anual gerada na placa de referência, por octa e faixa horária ...................................................................... 83 Tabela 12 - Potência anual gerada na placa do sistema, por octa e faixa horária .............................................................................. 83 Tabela 13 - Soma da potência gerada na placa do sistema para cada octa ..................................................................................... 85
12
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ..................................................................... 14
1.1 Objetivos ............................................................................. 15
1.2 Escopo da Dissertação ..................................................... 15
2 REFERENCIAL TEÓRICO .................................................. 16
3 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS...................................................................... 20
3.1 Semicondutores ................................................................. 21
3.2 Níveis de energia em semicondutores ............................ 22
3.3 Dopagem de materiais semicondutores ......................... 24
3.4 Dopagem do silício ............................................................ 25
3.5 Células fotovoltaicas ......................................................... 25
3.5.1 Células monocristalinas .................................................... 26
3.5.2 Células policristalinas ........................................................ 27
3.5.3 Células de silício amorfo ................................................... 27
3.6 Fabricação de células fotovoltaicas ................................ 28
3.7 Modelagem matemática de uma célula fotovoltaica ...... 29
3.8 Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica ............ 30
3.9 Curva característica de uma célula e módulo fotovoltaicos .............................................................................. 31
4 ANÁLISE DA NEBULOSIDADE E CONCENTRAÇÃO SOLAR ........................................................................................ 36
5 SISTEMA PROPOSTO ........................................................ 40
5.1.1 Construção da base .......................................................... 41
5.1.2 Sustentação do Módulo Fotovoltaico ................................ 43
5.1.3 Barras com distâncias angulares de 120º......................... 45
5.1.4 Molduras para sustentação dos espelhos refletores ........ 46
13 5.1.5 Montagem do sistema mecânico do gerador fotovoltaico 46
5.1.6 Escolha do motor CC e do redutor .................................... 48
5.2 Sistema elétrico - eletrônico ............................................. 50
5.3 Montagem completa .......................................................... 55
6 RESULTADOS OBTIDOS ................................................... 56
7 ANÁLISE DO GANHO ANUAL ........................................... 77
CONCLUSÕES ........................................................................... 86
REFERÊNCIAS ........................................................................... 91
APÊNDICES ................................................................................ 97
APÊNDICE A - CÁLCULO PARA O DIMENSIONAMENTO DOS COMPONENTES MECÂNICOS ................................................. 98
ANEXOS ................................................................................... 107
ANEXO A - AMOSTRA DOS DADOS COLETADOS .............. 108
ANEXO B - FONTE DO PROGRAMA EM LINGUAGEM "C" PARA O ARDUINO ................................................................... 110
1 INTRODUÇÃO
A conversão da energia solar em energia elétrica é uma alternativa à atual matriz energética brasileira, que se baseia, principalmente, em geração hidráulica e geração térmica, que causam algum tipo de agressão ao meio ambiente. Segundo o Banco de Informações de Geração, da ANEEL, 64,79% da geração de eletricidade no Brasil provem de usinas hidrelétricas e 28,08% de termelétricas. Essa conversão baseia-se no efeito fotovoltaico descoberto por Bequerel em 1839. Pearson, Fuler e Chapin colocaram em prática este conceito em 1954, com a construção da primeira célula de silício, que foi amplamente desenvolvida para fornecimento de energia para sistemas elétricos dos satélites, que inicialmente eram feitos com baterias e com energia nuclear[41]. Outro grande incentivo ao desenvolvimento dessas células foi o aumento das telecomunicações, que exigiam alimentação de sistemas em locais de difícil acesso.
Com o desenvolvimento dos processos de fabricação, e, conseqüentemente, a redução dos custos de produção, passou a ser utilizada em áreas rurais e urbanas, apresentando uma alternativa para os problemas de demanda.
Japão, Espanha, Portugal e Alemanha, entre outros países, dão subsídios e financiamento à implantação de sistemas fotovoltaicos como forma de incentivar sua utilização; como exemplo podemos citar o caso da Espanha [IDAE, 1998], que favorecem um aumento acentuado nas pesquisas em energia solar, nas áreas de Física, Engenharia e Arquitetura.
Os principais componentes deste sistema são os módulos fotovoltaicos, os conversores, os reguladores de carga e as baterias. Nesta dissertação vamos nos preocupar apenas com os módulos fotovoltaicos.
Normas internacionais, ASTM, 2000, IEEE, 2002, ABNT, 2001, estabelecem padrões para caracterização dos módulos fotovoltaicos; entre eles citamos: temperatura constante de 25 graus Celsius, irradiância de 1000 watts por metro quadrado, com espectro equivalente ao da radiação solar, com uma massa de ar 1,5 (AM 1,5).
A curva característica representa o relacionamento entre a corrente e a tensão de um módulo fotovoltaico.
15 1.1 Objetivos
Esta dissertação tem como seu principal objetivo analisar, de forma teórica e experimental, a absorção de energia por uma placa fotovoltaica com movimento de acompanhamento solar, tendo anexado a ela dois espelhos. Esses espelhos são fixados à placa de tal maneira que os raios solares que sobre eles incidam, sempre sejam refletidos sobre a placa fotovoltaica. Assim, além de melhorar a incidência dos raios solares sobre a placa, também causam uma baixa concentração destes.
Como objetivo secundário, tem-se o estudo da utilização de sistemas mecânicos de baixo custo para viabilizar o uso de espelhos e competir com outros sistemas fotovoltaicos sem refletores. 1.2 Escopo da Dissertação
Esta dissertação foi dividida em capítulos. O primeiro apresenta uma introdução mostrando a motivação e os objetivos deste trabalho. O Capítulo 2 apresenta uma revisão de literatura relacionada ao tema da dissertação. O Capítulo 3 apresenta as bases dos princípios de funcionamento das células e módulos fotovoltaicos. No Capítulo 4, são realizadas análises teóricas e práticas do efeito da nebulosidade e da concentração de energia solar sobre placas fotovoltaicas. No Capítulo 5 é apresentada uma descrição detalhada do sistema desenvolvido: montagem do módulo a partir de células fotovoltaicas convencionais adquiridas no mercado, estrutura de montagem, processo de movimentação do conjunto placa-espelhos, circuitos elétricos / eletrônicos e software de controle. No Capítulo 6, são mostradas as construções realizadas para captura e medição dos dados. No Capítulo 7 são apresentadas as projeções da geração para longo prazo. No Capítulo 8 apresentamos as conclusões resultantes da pesquisa e as sugestões para continuidade do trabalho. Após o capítulo de conclusões são apresentadas as referências e os anexos.
16 2 REFERENCIAL TEÓRICO
Várias entidades internacionais apresentam normas para os ensaios dos componentes de instalações fotovoltaicas, entre elas a ASTM (American Society for Testing and Materials), a IEC (International Electotechinical Comission) e, no Brasil, a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas).
Para caracterização elétrica de módulos fotovoltaicos na condição padrão, as normas E-1036, [ASTM, 2002], IEC 1215, [IEC, 1993] estabelecem que a irradiância solar e a temperatura
do módulo fotovoltaico devam ser, respectivamente, 1000 w/m²e 25 ºC. Essas mesmas normas também estabelecem uma condição denominada NOCT (Nominal Operating Cells Temperature), que é a temperatura de operação da célula fotovoltaica, quando submetida a 800 w/m² a uma velocidade de vento de 1 m/s e a temperatura do ar de 20 ºC. Algumas diferenças entre essas condições para as normas ASTM e IEC estão nos valores de incertezas estabelecidas para irradiância e temperatura.
No que tange à distribuição espectral, as normas IEC 1215, 1993, e ASTM E-1036, 2002, estabelecem, como espectro de referência da irradiância solar direta normal e global, um espectro equivalente a uma massa de ar 1,5. A norma IEC 904-3, 1989, mostra os valores de irradiância para cada comprimento de onda para esse espectro.
Em relação aos coeficientes de variação da corrente de curto-circuito e da tensão de circuito aberto, as normas ASTM e IEC diferem na forma como se realiza o ensaio.
Deve ser considerado que os módulos ensaiados nas condições padrão deverão operar em condições naturais, quando instalados[41]. Fatores como a quantidade de radiação que atinge a superfície das células fotovoltaicas tem uma importância bastante significativa, tendo em vista que essa radiação é responsável por fatores como a fotocorrente e pelo aquecimento da célula. Para considerar esse fator, deve-se levar em conta que a radiação que chega à superfície ativa do módulo deve atravessar os materiais que envolvem as células. Nesse caminho óptico, a parcela da radiação que entrou no vidro sofre múltiplas reflexões, podendo ser absorvida pelos materiais que envolvem
17 as células ou escapar para fora do módulo pela interface ar-vidro. Trabalhos realizados por Davis et al (2001) [5], Bazilian et al (2002) [2] , Krauter e Hantsch (1994) [11], Duffie e Beckman (1991) [6], na área de óptica de módulos fotovoltaicos, mostram modelos matemáticos dessas perdas ópticas.
Considerando que a principal função dos módulos fotovoltaicos é a conversão de energia radiante do sol em energia elétrica, a verificação de fatores que interferem nessa conversão são objeto de estudos. Okada et al (2006) [24] consideram que os principais fatores que causam decréscimo no desempenho de módulos fotovoltaicos são a redução da irradiância, devido à transmitância dos materiais encapsulantes, à temperatura e à resistência série. Também Meyer et al (2005) [22] mostram que a resistência série e reduções de irradiância temporárias ou permanentes causam reduções de desempenho, além de causar problemas de aquecimentos localizados (pontos quentes).
Radziemska (2003) [27] analisa os efeitos de quedas de potência de módulos fotovoltaicos relativamente aos efeitos espectrais de células solares de silício.
Mais relacionado ao espectro de radiação solar Williams et al (2003) [33] realizaram um trabalho na linha do desenvolvimento de modelos de desempenho, baseados em relatórios realísticos de desempenho de módulos fotovoltaicos. Neste trabalho, é proposto que a análise espectral pode dar explicações mais detalhadas, sobre as reduções de desempenho dos módulos fotovoltaicos.
Considerando que os módulos fotovoltaicos geralmente operam em condições distintas das condições padrão de ensaios, é importante conhecer como serão os comportamentos desses módulos nas condições naturais. Nessas condições, as influências dos parâmetros temperatura e irradiância justificam a importância do monitoramento das características elétricas e térmicas de módulos, para prever a energia convertida por estes dispositivos.
Alonso et al (2006) [2] desenvolveram um trabalho de caracterização individual de 33 células fotovoltaicas em polarização reversa e em polarização direta. Neste trabalho foi construído um módulo, de tal forma que era possível o acesso individual a todas as suas células. Dessa forma, podiam ser
18 medidas as tensões individuais para as condições dos ensaios. Uma característica importante que é apresentada neste trabalho é a distribuição de tensões das células na condição de curto-circuito. Nessa condição, a tensão total do módulo deve ser zero. É importante ressaltar que, em um dos gráficos deste trabalho [41], é apresentada a distribuição dos valores de tensões para as células deste painel. Essa distribuição ocorre devido às células não terem as mesmas características. Se as características das células fossem iguais, todos os dispositivos deveriam estar com suas tensões iguais a zero. Industrialmente é muito pouco provável, apesar das classificações feitas em linhas de montagem, que um módulo fotovoltaico tenha todas as suas células iguais. Sendo assim, módulos expostos às condições de operação naturais, dependendo de sua tensão de operação, poderão apresentar anomalias na distribuição das tensões nas suas células.
É importante ressaltar que essas distribuições não são evidenciadas quando o módulo é caracterizado na condição padrão, segundo as normas IEC 1215, tendo em vista que o teste supõe tensões distribuídas uniformemente. Dessa forma, módulos que tenham sido classificados pelas curvas I&V na condição padrão podem apresentar diferenças nessa classificação, quando operando em condições naturais. Tendo-se conhecimento desse fato, a translação da curva característica para uma condição de interesse pode causar erros de avaliações na execução de projetos de instalações fotovoltaicas.
Há duas componentes na radiação solar: radiação direta e radiação difusa. A radiação direta é a que vem diretamente do Sol, sem reflexões ou refrações intermediárias. A difusa, é emitida pelo céu durante o dia, graças aos muitos fenômenos de reflexão e refração da atmosfera solar, nas nuvens, e nos restantes elementos da atmosfera terrestre. A radiação refletida direta pode ser concentrada e utilizada. No entanto, tanto a radiação direta quanto a radiação difusa são utilizáveis.
Na figura 1a podemos ver o espectro da irradiância solar acima da atmosfera (azul) e à superfície terrestre (amarelo).
Toda energia solar é emitida sob a forma de irradiação luminosa: 41% no espectro visível, 52% no infravermelho e 7% no ultravioleta próximo.
Figura 1a - espectro da luz solar
20 3 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE CÉLULAS
FOTOVOLTAICAS O princípio de funcionamento das células fotovoltaicas está
baseado no efeito fotovoltaico. Esse efeito foi observado pela primeira vez por Bequerel em 1839, quando percebeu que ao incidir luz em um eletrólito ocorria uma diferença de potencial entre os eletrodos imersos nessa solução. No ano de 1954, foi fabricada nos laboratórios Bell, por Gerald Pearson, Calvin Fuler e Daryl Chapin, a primeira célula solar de silício desenvolvida com eficiência de aproximadamente 6% [14]. Posteriormente, essa tecnologia passou a ser desenvolvida e comercializada pela Western Eletric. Devido às necessidades relacionadas ao programa espacial americano a tecnologia fotovoltaica teve uma maior visibilidade com os painéis fotovoltaicos como fonte de alimentação para os sistemas elétricos de satélites [14].
A evolução tecnológica teve um rápido crescimento na década de 50 e início da década de 60. As células solares passaram de uma eficiência de 6% em 1954 para 14,5% em 1961. Em 1973 os laboratórios COMSAT chegaram a eficiências de 15,2% e em 1974 os mesmos laboratórios desenvolveram uma célula solar com 17,2% de eficiência com a criação de superfícies texturizadas [23].
Outro desenvolvimento importante nas células solares foi a dopagem com impurezas que resultaram em um efeito denominado BSF (Back Surface Field). Esse efeito causa uma repulsão dos portadores minoritários, fazendo com que reduza o processo de recombinação na face posterior. A região BSF pode ser obtida com alumínio, boro, ou fósforo conforme o tipo de base utilizada [9] [29] [30].
Um outro efeito que também melhorou a eficiência de células solares foi a passivação de superfícies. Esse tratamento melhorou o tempo de vida dos portadores de carga da célula solar, contribuindo para a melhoria da eficiência desses dispositivos.
Segundo Goetzberg (1998) [14], em 1994 foi desenvolvida uma célula solar baseada em silício monocristalino de alta qualidade. Esta célula foi denominada PERL (Passivated Emitter
21 and Rear Locally Diffused) e atingiu uma eficiência de 24% a um Sol (sem concentração solar).
Conforme Tanaka et al (2003) [31], no ano da publicação do artigo foram fabricados, em linha industrial, painéis fotovoltaicos com eficiências de até 19,5% com tecnologia HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin-layer).
Em um artigo sobre a tabela de melhores eficiências [16], é relatado que o valor para célula fotovoltaica de silício cristalino, sem concentração da radiação solar, é de 24,7% e de 26,8% para células fotovoltaicas, com concentração. Considerando outras tecnologias de fabricação de células (multijunção), a melhor eficiência sem concentração era de 32,0% e com concentração era de 38,8%. Nesse mesmo artigo, para a tecnologia baseada em silício com filmes finos (thin film transfer), é apresentada uma célula com eficiência de 16,6%, em silício amorfo 9,5% e em silício multicristalino 20,3%. Também nesse artigo, é referido o valor de 22,7% como melhor eficiência para módulos fotovoltaicos.
3.1 Semicondutores Os principais materiais semicondutores utilizados em
dispositivos eletrônicos são o silício e o germânio [40]. Esses átomos unem-se por meio de ligações covalentes formando estruturas tetraédricas conforme mostra a Figura 1.
22
Figura 1 - Estrutura Cristalina do Silício (adaptada de Ruiz, 2001)
Para o caso do silício, essas estruturas tetraédricas são
repetidas para a formação de uma rede cristalina. Deve-se ressaltar que, para aplicações fotovoltaicas baseadas nesse material, pode-se utilizar o silício cristalino (Si-c), o silício multicristalino (Si-mc) e o silício amorfo (Si-a).
3.2 Níveis de energia em semicondutores Todo átomo isolado possui níveis discretos de energia
permitidos para distribuição de seus elétrons. Quanto mais afastados do núcleo do átomo, maior o nível de energia para o elétron [16]. No momento em que esses átomos interagem uns com os outros para a formação de estruturas organizadas, passam a aparecer bandas de energia permitidas para os elétrons dos átomos da estrutura.
23
Essas bandas de energia são chamadas de banda de valência e banda de condução. A diferença de energia entre a banda de valência e a banda de condução denomina-se gap (também chamada banda proibida) e é denotada por Eg. A Figura
2 Figura 1mostra as bandas de energia de um material semicondutor, com a indicação da energia necessária para que um elétron da banda de valência passe para a banda de condução.
Figura 2 - Bandas de energia de um semicondutor (adaptada de
Eberhardt, 2005)
A temperatura do material influencia na quantidade de
energia dos seus elétrons de valência. Em temperaturas próximas a zero Kelvin, estes elétrons encontram-se na banda de valência fazendo com que esse material comporte-se como um isolante elétrico [18]. Com o aumento de temperatura, elétrons da banda de valência podem receber energia suficiente para passarem para a banda de condução. Desta forma, estes materiais passam a apresentar tímidas características de condutor de eletricidade. Na temperatura ambiente a quantidade de energia fornecida aos elétrons da banda de valência não torna estes materiais nem bons condutores de eletricidade nem bons
24 isolantes elétricos. Este comportamento faz com que esses materiais sejam denominados semicondutores.
Na teoria dos semicondutores, os elétrons livres (que estão com energia correspondente à banda de condução) são considerados portadores de carga negativa. Também, na estrutura do semicondutor, algumas ligações covalentes podem estar incompletas, fazendo com que se comportem como portadores de cargas positivas e, nesse caso, são denominados de lacunas.
Para um semicondutor intrínseco, o número de elétrons livres e o número de lacunas são estatisticamente iguais [15].
O valor do gap para o silício, na temperatura ambiente, é de aproximadamente 1,1 eV (1eV=1,6.10e-19 J).
3.3 Dopagem de materiais semicondutores Os materiais semicondutores intrínsecos têm sua
condutividade alterada de forma muito significativa quando são inseridos, em pequenas quantidades, certos tipos de átomos. Esse processo de inserção de impurezas é denominado de dopagem e geralmente é feito com processos de difusão em fornos. Nestes, é possível controlar a temperatura e tempo em que alguns gases entram em contato com o semicondutor. Nesses gases, são transportadas as impurezas que se pretende inserir no semicondutor.
Atualmente, certos tipos de impurezas são inseridos no semicondutor, no momento em que o material está sendo solidificado. Este procedimento faz com que sejam reduzidos os processos de fabricação de células fotovoltaicas, tendo em vista que as lâminas já estão dopadas com impurezas e, dessa maneira, fazendo com que um número menor de passos, que requerem uso de fornos para a fabricação dessas células, seja necessário [15].
25 3.4 Dopagem do silício
As impurezas mais utilizadas para dopagem do silício são
compostas de átomos com cinco elétrons de valência ou átomos com três elétrons de valência. Os átomos mais utilizados nesse processo são o fósforo, o arsênio ou o antimônio (pentavalentes) e o boro, o gálio, o índio ou alumínio (trivalentes).
Ao ser introduzido um átomo pentavalente no silício, quatro de seus elétrons de valência formam ligações covalentes com os átomos de silício da rede cristalina, ficando um quinto elétron de valência desse átomo sem realizar uma ligação química. Dessa forma, este semicondutor dopado tem uma predominância de portadores de cargas negativas, sendo denominado semicondutor do tipo N.
Quando se difundem no silício átomos trivalentes, como impurezas, três de seus elétrons de valência formam ligações covalentes com os átomos da rede cristalina do silício, ficando uma das ligações, entre o átomo trivalente com os átomos tetravalentes do silício, incompleta. Essa falta de uma ligação química representa uma lacuna na qual elétrons podem ocupar esse espaço, dando a esse semicondutor um caráter de aceitador de cargas negativas. Dessa forma, esse semicondutor dopado tem uma predominância de lacunas ou portadores de carga positiva, sendo então denominado de semicondutor do tipo P [15].
3.5 Células fotovoltaicas As células fotovoltaicas são dispositivos semicondutores
em que foram realizados processos controlados de difusão de materiais que deixam o semicondutor do tipo P e do tipo N em determinadas regiões do corpo do semicondutor. Conforme a tecnologia, esses processos fazem com que seja formada uma interface entre a região com portadores majoritários de cargas positivas e a região com portadores majoritários de cargas negativas. Essa interface é denominada junção PN.
26
Esse fenômeno ocorre como conseqüência da presença dos dopantes no semicondutor, porque elétrons da região do tipo N migram para a região do tipo P e lacunas da região do tipo P migram para a região do tipo N, devido aos fortes gradientes de portadores majoritários de cargas. Esse efeito de difusão transcorre até que seja formado um campo elétrico que passa, dessa forma, a impedir estas migrações. Esse equilíbrio deve-se ao fato de que as forças de difusão são anuladas pelas forças geradas pelo campo elétrico, tornando nula a corrente na junção.
Quando a radiação luminosa incide no semicondutor, ela pode ser absorvida por um elétron que passa da banda de valência para a banda de condução, deixando uma lacuna na região onde aconteceu esse fenômeno. Os elétrons livres, devido à absorção de fótons na região P, são acelerados, pelo campo elétrico da junção, para a região N, e as lacunas geradas na região N, também pela absorção dos fótons, acelerados, pelo mesmo campo elétrico, para a região P. Com esse efeito ocorre um desequilíbrio entre as forças elétricas e de difusão, causando uma diferença de potencial entre os terminais positivo e negativo da célula fotovoltaica. Caso os lados P e N da célula solar sejam conectados por meio de um condutor, aparecerá uma corrente elétrica enquanto o semicondutor estiver sendo iluminado. Essa corrente elétrica é denominada fotocorrente [15].
3.5.1 Células monocristalinas Representam a primeira geração. O seu rendimento
elétrico é relativamente elevado (aproximadamente 16%, podendo subir até cerca de 20% em laboratório), mas as técnicas utilizadas na sua produção são complexas e caras. Por outro lado, é necessária uma grande quantidade de energia na sua fabricação, devido à exigência de utilizar materiais em estado muito puro e com uma estrutura de cristal perfeita.
27 3.5.2 Células policristalinas
Têm um custo de produção inferior por necessitarem de
menos energia em sua fabricação, mas apresentam um rendimento elétrico inferior (entre 11% e 13%, obtendo-se até 18% em laboratório). Essa redução de rendimento é causada pela imperfeição do cristal, devido ao seu processo de fabricação.
3.5.3 Células de silício amorfo São as que apresentam o custo mais reduzido, mas em
contrapartida o seu rendimento elétrico é também o mais reduzido (aproximadamente 8% a 10%, ou 13% em laboratório). As células de silício amorfo são películas muito finas, o que permite serem utilizadas como material de construção, tirando ainda o proveito energético.
Figura 3 - Painéis compostos pelos três principais tipos de células
fotovoltaicas
28 3.6 Fabricação de células fotovoltaicas
Tecnicamente, um módulo fotovoltaico deve ser fabricado
com células que tenham características elétricas semelhantes. Dessa forma, após a fabricação das células fotovoltaicas, deve ser feita uma classificação, levando em consideração essas características. Essa classificação é necessária, porque células com diferentes correntes associadas em série limitam a corrente elétrica de toda associação. Sendo assim, caso haja diferenças significativas entre os dispositivos, a célula fotovoltaica com as piores características pode ficar reversamente polarizada. Quando ocorre esse tipo de efeito, as piores células passam a dissipar uma parcela da energia convertida pela associação.
Depois de realizada a classificação, as células fotovoltaicas são conectadas conforme as necessidades de tensão e corrente elétricas projetadas para o módulo fotovoltaico. Posteriormente, essas associações são posicionadas entre duas lâminas de EVA (Etil Vinil Acetato) e esse conjunto colocado entre uma lâmina de vidro temperado e uma lâmina de Tedlar®. Em alguns módulos fotovoltaicos são utilizados vidros temperados em lugar de Tedlar®. Esses módulos são bastante utilizados em projetos arquitetônicos, nos quais se deseja que uma parte da radiação luminosa chegue ao interior das edificações [7].
O conjunto composto pela associação de células, vidro, EVA e Tedlar® é colocado em uma prensa (laminadora) onde, por meio de uma bomba de vácuo, é diminuída a pressão em seu interior, ao mesmo tempo em que o conjunto é aquecido. Esse aquecimento é responsável pela moldagem do EVA às células. O vácuo ajuda a evitar a formação de bolhas de ar no interior do módulo fotovoltaico. Antes do módulo ser colocado na laminadora, é aberta uma janela no Tedlar® e no EVA na qual será posicionada a caixa de conexões elétricas.
Terminada esta operação é colocada a caixa de conexões e uma moldura de alumínio. Essa moldura tem, basicamente, as funções de possibilitar a fixação nas estruturas onde os módulos deverão ser posicionados e para dar resistência mecânica ao módulo fotovoltaico.
29 3.7 Modelagem matemática de uma célula fotovoltaica
A célula fotovoltaica é um diodo de junção P-N, cuja junção
pode ser exposta á radiação luminosa. As correntes elétricas
envolvidas são a corrente do diodo no escuro ( DI ) e a corrente
elétrica fotogerada ( LI ). Em uma primeira aproximação, a
corrente elétrica que a célula fotovoltaica é capaz de entregar para um circuito externo é a soma algébrica dessas correntes, dada pela Equação 1.
L DI I I Equação 1
em que DI , a corrente do diodo no escuro, depende da
tensão de polarização da célula. Conforme Alonso (2000) [1] o modelo matemático da
corrente da célula no escuro pode ser representado por dois termos exponenciais. O primeiro termo corresponde aos fenômenos de condução eletrônica, na zona neutra da estrutura, e o segundo termo exponencial corresponde à recombinação de portadores, na zona de carga. Entretanto é comum simplificar para um único termo exponencial, utilizando um parâmetro m, chamado fator de idealidade, para ajustar a curva aos dados experimentais. Dessa forma, a corrente elétrica I passa a ser
bem representada matematicamente pela Equação 2, na qual OI
é a corrente reversa de saturação do diodo, e a carga do elétron, V a tensão na junção da célula fotovoltaica, k a constante de Boltzman e T é o valor da temperatura absoluta da junção da célula.
Ainda segundo Alonso (2000) [1], para o caso do silício monocristalino, o fator de idealidade deve ficar entre 1 e 2.
Sendo assim, se a tensão nos terminais da célula fosse a mesma da junção PN, a equação pode ser escrita como na Equação 2:
30
exp 1L O
eVI I I
mkT
Equação 2
3.8 Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica A equação mostra a corrente elétrica líquida de uma célula
fotovoltaica. Entretanto nem toda a corrente produzida pela célula é fornecida à carga externa. Esse fato ocorre devido a resistências elétricas que aparecem durante o processo de fabricação das células fotovoltaicas. Para uma célula ideal, a resistência série é zero e a resistência paralela é infinita. Tendo em vista que a célula apresenta essas duas resistências, a passagem de corrente por elas repercute em uma queda de tensão nos terminais da célula. Considerando que a existência dessas resistências influencia eletricamente na célula, é necessária a inserção de termos na equação da corrente elétrica da célula fotovoltaica. Esses termos seguem o modelo de circuito da célula fotovoltaica mostrado na Figura 4.
Aplicando a lei de Kirchhoff das correntes ao circuito equivalente para os componentes da célula fotovoltaica, a corrente elétrica fornecida para um circuito externo é dada pela Equação 3, e a tensão em circuito aberto é dada pela Equação 4.
exp 1
S SL O
P
e V IR V IRI I I
mkT R
Equação 3
ln 1LOC t SC L
O
I mkTV V I I I
I e
Equação 4
31
Figura 4 - Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica real
No desenho da Figura 4, LI é a corrente fotogerada
fornecida pela fonte de corrente, DI é a corrente de saturação do
diodo, SR é a resistência série e PR a resistência paralela da
célula.
3.9 Curva característica de uma célula e módulo fotovoltaicos Considerando que uma célula fotovoltaica é um dispositivo
semicondutor, no qual existe uma junção P-N, o comportamento da corrente elétrica em função da tensão elétrica é basicamente o mesmo de um diodo cuja junção está no escuro. Entretanto, a célula fotovoltaica tem sua função justamente quando a junção está iluminada. Com o efeito da iluminação, a curva I&V (corrente elétrica em função da tensão elétrica) é deslocada[15]. A Figura 5 mostra o comportamento de uma célula fotovoltaica no escuro e iluminada.
Pode-se perceber que a curva I&V sofre um deslocamento devido ao fato de a junção estar sob iluminação. Na literatura específica é feita uma inversão de quadrante, para representação dessa curva, utilizando o primeiro quadrante para sua representação gráfica [19] [15]. A Figura 6Figura 5 mostra uma
32 curva I&V de um módulo fotovoltaico conforme este modelo de representação.
É a partir dessa curva que várias características de uma célula fotovoltaica e ou módulo fotovoltaico podem ser determinados. Nessa curva podem ser identificados os valores
de OCV (tensão de circuito aberto), SCI (corrente de curto-
circuito), MPI (corrente de máxima potência), MPV (tensão de
máxima potência), a eficiência e outras características relacionadas às declividades da curva nos pontos em que seu traçado corta os eixos da tensão e da corrente.
Figura 5 - Curva da corrente elétrica em função da tensão nos terminais
de uma célula fotovoltaica com a junção P-N no escuro e sob iluminação. Adaptada de Green, 1992
33
Figura 6 - Curva I&V de um módulo fotovoltaico representada no
primeiro quadrante do gráfico corrente em função da tensão elétrica
O ponto associado a OCV ocorre quando a célula e ou
módulo está polarizado em circuito aberto (terminais não conectados à carga). Nessa condição, a corrente elétrica externa é zero. De acordo com a equação, se a corrente externa tender a zero, a corrente fotogerada deve ser praticamente igual à corrente de polarização do diodo. Essa afirmativa é valida para o caso de células que apresentem elevadas resistências paralelas.
Conforme o exposto, a tensão de circuito aberto é representada pela Equação 5.
34
ln 1LOC t
O
IV V
I
Equação 5
em que tV é dado por mkT
e
para uma célula e para um
módulo por S
mkTN
e
. O termo SN corresponde ao número
de células associadas em série.
O ponto associado a SCI ocorre quando a célula e ou
módulo fotovoltaico está com seus terminais em curto-circuito, isto é, a resistência elétrica entre seus terminais é zero. Nessa condição, a tensão nos terminais atinge um valor zero. Conforme o modelo matemático da equação, pode-se fazer a simplificação descrita pela Equação 6.
SC LI I
Equação 6
Tendo em vista que, conforme a polarização da célula e ou módulo fotovoltaico, os pontos da curva representam combinações de pares de tensão-corrente que vão de zero até
COV e de SCI até zero, existe um ponto em que o produto I
(corrente elétrica) e V (tensão elétrica) atinge um valor máximo.
Essa condição corresponde ao ponto de máxima potência ( MPP )
do dispositivo. É a partir desse ponto que o fator de forma FF é determinado, conforme mostra a Equação 7.
MP MP
SC OC
I VFF
I V
Equação 7
35
O fator de forma é um importante parâmetro para células fotovoltaicas pois nele está a informação associada a eficiência. Segundo Green (1992) [15], os valores de fator de forma para células de razoável eficiência ficam entre 0,7 e 0,85.
A medida da qualidade de uma célula é dada pela sua eficiência. Esta é denotada nor η e é o resultado da relação entre potência elétrica máxima fornecida nos terminais da célula e a potência radiante incidente no dispositivo. O cálculo da eficiência é feito por meio da Equação 8,
MP MPI V
AG
Equação 8
em que A é a área do dispositivo e G é o fluxo radiante
incidente no componente [15] [14].
4 ANÁLISE DA NEBULOSIDADE E CONCENTRAÇÃO SOLAR
Para a quantificação da nebulosidade foram utilizados
dados utilizados na dissertação de mestrado de GOULART [34], que utilizou dados horários coletados no Aeroporto Hercílio Luz, Florianópolis, durante dez anos (1961 – 1970), ou seja, 87.600 horas (365 x 24 x 10).
De acordo com o 8º Distrito de Meteorologia [1984], o clima de Florianópolis, segundo a classificação de Koeppen, pertence ao tipo fundamental Cf e a variedade específica Cfa, ou seja, ao clima mesotérmico úmido, com chuvas bem distribuídas todo o ano. A temperatura média anual é de 20,3ºC, sendo fevereiro o mês mais quente com a média mensal de 24,3ºC e julho o mês mais frio, com uma média de 16,5ºC. Quanto à umidade, a média anual fica em torno de 82%. A média mensal mínima é de 80% em novembro e a máxima de 84% em julho. Os ventos mais freqüentes, segundo descrição no Atlas de Santa Catarina (GAPLAN , 1986), são o nordeste e o norte, porém o sul tem mais repercussão, pois é portador de súbita mudança de temperatura. A ilha de Santa Catarina está localizada entre os paralelos 27º 10’ e 27º 50’ de latitude sul e os meridianos de 48º 25’ e 48º 35’ de longitude oeste [34].
Os dados analisados foram os seguintes: N = 87.535 Mínimo = 0 Máximo = 10 Média = 6,2 Desvio Padrão = 3,92 Variância = 15,39 Coeficiente de Variação = 63,44 Assimetria = -0,51 Curtose = -1,35 Moda = 10 A análise geral mostra que a nebulosidade média
encontrada foi maior que 50%. O comportamento mensal para nebulosidade (0 – 10) é
mostrada na Tabela 1.
37
N
Mé
d
DsvP
adr
Min
Ma
x
Var
Coef.V
ar
Ass.
Curt
.
Mo
da
Jan 7.770 6,6 3,42 0 10 11,71 51,73 -0,64 -0,98 10
Fev 6.768 6,6 3,51 0 10 12,32 52,85 -0,72 -0,91 10
Mar 7.440 6,6 3,51 0 10 13,14 56,41 -0,58 -1,13 10
Abr 7.199 5,7 3,97 0 10 15,73 70,00 -0,29 -1,52 10
Mai 7.426 4,6 4,12 0 10 17,01 90,31 0,13 -1,66 0
Jun 7.189 5,2 4,22 0 10 17,85 80,80 -0,11 -1,70 10
Jul 7.431 5,3 4,19 0 10 17,54 78,41 -0,17 -1,67 10
Ago 7.436 5,9 4,15 0 10 17,22 70,32 -0,38 -1,54 10
Set 7.177 7,0 3,96 0 10 15,67 56,22 -0,91 -0,87 10
Out 7.440 7,1 3,72 0 10 13,83 52,45 -0,93 -0,71 10
Nov 7.151 7,0 3,57 0 10 12,77 50,75 -0,88 -0,71 10
Dez 7.438 6,7 3,48 0 10 12,15 52,08 -0,70 -0,90 10
Tabela 1 - Nebulosidade em Florianópolis - 1961-1970. Adaptado de GOULART [34]
Observou-se que os meses de setembro a novembro
apresentaram nebulosidade média mais elevada, ou seja, tendem a ter o céu mais encoberto que os demais meses do ano [34].
Somente o mês de maio apresentou nebulosidade média inferior a 50%, caracterizando-se como mês de menor nebulosidade [34].
38
Figura 7 - Nebulosidade - energia não absorvida
Como todos os meses, com exceção de maio,
apresentaram nebulosidade média superior a 50%, e a nebulosidade influi diretamente na conversão de energia luminosa em energia elétrica pelas células fotovoltaicas, consideramos muito importante fazer uma análise da influência da nebulosidade na captação de energia pelas células fotovoltaicas. Podemos ver na Figura 7 a energia que deixa de ser absorvida.
Em um sistema de captação, sem a utilização de espelhos ou outros processos de baixa concentração da energia solar, quando a nebulosidade for alta, o valor nominal de aproveitamento de energia de uma determinada placa fotovoltaica não será atingida; dessa maneira estaríamos desperdiçando a capacidade instalada. Ao se acrescentarem espelhos que reflitam a energia solar sobre essa placa, estaremos aumentando a incidência de raios solares sobre ela. Dessa maneira propicia-se um aumento da capacidade de geração, podendo atingir o valor nominal caso o somatório da energia que atinge a placa diretamente e pelo uso dos espelhos atinja o valor nominal para o qual a placa foi projetada. Desta maneira otimiza-se a absorção de energia e, conseqüentemente, o barateamento de cada watt gerado.
0
2
4
6
8
10
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
% n
eb
ulo
sid
ad
e
meses
Em vermelho: sem nebulosidade - absorção diretaEm azul: nebulosidade - energia não absorvida
39
Como a nebulosidade é causada principalmente pela existência de nuvens, o sistema de posicionamento do conjunto placa- espelhos utilizando cálculo da posição solar em função da hora, pode nos levar a uma direção menos favorável para a absorção de energia. Se utilizarmos sensores de luminosidade, poderemos posicionar, a cada instante, o conjunto placa-espelhos, na direção de maior captação de energia. Por esse motivo selecionamos como sensores dois LDRs, orientados para frente e para trás da posição à qual o sistema pode se voltar. Um pequeno circuito eletrônico amplia a diferença entre esses sensores e aciona um motor de corrente contínua, através de uma ponte "H", que desloca o conjunto placa-sensores para a melhor posição.
5 SISTEMA PROPOSTO
Neste capítulo mostramos o sistema proposto e suas
etapas de construção. Os cálculos necessários não são mostrados aqui mas podem ser vistos no apêndice A.
Tivemos a oportunidade, durante o desenvolvimento dessa dissertação, de orientar os alunos Carlos Roberto Mariano dos Santos, Jean Paulo Rodrigues e Nicarao Lenin Wachoski Fletes, do Curso Técnico de Mecânica Industrial do Departamento Acadêmico de Metal Mecânica do Instituto Federal de Santa Catarina, que contribuíram na elaboração do projeto detalhado. Da mesma forma orientamos o bolsista Wei Lin, que contribuiu na fabricação do protótipo.
Durante a construção do protótipo foram feitas algumas melhorias no projeto original. Dependendo da latitude geográfica onde será instalado o protótipo, deve haver uma inclinação do módulo fotovoltaico em relação ao solo. A construção do projeto iniciou-se pela base de sustentação, reduzindo-se a distância entre o eixo de ajuste da latitude e o eixo de movimentação, em relação ao projeto original, conforme comparado na Figura 8 . Esta mudança fez com que o centro de massa das partes móveis fique o mais próximo possível do eixo de movimentação, reduzindo os esforços no eixo de movimentação.
41
Distância entre o eixo de
ajuste da latitude e o
eixo de movimentação.
Módulo
Fotovoltaico
Contrapeso para o
eixo de giro
Base de
sustentação
Tubo de sustentação
da parte móvel
Figura 8 - (a) Desenho 3D do protótipo projetado. (b) Desenho 3D do Protótipo construído.
5.1.1 Construção da base
Para construir a haste de sustentação da base reaproveitou-se um tubo retangular de metalon. Com a necessidade do protótipo suportar perturbações de vento em todas as direções, soldou-se os dois tubos retangulares para formar um tubo quadrado, conforme apresenta a Figura 9.
Soldou-se a haste nas mãos francesas para posteriormente unir estas na chapa de fixação ao concreto do solo.
No topo da base de sustentação foram soldadas pedaços de chapas para fazer um formato de “U” e prensar o tubo de metalon que sustenta a parte móvel, conforme apresenta a Figura
10. Caso os furos de fixação necessitem ficar alinhados à rejuntes de azulejos ou caso tenho alguma outra restrição na direção da chapa da base, foi decidido colocar um eixo de juste em baixo das chapas em “U” para direcionar o gerador na direção geográfica norte.
42
Todas as soldas realizadas na construção do protótipo foram feitas com solda elétrica de eletrodo revestido.
Haste com 2 tubos de
metalon soldados
Chapa de fixação ao
concreto
Mãos fracesas
Figura 9 - Parte inferior da base.
Chapas em “U” para
fixação no tubo de
sustentação da
parte móvel.
Furos para fixação
na chapa.
Eixo para ajuste
na direção norte.
Figura 10 - Chapas em formato de "U".
43 5.1.2 Sustentação do Módulo Fotovoltaico
A sustentação das três chapas móveis, dois espelhos e
módulo fotovoltaico, foi realizada por um tubo retangular de metalon, conforme mostra a Figura 11. Neste tubo foi fixado a chapa de sustentação dos redutores e motor, apresentados na Figura 12.
Tubo de
sustentação
retangular de
metalon
“U” de
sustentação
do mancal
Chapas de
fixação dos
módulos
Eixo de
torção em
aço
Figura 11 - Sustentação da parte móvel.
44
Redutor
com rosca
sem fim
Motor
CC
Redutor
da saída
do motor
“U” de de
fixação do
motor
Acoplamento do
redutor ao eixo
de torção
Chapa de sustentação
do redutor e motor
Figura 12 - Detalhamento do sistema de transmissão e suas fixações.
O motor elétrico de corrente contínua apresenta um tamanho muitíssimo reduzido, em relação à todos os sistemas mecânicos que ele movimenta, por isto, este motor possui um consumo elétrico muito baixo. Visualiza-se na Figura 12, que o redutor junto ao motor é fixado por duas chapas em “U”. Este redutor, por sua vez, é acoplado em outro redutor com do tipo rosca sem fim. Os redutores são fixados ao tubo de metalon através de uma chapa de aço 1020 de 6mm.
Com exceção da chapa de fixação da base ao solo e mãos francesas, todas as demais chapas foram cortadas manualmente com a tocha de corte à plasma.
A barra utilizada como eixo de torção e outras peças de acoplamento de eixos foram usinadas com o auxílio dos tornos da escola. Foram acoplados dois rolamentos com mancais, lubrificáveis por injeção de graxa, a duas chapas em “U” respectivamente. Os mancais tem o papel de fixar o eixo de torção da Figura 12 ao tubo retangular de metalon.
45
Ao eixo de torção foram soldadas duas chapas que possuem o papel de transferir o momento de torção à base de alumínio localizada em baixo da placa fotovoltaica. Por fim, estas armações de alumínio, que contornam o módulo fotovoltaico, foram perfuradas para a fixação das barras com angulação de 120º.
5.1.3 Barras com distâncias angulares de 120º
Para manter um ângulo fixo de 120º entre os espelhos refletores e o módulo fotovoltaico foram utilizados três barras em ambos os lados do módulo, com distâncias angulares de 120º entre as barras, conforme mostra a Figura 13.
Figura 13 - Barras com distância angular de 120º para as duas
extremidades do módulo
46 5.1.4 Molduras para sustentação dos espelhos refletores
Os espelhos são materiais frágeis e necessitam de uma base de apoio pra não quebrá-los. Assim, as molduras, apresentadas na Figura 14, são constituídas de três cantoneiras. Este formato de perfil é mais resistente à flexão, dando apoio de sustentação na base do espelho e evitando que o espelho escorregue nas laterais. A barra chata tem a função de transferir o torque aos espelhos e facilitar a retirada dos mesmos. Os parafusos de fixação dos espelhos tem a função de evitar que o mesmo escorregue. Estes parafusos não exercem grande força normal, pois nos ângulos de giro, o peso dos espelhos nunca ficará somente sobre estes fixadores.
Furos de fixação do espelhoFixação das
barras de 120º Figura 14 - Moldura para sustentação dos espelhos
5.1.5 Montagem do sistema mecânico do gerador fotovoltaico
Pensando na facilidade de transporte e montagem do gerador fotovoltaico, dividiu-se este sistema mecânico nesta seqüência de montagem:
Base fixa ao solo, mostrado na Figura 11;
Sustentação da parte móvel, apresentada na Figura
11;
Módulo fotovoltaico;
Barras com distância angular de 120º, conforme a Figura 13;
47
Moldura para sustentação dos espelhos, ilustrada na Figura 14
Espelhos refletores;
Figura 15 - Ensaio de incremento de massa no contrapeso.
Para ensaiar a quantidade de contrapeso necessário para dar um torque “nulo” ao motor, no final da construção do protótipo, colocou-se o sistema mecânico, sem a base de sustentação, sobre a mesa mostrada na Figura 15, foi afrouxado o parafuso que fixa a saída do redutor ao eixo e deixou-se a parte móvel livre para o movimento de rotação. Na seqüência, foi incrementada a massa do contrapeso até que não fosse necessário fazer força para girar o sistema. Assim, a força necessária na saída do redutor será apenas para suportar as possíveis perturbações de vento, vencer a inércia para começar o movimento e compensar as perdas de todo o sistema de
48 transmissão, desde o pequeno motor até os rolamentos no eixo do último redutor. 5.1.6 Escolha do motor CC e do redutor
Considerando que o módulo gerador deve acompanhar o sol, a velocidade do eixo do módulo fotovoltaico é calculada na Equação 9.
1rot 1rpm 0,0007rpm
24h 24*60
Equação 9
Foi escolhido o redutor que diminui a velocidade 50 vezes.
O redutor 1:50 é mostrado na Figura 16.
Figura 16 - Redução 1:50
Desta forma, se desprezadas as perdas desta redução,
seria exigido na saída do redutor do motor um torque de 2,5 Nm. Considerando uma perda de 50%, o torque nescessário seria de 3,75 Nm. Assim, escolheu-se um motor disponível no comércio com saída em sua redução de 5 Nm, mostrado na Figura 17.
49
Figura 17 - Motor CC
A partir da escolha do motor e redutor comerciais, verifica-
se que o eixo principal pode girar muito mais rápido que a velocidade necessária. Assim, em malha fechada, a velocidade do sistema é satisfeita com folga, conforme mostrado na Equação 10.
motormax
rot 0,5vel 0,01rpm
redução 50
Equação 10
A potência nominal do motor elétrico é assim determinada,
conforme a Equação 11
M*2 *n 5*2 *0,5P 0,26W
60 60
Equação 11
Verifica-se nos ensaios que os objetivos de melhorar a
eficiência energética são alcançados, pois há um ganho em relação ao sistema de referência. Como a velocidade angular do movimento solar é baixíssima, a potência consumida pelo motor torna-se desprezível em relação à potencia gerada pela placa.
50 5.2 Sistema elétrico - eletrônico
Como visto na análise da nebulosidade, todos os meses,
com exceção de maio, apresentaram nebulosidade média superior a 50% que é causada principalmente pela existência de nuvens. Para voltarmos o sistema proposto para a direção mais favorável à captação de energia solar, escolhemos como sensores dois transdutores LDRs, mostrados na Figura 18, orientados para frente e para trás da posição a que o sistema pode-se voltar, inseridos em tubos, para tornar mais direcional o seu funcionamento, mostrados na Figura 19.
Figura 18 - LDR
Figura 19 - Tubos para conter os LDRs
Um circuito eletrônico, mostrado na Figura 20, compara a
diferença entre estes sensores através de um circuito composto
51 por dois comparadores e aciona um motor de corrente contínua por meio de uma ponte "H". Este motor desloca o conjunto placa-espelhos-sensores para a melhor posição. Por exemplo, quando uma nuvem escura está encobrindo o sol e existe uma nuvem clara próxima, obtém-se melhor resultado com a placa voltada para a nuvem clara, de onde provém a maior incidência de raios solares, e não para a posição onde o sol se encontra.
. LDR 1
. LDR 2
100 K
10 K
15 K
47 K
LM324
(A)
LM324
(B)
M
12 V
2-+
+-
3
6
5
1
7
0
BD239
BD239
BD240
BD240
1N4001
1N4001
LM324
100 nF
211
1N4001
1N4001
Figura 20 - Circuito seguidor solar [15]
Os potenciômetros da figura 20 servem para ajustar a
sensibilidade e a histerése. Analisando o circuito mostrado na Figura 20, percebemos
três situações possíveis, que são mostradas nas próximas três figuras.
52
. LDR 1
. LDR 2
100 K
10 K
15 K
47 K
LM324
(A)
LM324
(B)
M
12 V
2-+
+-
3
6
5
1
7
0
BD239
BD239
BD240
BD240
1N4001
1N4001
LM324
100 nF
211
1N4001
1N4001
A
B
C
T1
T2
T3
T4
Figura 21 - Circuito acionando o motor no sentido anti-horário
Na Figura 21 vemos a situação onde a tensão no ponto A é maior que a tensão no ponto B. Como a tensão no ponto B é sempre maior que a tensão no ponto C, a tensão em A é também maior que em C. Desta forma a saída do comparador superior fica ALTA, fechando o transistor T1 e abrindo o transistor T2. Já a saída do comparador inferior fica BAIXA, fechando o transistor T4 e abrindo o transistor T3. Isto faz com que o motor gire no sentido anti-horário.
. LDR 1
. LDR 2
100 K
10 K
15 K
47 K
LM324
(A)
LM324
(B)
M
12 V
2-+
+-
3
6
5
1
7
0
BD239
BD239
BD240
BD240
1N4001
1N4001
LM324
100 nF
211
1N4001
1N4001
T1
T2
T3
T4
Figura 22 - Motor parado
Na Figura 22 vemos a situação onde a tensão no ponto A é
maior que a tensão no ponto C, mas menor que a tensão no ponto B. Desta forma a saída do comparador superior fica BAIXA, fechando o transistor T2 e abrindo o transistor T1. Já a saída do comparador inferior fica BAIXA, fechando o transistor
53 T4 e abrindo o transistor T3. Isto faz com que o motor fique parado.
. LDR 1
. LDR 2
100 K
10 K
15 K
47 K
LM324
(A)
LM324
(B)
M
12 V
2-+
+-
3
6
5
1
7
0
BD239
BD239
BD240
BD240
1N4001
1N4001
LM324
100 nF
211
1N4001
1N4001
T1
T2
T3
T4
Figura 23 - Circuito acionando o motor no sentido horário
Na Figura 23 vemos a situação onde a tensão no ponto A é
menor que a tensão no ponto C e, consequentemente, menor que a tensão no ponto B. Desta forma a saída do comparador superior fica BAIXA, fechando o transistor T2 e abrindo o transistor T1. Já a saída do comparador inferior fica ALTA, fechando o transistor T3 e abrindo o transistor T4. Isto faz com que o motor gire no sentido horário.
A montagem dos sensores é feita no suporte da placa e move-se junto com ela, como mostrado na Figura 24.
54
Figura 24 - Montagem dos sensores na placa
A montagem dos LDRs, usados como sensores de
luminosidade, nos tubos mostrou-se muito eficiente, acionando corretamente o sistema de movimentação no sentido de direcionar todo o conjunto para o local de maior luminosidade.
55 5.3 Montagem completa
Figura 25 - Montagem completa em testes.
Na Figura 25 pode-se ver o sistema completo em testes,
onde observam-se os dois módulos fotovoltaicos idênticos: um fixo, utilizado como referência, e o outro com o sistema projetado nesta dissertação. Pode-se ainda observar na Figura 25 a utilização da bateria, circuito de aquisição de dados, cargas utilizadas para as medições e o computador para acompanhamento dos testes.
6 RESULTADOS OBTIDOS Após terem sido realizados os estudos teóricos e a
montagem mecânica e eletrônica do sistema, passamos à montagem do sistema de medição e obtenção dos resultados dessas medições.
Nesta parte do trabalho são apresentados resultados de geração do sistema fotovoltaico proposto, além de realizar comparações com os dados.
Construiu-se um coletor de dados com objetivo de realizar as medições. Adotamos a plataforma Arduino®, que possui uma grande informação na internet, o que facilitou em muito a montagem. A base utilizada para a coleta de dados é o módulo Arduino® Duemilanove mostrado na Figura 26, tendo a este conectados os módulos GPS, Figura 27, e SDcard, Figura 28.
Figura 26 - Arduino® Duemilanove
57
Figura 27 - Módulo GPS
Figura 28 - Módulo SDcard
Os esquemas elétricos das ligações entre esses módulos
estão mostradas na Figura 29 e na Figura 30.
58
Figura 29 - Ligação entre Arduino® e GPS
Figura 30 - Ligação entre arduino® e SDcard
59
Figura 30b - Ligação entre Arduino® e GPS
Na figura 30b mostramos a ligação das placas fotovoltaicas
nas cargas, composta pelas lâmpadas e pelos resistores. Nela também podemos ver a ligação dos resistores com o arduíno, para a medição dos valores gerados pelas placas.
Na montagem, que pode ser vista na Figura 31, foram utilizadas barras de conexão, onde todas as entradas e saídas do módulo arduino® foram disponibilizadas para flexibilizar e facilitar o uso deste. O display LCD da Figura 31 acabou não sendo utilizado, pois os dados coletados são gravados no cartão de memória SD e posteriormente transferidos ao computador.
60
Figura 31 - Montagem do coletor de dados
O módulo GPS foi utilizado com dois objetivos: obter o
valor exato de data/hora e obter o disparo de uma rotina de medição exatamente a cada segundo.
Esta rotina, disparada a cada segundo, obtém o valor da potência gerada por cada uma das placas fotovoltaicas. A cada intervalo de tempo pré-programado, normalmente 2 ou 5 segundos, a média destes valores é gravada no cartão de dados, juntamente com a data e hora completa.
Foram usadas duas entradas analógicas do arduino® para realizar as medições das potências geradas pelas duas placas fotovoltaicas, de mesmo fabricante e modelo, com potência nominal de 83W.
Uma delas foi ligada na placa do sistema proposto de acompanhamento solar com espelhos, e a outra, ligada na placa instalada de forma convencional, para servir de referência. Assim, pode-se comparar os resultados e concluir sobre as vantagens e desvantagens do sistema proposto na dissertação.
61
As placas instaladas e posicionadas, de acordo com a localização geográfica de Florianópolis, podem ser visualizadas na Figura 32 e Figura 33.
Figura 32 - Acompanhamento da coleta de dados
62
Figura 33 - Montagem para coleta de dados
Em cada uma das placas fotovoltaicas foi colocada uma
carga idêntica, composta de duas lâmpadas dicróicas de 50 W, ligadas em série. Também em série com essas lâmpadas foi ligada uma carga resistiva de 0,5 Ω, composta por dois resistores de 1 Ω em paralelo. A medição da queda de tensão sobre essa carga resistiva pelo nosso coletor de dados nos permitiu medir a corrente e avaliar a produção de energia nas duas placas fotovoltaicas. O conjunto de cargas, ligadas nas placas fotovoltaicas e no coletor de dados, estão apresentadas nas Figura 34 e Figura 35.
63
Figura 34 - Coletor de dados e cargas utilizadas
64
Figura 35 - Detalhe das cargas utilizadas
Foi necessário a elaboração de um programa para a
utilização da base de aquisição de dados. Este software escrito em "C" para o arduino® está listado no Anexo B desta dissertação.
Para transformar os dados obtidos das placas fotovoltaicas em valores de potência gerada, foram realizadas medições simultâneas com um multímetro e com o coletor de dados, utilizando uma fórmula para conversão destes dados.
Nessas medições simultâneas foram obtidos os seguintes valores de Vr e Vc, mostrados na Tabela 2, onde Vr é a tensão sobre o resistor e Vc a tensão sobre a carga total.
65
Vr Vc
0,70 4,60
0,75 5,20
0,80 5,90
0,85 6,50
0,90 7,00
0,95 7,70
1,00 8,30
1,05 8,90
1,10 9,60
1,15 10,10
1,15 10,10
1,20 10,80
1,25 11,40
1,30 12,00
1,35 12,5
1,40 13,10
1,45 13,70
1,50 14,40
1,55 15,10
1,60 15,60
1,65 16,30
1,70 16,80
1,75 17,40
Tabela 2 - Tabela Vr x Vc
66
Figura 36 - Plotagem dos dados Vc X Vr e curva ajustada
A partir desses dados determina-se a Equação 12.
C RV 12,19*V 3,93
Equação 12
Com a aquisição do valor da tensão sobre o resistor e
conhecendo o valor desse resistor, determinamos a corrente que passa pelo resistor, conforme Equação 13.
RR
VI
0,5
Equação 13
A corrente que passa pela carga é a mesma que passa
pelo resistor, conforme a Equação 14
C RI I
Equação 14
-5
0
5
10
15
20
- 0,50 1,00 1,50 2,00
Vc
Vr
Determinação da Equação VC=f(Vr)
Valores Medidos Curva Ajustada
67
A potência consumida pela carga, que é a potência entregue pela placa solar, é dada pela Equação 15 e Equação 17.
C CP V *I
Equação 15
Da Equação 12 e da Equação 13 obtemos a Equação 16,
que pode ser arrumada conforme a Equação 17.
RR
VP (12,19*V 3,93)*( )
0,5
Equação 16
2
R RP 24,38*V 7,87*V
Equação 17
Os valores recebidos pelos pinos de entrada analógica do
arduino® são convertidos em valores digitais, sendo que zero volts na entrada possui saída digital igual a zero e 5V na entrada possui saída digital igual a 1023. Assim a conversão da leitura dos dados do arduino® em tensão sobre o resistor se dá conforme Equação 18.
DR
V *5V
1023
Equação 18
Dessa maneira temos a fórmula final, mostrada na
Equação 19, para conversão do valor lido pelo coletor em potência gerada pela placa.
68
2D DV *5 V *5P 24,38*( ) 7,87*
1023 1023
Equação 19
A Equação 19 é utilizada na planilha Excel, onde os
valores pelas portas de entrada analógicas do nosso coletor de dados são transformados em potência gerada pelas placas fotovoltaicas.
Apresentamos a seguir alguns gráficos contendo o resultado das medições realizadas. Os horários foram mantidos em GMT (Greenwich Mean Time), para evitar confusões, pois houve mudança para horário de verão durante as medições.
Em todas as medições foram coletados dados a cada segundo, sendo gravada a média a cada 2 ou 5 segundos. Cada linha de dados gravada em um arquivo, tipo CSV - texto separado por ";", é composta por 4 campos: data (AAMMDD), horário GMT (HHMMSS), valor digital do sensor da placa de referência (NNNN) e valor digital da placa do sistema proposto (NNNN).
Apresentamos abaixo uma linha, para exemplo:
AAMMDD;HHMMSS;NNNN;NNNN;
121103;103045;0131,0175;
Posteriormente esses arquivos foram abertos no Excel® e
calculadas as potências geradas, em Watts, e o fator de ganho calculado como a divisão da geração do sistema proposto pela geração da placa de referência.
69
Figura 37 - Céu encoberto por nuvens
Os dados mostrados na Figura 37 são compostos de 115
medições, uma a cada segundo, resultando em 57 conjuntos, com média a cada 2 segundos. Esse primeiro gráfico mostra os dados coletados no princípio da manhã, em torno das 10:30 GMT (08:30 horário local), com o céu coberto por nuvens. Podemos ver que a geração na placa de referência ficou entre 3,18 e 4,96W, enquanto que, na placa do sistema proposto ficou entre 6,16 e 11,10W. O ganho nesse gráfico ficou entre 86,13% e 127,84%.
Embora o ganho tenha sido alto, a energia produzida a mais pelo sistema proposto, sempre em referência à placa com instalação convencional, foi pequena. O céu estava muito nublado.
-
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
-
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
10:30 10:30 10:31 10:32 10:32
Fato
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ho
Po
ten
cia
(W
)
Horário
Céu encoberto por núvens
Pot.Ref.(W) Pot.Sist.(W) Fator de Ganho
70
Figura 38 - Céu encoberto, passando à pequenas aberturas de nuvens
Na Figura 38 observamos uma ligeira abertura do céu no
final do período considerado com o conseqüente aumento da geração, tanto da placa de referência como da placa do sistema proposto. Podemos observar que o aumento foi mais significativo na placa do sistema proposto, fazendo o percentual de ganho subir.
Para esse gráfico foram usadas as medições entre 10:33:30 e 11:03:30 GMT, com um total de 1800 leituras com intervalo de 1 segundo entre elas. Fazendo-se a média a cada 5 segundos, foram gravados e plotados 360 conjuntos de informação.
Os valores no início desse período foram baixos, tanto para a geração de referência como para a geração do sistema proposto. Mas, no final desse período a geração do sistema proposto foi significativamente maior que a geração de referência, apresentando um bom ganho de energia extra absorvida.
-0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00
-
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
10:30 10:45 10:59
Fato
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ho
Po
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cia
(W
)
Céu encoberto, passando à pequenas aberturas de nuvens
Pot.Ref (W) Pot.Sist. (W) Fator de Ganho
71
Figura 39 - Céu encoberto, passando à aberto, terminando semi-aberto
Na Figura 39 podemos observar, no início, uma boa
geração no sistema proposto, com um ganho muito alto em relação à geração pela placa de referência. Na região central do gráfico podemos ver que esta geração aproximou-se do limite que a placa pode atingir, com um aumento significativo da placa de referência, fazendo com que o ganho apresente uma forte queda. Em seguida, ao entrarem pequenas nuvens, a geração na placa de referência sofreu uma queda maior que a queda de geração do sistema proposto, fazendo com que o ganho voltasse a subir. No final do gráfico, com nova abertura do céu, voltou a aumentar a geração da placa de referência, enquanto a geração do nosso sistema aproximou-se da saturação da capacidade de geração, com queda do ganho relativo.
As 11:09:35 GMT, quando a geração na placa do sistema proposto atingiu 75,25 W, seu valor máximo no intervalo considerado nesse gráfico, a geração pela placa de referência apresentou um valor de 53,18 W, dando um ganho para nosso sistema de apenas 41,51 %, porém com um ganho significativo
-
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
-
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
11:02 11:09 11:16
Fato
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an
ho
Po
tên
cia
(W
)Céu encoberto, passando à
aberto, terminando semi-aberto
Pot.Ref. (W) Pot.Sist. (W) Fator de Ganho
72 de 22,07 W. Por outro lado, às 11:07:05 GMT enquanto a placa de referência gerava 5,19 W o sistema proposto gerava 28,84 W, apresentando um ganho de 456,15 %, mas como a geração era baixa o ganho permaneceu próximo ao valor anterior, ou seja, 23,65 W.
Figura 40 - Céu abrindo e saturando a capacidade das placas
Na Figura 40 podemos ver um momento onde o ganho caiu
a zero, devido a saturação da capacidade de geração na placa do nosso sistema. Para esse gráfico foram realizadas 2.225 medições, tendo sido armazenados 445 conjuntos de dados com média a cada 5 segundos.
No princípio desse período o sol estava encoberto, apresentando baixa geração, mas tendo uma geração no sistema proposto maior que a geração de referência, apresentando assim um bom ganho do nosso sistema. Gradativamente o ganho foi caindo, estabilizando-se ao redor dos 40% durante um bom tempo. Perto do final desse período, com aberturas do sol, ainda entre nuvens, a geração das placas teve um aumento,
-
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
-
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
11:16:48 11:31:12 11:45:36 12:00:00F
ato
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an
ho
Po
tên
cia
(W
)
Céu abrindo e saturando a capacidade das placas
Pot.Ref. (W) Pot.Sist. (W) Fator de Ganho
73 principalmente a placa do nosso sistema, chegando a apresentar um ganho de 80%, com bom aproveitamento de energia. Com o aumento da abertura do céu, as placas começaram a gerar próximo ao valor nominal, saturando a geração do sistema proposto, fazendo o ganho cair à zero. Após este período de saturação, o céu começou a fechar novamente, diminuindo a geração, principalmente da placa de referência, voltando a apresentar um bom ganho, ainda com geração significativa. No final desse período o céu ficou totalmente cinzento, com nuvens escuras e uniformes, sem nuvens claras nem partes de céu aberto, fazendo cair a geração e também o ganho.
Figura 41 - Detalhe do gráfico anterior: saturação das placas
Na Figura 41 mostramos um detalhe do gráfico anterior, no
momento da saturação da placa onde o ganho caiu a zero. Podemos observar no detalhe que o ganho chegou a ser negativo em alguns pequenos intervalos. Atribuímos este fato ao aumento da temperatura na placa do sistema proposto, devido a concentração dos raios solares pelos espelhos. Como sabemos,
-
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
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10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
11:49 11:49 11:50 11:51 11:52
Fato
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Po
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cia
(W
)
Detalhe do gráfico anterior: saturação das placas
Pot.Ref. (W) Pot.Sist. (W) Fator de Ganho
74 a captação de energia fotovoltaica por uma placa é inversamente proporcional a temperatura da mesma. Como este fato ocorreu em poucas situações e durante pequenos intervalos de tempo, gerando ganho negativo porém muito próximo de zero, podemos considerá-lo desprezível.
Figura 42 - Ganho negativo devido a luz difusa
No início do período mostrado na Figura 42, o céu
apresentava-se totalmente encoberto por nuvens cinzas, distribuídas uniformemente em toda sua extensão. A geração foi muito baixa em ambas as placas: em torno de apenas 3 W. As 12:45:35 GMT a geração do sistema proposto atingiu seu mínimo valor, 1,32 W, com 2,14 W sendo gerados pela placa de referência, apresentando um ganho negativo de 38,08 %. Embora este número possa parecer grande, a perda de geração nesse momento é de apenas 0,82 W. Atribuímos este ganho negativo ao sombreamento causado pelos espelhos, pois, neste momento, a luz incidente era difusa. Mas este percentual
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0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
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1,40
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10,00
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60,00
70,00
80,00
12:00 12:28 12:57 13:26F
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Po
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(W
)
Ganho negativo devido a luz difusa
Pot.Ref. (W) Pot.Sist. (W) Fator de ganho
75 negativo de ganho, embora seja alto, não apresenta resultado significativo na absorção de energia, pois o valor gerado é muito baixo.
As 13:13:40 GMT a geração do nosso sistema atingiu 76,10 W, enquanto a geração de referência era de 69,08 W, apresentando um ganho de apenas 10,16 %. Este número, embora pareça pequeno, representa um ganho de 7,02 W. Este baixo ganho pode ser atribuído à formação das nuvens, cinza claras e quase transparentes, que encobriam todo o céu, sem apresentar aberturas nem consistências diferentes em nenhum ponto. Novamente atribuímos o baixo ganho à incidência difusa da luz, embora de alta intensidade.
No final do período, embora o céu tenha permanecido cinzento, a intensidade das nuvem aumentou, de forma uniforme, fazendo cair a geração de ambas as placas e também o ganho.
Figura 43 - Detalhe do gráfico anterior: ganho negativo
-
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0,40
0,60
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3,50
12:43:12 12:44:38 12:46:05 12:47:31 12:48:58
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Po
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(W
)
Detalhe do grafico anterior: ganho negativo
Pot.Ref. (W) Pot.Sist. (W) Fator de Ganho
76
Mostramos na Figura 43 um detalhe do gráfico anterior, no
momento em que ocorreu o pior ganho, com baixa geração pelas placas, para mostrar o baixo significado em relação à diferença de energia absorvida.
Figura 44 - Céu totalmente cinzento, sem definição de nuvens
No período mostrado na Figura 44 o céu passou de
cinzento escuro à cinzento claro, voltando a cinzento escuro no final do período considerado. Em todo o período a formação das nuvens foi totalmente uniforme, sem locais no céu com maior nem menor abertura. A luz apresentava-se totalmente difusa, não formando sombras definidas nos objetos, fazendo com que os espelhos não proporcionassem ganhos sob essa configuração de céu.
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100,00
13:26 13:40 13:55 14:09
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(W
)
Céu totalmente cinzento, sem definição de nuvens
Pot.Ref Pot.Sist. Fator de Ganho
7 ANÁLISE DO GANHO ANUAL As medições foram feitas por um período que não nos
permitiu quantificar o ganho anual, por isto, recorremos a dados estatísticos para fazer uma projeção dos dados medidos experimentalmente em um período de um ano. Para isso, nos baseamos nas variáveis nebulosidade e radiação, nas quais tem-se dados anuais armazenadas para regiões próximas ao nosso local de testes.
A nebulosidade é medida na estação meteorológica do aeroporto Hercílio Luz de Florianópolis e disponibilizada pelo site do INPE - Instituto Nacional de Pesquisa Espacial [37]. Essa medição é feita por um equipamento que divide a abóboda celeste em oito partes, chamadas octas. De acordo com o número de octas encobertas, a nebulosidade é classificada conforme a Tabela 3.
Octas Descrição
0/8 Céu limpo ou ensolarado, quando o céu não apresenta nenhum vestígio de nuvens, nenhuma octa está encoberta
1/8 Céu quase limpo, quando pelo menos uma octa esta encoberta
2/8 3/8
Céu pouco nublado, quando há pelo menos duas octas encobertas
4/8 5/8
Céu parcialmente nublado, quando há pelo menos quatro octas encobertas ou aproximadamente metade do céu está encoberto pelas nuvens
6/8 7/8
Céu quase nublado, quando há no mínimo seis octas encobertas
8/8 Céu nublado, quando as oito octas do céu estão totalmente encobertos pelas nuvens
Tabela 3 - Classificação da nebulosidade em octas. Fonte INPE
78
Utilizando os dados de nebulosidade de todo o ano de 2012, elaboramos o gráfico mostrado na Figura 45, que mostra o percentual do tempo em que o céu permanece com a nebulosidade em cada uma das classificações, considerando apenas os dados em que o sol está acima do horizonte.
Figura 45 - Percentual do tempo em que o céu permaneceu em cada
uma das octas
Esses mesmos dados, que são disponibilizados de três em
três horas, são mostrados na Tabela 4, mostrando o percentual do tempo em que o céu esteve com a nebulosidade em cada uma das octas para cada horário disponibilizado.
Octas 6 horas 9 horas 12horas 15 horas 18 horas
0/8 10,76% 8,13% 14,48% 11,22% 9,78%
1/8 0,85% 7,07% 5,29% 6,09% 5,31%
2/8 12,18% 18,37% 16,16% 16,99% 18,99%
3/8 9,63% 12,37% 11,42% 15,71% 11,45%
4/8 15,86% 8,83% 10,86% 6,41% 11,17%
5/8 15,01% 10,25% 7,52% 14,10% 12,01%
6/8 17,28% 15,55% 15,60% 10,58% 12,01%
7/8 15,86% 16,25% 14,76% 14,42% 15,36%
8/8 2,55% 3,18% 3,90% 4,49% 3,91%
100,00% 100,00% 100,00% 100,00% 100,00%
Tabela 4 - Percentual do tempo para cada horário em função das octas
-
5,00
10,00
15,00
20,00
0 2 4 6 8
% d
o T
em
po
Octas
Nebulosidade em Florianópolis - 2012
79
Como os dados do INPE são disponibilizados de três em três horas, nos horários 00, 03, 06, 09, 12, 15, 18 e 21 horas, precisamos identificar o grau de influência de cada um desses horários no efeito diário. Isso é mostrado na Figura 46.
Figura 46 - Número de horas significativas em cada faixa horária
Utilizando a quantidade de horas que cada uma dessas
faixas influencia na captação diária de energia, construímos a Tabela 5.
80
Horário Faixa horária Faixa horária
com sol Horas de
Influência diária
06 04:30 - 07:30 06:00 - 07:30 1,5
09 07:30 - 10:30 07:30 - 10:30 3,0
12 10:30 - 13:30 10:30 - 13:30 3,0
15 13:30 - 16:30 13:30 - 16:30 3,0
18 16:30 - 19:30 16:30 - 18:00 1,5
Tabela 5 - Grau de influência de cada faixa horária na captação diária
Tendo o percentual do tempo para cada horário e octa da
Tabela 4 e o grau de influência de cada faixa horária na captação diária de energia da Tabela 5, construímos a Tabela 6 que nos dá o número de horas em cada uma das faixas horárias e em cada condição de nebulosidade.
Horas de influência
1,5 3 3 3 1,5
Horário 6 9 12 15 18
Octas
0/8 90 239 257 184 84
1/8 39 95 114 129 67
2/8 49 92 80 139 69
3/8 47 105 99 120 48
4/8 62 95 77 58 33
5/8 109 140 90 142 66
6/8 76 134 142 103 66
7/8 66 172 189 174 101
8/8 9 22 46 45 14
Tabela 6 - Quantidade de horas anuais por octa e faixa de horário
Para podermos utilizar os dados da Tabela 6, classificamos
os dados obtidos experimentalmente da mesma forma, ou seja, classificando esses dados em função da potência gerada pela placa de referência. Para essa classificação dividimos a potência máxima dessa placa, 80 Watts, em nove faixas, com intervalo de 8,88 Watts, para enquadrar nossa geração na mesma
81 classificação de octas do INPE. Dessa maneira obtivemos a Tabela 7.
Octas Faixa de potência (W)
0/8 71,11 - 80,00
1/8 62,22 - 71,11
2/8 53,33 - 62,22
3/8 44,44 - 53,33
4/8 35,55 - 44,44
5/8 26,66 - 35,55
6/8 17,77 - 26,66
7/8 08,88 - 17,77
8/8 00,00 - 8,88
Tabela 7 - Divisão da potência máxima da placa fotovoltaica em 9 faixas
Dos dados obtidos experimentalmente calculamos o Fator
de Ganho que nosso sistema teve sobre a placa de referência para cada uma dessa faixas de geração, conforme a Tabela 8.
Octa Faixa de
potência (W) Fator Ganho Experimental
0/8 71,11 - 80,00 1,00
1/8 62,22 - 71,11 1,00
2/8 53,33 - 62,22 1,17
3/8 44,44 - 53,33 1,43
4/8 35,55 - 44,44 1,66
5/8 26,66 - 35,55 1,89
6/8 17,77 - 26,66 2,09
7/8 08,88 - 17,77 2,17
8/8 00,00 - 8,88 2,02
Tabela 8 - Ganho obtido experimentalmente para cada octa
Seguindo a mesma divisão utilizada para a montagem da
Tabela 8, tabulamos mais duas tabelas: a Tabela 9 que mostra a geração média da placa de referência para cada um dos intervalos de geração considerados e a Tabela 10 que mostra esses mesmos dados referentes à placa do nosso sistema, baseado nos dados levantados experimentalmente.
82
Octa Faixa de potência (W) Potência média gerada na placa de referência
0/8 71,11 - 80,00 80,00
1/8 62,22 - 71,11 64,57
2/8 53,33 - 62,22 57,42
3/8 44,44 - 53,33 47,37
4/8 35,55 - 44,44 40,39
5/8 26,66 - 35,55 31,07
6/8 17,77 - 26,66 22,73
7/8 08,88 - 17,77 11,56
8/8 00,00 - 8,88 5,55
Tabela 9 - Potência média gerada na placa de referência para cada octa
Octa Faixa de potência (W) Potência média Gerada na placa do
Sistema
0/8 71,11 - 80,00 80,00
1/8 62,22 - 71,11 64,57
2/8 53,33 - 62,22 67,38
3/8 44,44 - 53,33 67,59
4/8 35,55 - 44,44 67,16
5/8 26,66 - 35,55 58,81
6/8 17,77 - 26,66 47,59
7/8 08,88 - 17,77 25,06
8/8 00,00 - 8,88 11,21
Tabela 10 - Potência média gerada na placa do sistema para cada octa
Sabendo a quantidade de horas anuais da Tabela 6 e a
potência gerada em watts da Tabela 9, podemos calcular a energia supostamente gerada pela placa de referência para todo o ano, tabulada por Octa e por faixa horária, conforme mostrado na Tabela 11.
83
Octa 6 9 12 15 18 Total
0/8 7195 19099 20539 14729 6738 68300
1/8 2547 6166 7390 8343 4331 28778
2/8 2809 5301 4618 7975 3941 24644
3/8 2242 4976 4689 5661 2290 19858
4/8 2486 3857 3124 2349 1323 13139
5/8 3382 4351 2787 4415 2035 16971
6/8 1721 3038 3234 2349 1489 11831
7/8 766 1986 2180 2016 1172 8119
8/8 53 124 257 251 78 763
23200 48898 48818 48088 23398 192403
Tabela 11 - Potência anual gerada na placa de referência, por octa e faixa horária
De maneira similar, usando a Tabela 10 e a Tabela 6,
construímos a Tabela 12 que mostra a energia anual gerada pela placa do nosso sistema, tabulada por octa e por faixa horária.
Octa 6 9 12 15 18 Total
0/8 7195 19099 20539 14729 6738 68300
1/8 2547 6166 7390 8343 4331 28778
2/8 3296 6220 5419 9359 4625 28919
3/8 3199 7099 6690 8077 3268 28334
4/8 4133 6414 5194 3905 2200 21845
5/8 6403 8237 5276 8359 3853 32129
6/8 3604 6362 6771 4919 3117 24772
7/8 1661 4308 4729 4371 2541 17609
8/8 106 250 520 507 157 1540
32143 64155 62527 62569 30831 252226
Tabela 12 - Potência anual gerada na placa do sistema, por octa e faixa horária
Sendo obtida a energia anual gerada de 192.403 Wh pela
placa de referência, conforme o total da Tabela 11, e a energia anual gerada de 252.226 Wh pela placa do nosso sistema, conforme o total da Tabela 12, obtemos o Fator de Ganho Anual do sistema proposto, que para esse ano de 2012 seria de 1,31, ou seja, 31 %.
Um outro método para fazermos a projeção da geração para todo o ano é utilizarmos dados estatísticos de radiação.
84
A radiação é medida na estação meteorológica de São José, município vizinho à Florianópolis, e disponibilizada no site do INMET - Instituto Nacional de Meteorologia [38]. Esta medição é feita em kJ/m2 e mede a energia solar incidente sobre a superfície terrestre. Os dados são disponibilizados a cada hora, mas infelizmente somente para os últimos 90 dias.
Convertendo a unidade da radiação para W/m2 e usando o percentual de eficiência de nossas placas fotovoltaicas podemos determinar a potência disponibilizada pelo INMET que pode ser convertida pelas placas, conforme a Equação. 20.
2
2
2P kJ/m placa
W / m* *
3,6kJ / mE E Ef
Equação. 20
Usando a equação acima sobre os dados de radiação do INMET do período de 07/01/2013 a 07/04/2013, obtemos o valor de 38802 Wh.
Para calcular a potência supostamente gerada neste mesmo período pela placa do sistema, sabendo que o ganho varia em função da potência gerada, utilizamos as mesmas faixas de potência já apresentadas na Tabela 7, bem como o fator de ganho de nossa placa do sistema para cada uma dessas faixas, já indicado na Tabela 8. Desta maneira, multiplicando cada dado do INMET, já convertido para Wh, pelo fator de ganho em função de cada faixa de potência e realizando a soma de todo o intervalo considerado, de 07/01/2013 a 07/04/2013, obtemos a Tabela 10.
85
Octa Faixa de potência
(W) Energia gerada pelo
sistema (Wh)
0/8 71,11 - 80,00 7005
1/8 62,22 - 71,11 4270
2/8 53,33 - 62,22 7619
3/8 44,44 - 53,33 4503
4/8 35,55 - 44,44 6854
5/8 26,66 - 35,55 5950
6/8 17,77 - 26,66 6516
7/8 08,88 - 17,77 2759
8/8 00,00 - 8,88 1188
Total 46668
Tabela 13 - Soma da potência gerada na placa do sistema para cada octa
Tendo o valor da energia gerada em todo o período
considerada, para obter o Fator de Ganho nesse período basta dividir o valor gerado pela placa do nosso sistema pelo valor gerado pela placa de referência, o que nos dá 1,41, ou seja um ganho de 41 %.
Desta forma obtivemos os ganhos, 31 % utilizando dados estatísticos de nebulosidade e 41 % com o uso dos dados estatísticos de radiação. Mesmos sendo inferiores aos ganhos previstos no início de nossos trabalhos, com a utilização de cálculos teóricos, consideramos um bom ganho energético anual.
CONCLUSÕES A maneira padrão de utilização de placas fotovoltaicas
consiste em fixar a placa com uma inclinação desta em relação ao plano horizontal com o ângulo igual ao ângulo da latitude local, voltada para o norte verdadeiro se a instalação for feita no hemisfério sul, e ao sul verdadeiro se for instalada no hemisfério norte.
No sistema proposto manteve-se este mesmo ângulo e direção de instalação, com a diferença de que a placa pode girar sobre a sua linha central no sentido norte-sul, fazendo dessa forma o acompanhamento do sol no sentido leste-oeste, ou seja, do nascer ao pôr do sol. Este acompanhamento é feito utilizando-se um pequeno motor de corrente contínua acoplado a um sistema mecânico de redução de engrenagens. O acionamento desse motor se faz através de um circuito eletrônico que se utiliza de dois sensores de luminosidade, um inclinado à leste da ortogonal da placa e outro inclinado à oeste. Desta maneira quando a luminosidade à leste está maior que a luminosidade à oeste, o motor desloca todo o conjunto para leste, em busca da obtenção de maior energia. Da mesma maneira quando a luminosidade à oeste é maior, o motor gira em sentido inverso, movendo o conjunto para oeste. Quando a luminosidade é semelhante dos dois lados, ou com um valor muito próximo, o motor não recebe alimentação e fica parado. Junto à placa fotovoltaica foram fixados dois espelhos, ambos em ângulo de 120 graus com a placa, de tal maneira que todos os raios solares sobre eles incidentes são refletidos para a placa fotovoltaica, aumentando assim a concentração desses raios, e conseqüentemente, a energia por ela absorvida.
O método utilizado para fazer com que o conjunto placa-espelhos faça o acompanhamento solar mostrou-se eficiente. Ao orientarmos o posicionamento desse conjunto pela intensidade luminosa e não apenas pela posição do sol, obtivemos melhores resultados. Isso pode ser observado nos momentos em que nuvens escuras encobrem o sol e existem nuvens claras por perto. A luminosidade mais forte que chega na placa provém do reflexo dos raios solares nas nuvens claras. O circuito que foi montado detecta este fato e redireciona o conjunto placa-espelhos para a nova posição. Isto faz com que a potência
87 absorvida seja maior do que aquela que seria absorvida se o conjunto placa-espelhos estivesse diretamente voltada para a direção em que o sol se encontra.
Computando todos os dados levantados experimentalmente, obtivemos um fator de ganho de 1,78, ou seja, um ganho de 78 %. Mas este número não pode ser considerado como um ganho de longo prazo, pois não foram realizadas medições em todas as condições de céu; nenhuma medição foi feita durante dias de chuva, por exemplo.
Como nossas medições foram feitas por um tempo que não nos permitiu quantificar a ocorrência de cobertura do céu por nuvens, recorremos a dados estatísticos disponibilizados pelo INPE e pelo INMET para projetar as energias transformadas pelas placas fotovoltaicas, de referência e do sistema, e dessa maneira calcular o ganho que obteríamos a longo prazo.
Pelos dois métodos utilizados, Nebulosidade e Radiação, obtivemos ganhos significativos na projeção de geração.
Utilizando os dados de Nebulosidade para todo o ano de 2012, que consiste em dividir o céu em 8 partes, chamadas octas, e classificando de 0 a 8, pudemos expandir estatisticamente os dados coletados experimentalmente e calcular o fator de ganho em 1,31, ou seja um ganho 31 %.
Utilizando os dados de Radiação e projetando os dados experimentais a longo prazo, chegamos a um fator de ganho de 1,41, ou seja, um ganho de 41%.
Analisando os resultados obtidos experimentalmente e suas projeções estatísticas podemos concluir que o sistema proposto apresenta um ganho significativo em relação à instalação convencional. Este ganho torna-se maior quando ocorre formação de nuvens bem definidas com céu parcialmente nublado, que de acordo com a classificação de nebulosidade do INPE fica entre 2 e 7 octas e ocorre em 82% do tempo em Florianópolis [37].
O melhor ganho obtido pelo sistema proposto ocorre quando o céu apresenta nuvens em formação irregular, tendo algumas cinza-escuro e outra brancas, com partes do céu aberto, que pode ser classificado entre 4 e 7 octas. Nesse caso o ganho é alto, não apenas em percentual, mas principalmente em watts a mais que podem ser armazenados. Esta configuração de céu ocorre em Florianópolis durante 54 % do tempo[37].
88
Durante todas as aferições de desempenho, o sistema proposto apresentou resultados positivos no ganho de energia absorvida, exceto em duas situações.
A primeira, que ocorre nos momentos em que o sol encontra-se no zênite, ou seja, no ponto mais alto do céu, e o céu encontra-se totalmente aberto, classificado como 0 octas na classificação do INPE. Nessas situações os raios incidentes estão perpendiculares ao plano da placa de referência, fazendo com que esta absorva o máximo de energia. A placa do sistema também está posicionada na mesma direção, absorvendo a mesma quantidade de energia dos raios solares. Os raios solares refletidos pelos espelhos que incidem sobre a placa do sistema, comportam uma energia que a placa não tem capacidade de absorver pelo fato de já estar saturada. Além disso, estes raios solares adicionais causam uma elevação da temperatura da placa do sistema, em relação à placa de referência, fazendo que ocorra uma diminuição da capacidade de transformar a energia solar em energia elétrica. Esta situação ocorre em apenas 10 % do tempo, sendo que apenas em 9 % dos dias isto ocorre ao meio-dia[37].
A segunda, que ocorre quando temos o céu totalmente fechado, com nuvens cinza-escuras, sem variação na sua opacidade, ou seja 8 octas na classificação do INPE. Nessa situação a energia absorvida é muito baixa, pois com grande nebulosidade existe uma baixa incidência de raios solares. Como o céu está totalmente fechado, os raios que incidem sobre a placa e os espelhos são muito difusos, vindo de todas as direções do céu. Esse fato faz com que os espelhos acabem causando sombra sobre a placa, diminuindo a captação de energia. Mas devemos observar que, embora estejamos absorvendo menos energia em relação à placa de referência, a energia que se perde é muito pequena; as duas placas, nessa situação, apresentam uma captação de energia muito pequena, abaixo de 3 watts, e isso ocorre em apenas 3 % do tempo em Florianópolis[37].
Apresentamos como principal contribuição do nosso trabalho o método de seguimento solar pela intensidade luminosa, que diferencia-se do tradicional método de apontar para o local do céu onde o sol tem sua posição calculada em função da data e da hora local. O fato de termos optado por
89 sensores para apontar nosso sistema para o ponto mais iluminado do céu, faz com que a placa e seus espelhos estejam sempre direcionados para o ponto de melhor aproveitamento de energia. Como contribuição secundária indicamos a utilização de espelhos que se mostrou muito útil quando o sol encontra-se semi-encoberto com nuvens, fazendo com que a área virtual de aproveitamento da placa aumente, ou seja, que mais energia solar seja direcionada para a placa fotovoltaica.
Vislumbramos para pesquisas futuras a execução de novos experimentos, feitos com três placas simultaneamente. A primeira com acompanhamento e espelhos de modo similar ao nosso projeto atual; a segunda servindo como placa de referência, sem acompanhamento e sem espelhos, como foi usada para nossa referência; e a terceira, com sistema de acompanhamento e sem espelhos, que poderá verificar o quanto é ganho pelo acompanhamento solar e quanto é ganho pela concentração dos raios solares pelos espelhos.
A documentação do céu através de fotografias, sendo registradas a data e hora, teria sido de grande valia para as conclusões, ficando assim sugerido para futuros trabalhos.
Outra via a ser explorada seria a utilização de fotômetros, medidores da velocidade do vento e termômetros. É importante que todas as medições sejam simultâneas, pois existem variações muito grandes em função da formação de nuvens, sua cor, sua intensidade e área de cobertura. Também há variação para situações de céu parecido, em horários diferentes.
Recomendamos a instalação do experimento em um local que permita medições contínuas por um longo período de tempo, pelo menos um ano, para que não seja necessário recorrer à métodos estatísticos para a obtenção do ganho a longo prazo e também para que seja possível equacionar a influência de cada uma das variáveis na absorção de energia solar, tais como: luminosidade, temperatura, velocidade e direção do vento.
Quando se busca uma fonte de energia alternativa, não se deve buscar apenas uma alternativa economicamente eficiente mas buscar também uma energia limpa, pura, não poluente e a princípio inesgotável. A energia solar se enquadra em todas essas características, razão pela qual muitos estudos se fazem necessários para que ela possa, paulatinamente, substituir outras
90 formas de energia que são utilizadas e que, de uma forma ou outra, estão trazendo prejuízos ao nosso planeta.
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96 Porto Alegre - RS.
APÊNDICES
APÊNDICE A - CÁLCULO PARA O DIMENSIONAMENTO DOS COMPONENTES MECÂNICOS
O material contido nesse anexo é resultante do trabalho realizado pelos alunos Carlos Roberto Mariano dos Santos, Jean Paulo Rodrigues e Nicarao Lenin Wachoski Fletes, do Curso Técnico de Mecânica Industrial do Departamento Acadêmico de Metal Mecânica do Instituto Federal de Santa Catarina, apresentado aos professores Aldrwin Farias Hamad, Eduardo Yuji Sakurada, Fernanda de Souza Royse, Mario Bertotti e Raimundo Ricardo Matos da Cunha e orientados pelo aluno de mestrado Paulo César Sedor, autor dessa dissertação.
1 - Esforço de flexão no tubo de sustentação
120e MPa Limite de escoamento do aço 1020.
max_ / 100 /km hV km h Velocidade máxima do vento em km/h.
max_ / 27,78 /m sV m s Velocidade máxima do vento em m/s.
0,68L m Largura da chapa.
0,92h m Altura da chapa.
* 0,626chapaA L h Área da chapa.
99
31,2 /ar kg m Massa específica do ar.
2
max_ /*
2
m s
ar ar
VP
2462,963 /arP N m Pressão do ar.
As três chapas de áreas iguais oferecem na pior das hipóteses 2xAchapa, pois a área efetiva é:
2* *cos(60 )* *cos(60 ) 2*o o
ef chapaA A A A
*2*vento ar chapaF P A
1h m Altura da força resultante do vento
horizontal
* ventoM h F Momento de giro devido a força do
vento.
579,259M Nm
100
.
4 43*10
6*f
B b
B
22,861f
4gS Fator de segurança devido ao
deslocamento do centro de massa em relação ao tubo de sustentação
eadm
gS
30adm Tensão admissível com o fator de
segurança.
vento
f
M
25,338vento OK. É menor que 30.
101 1.1 - Esforço de compressão
Calculando o esforço de compressão máxima na base escolhida, define-se o peso máximo que a base do tubo pode suportar.
2 2 2924tuboA B b mm
3
_ max * 27,72*10peso imo tubo admF A kg
2 - Esforços na base
Como a base será conectada também através de nervuras ao tubo, a espessura de sua chapa não é crítica. Então, a seguir são calculados os esforços de tração nos parafusos da base.
0,3parafusoD m Distância entre os parafusos da base.
0,5* 965,432parafuso
parafuso
MF
D
232,181parafuso
parafuso
adm
FA mm
4*6,401
parafuso
parafuso
Amm
Escolheu-se parafusos de 10 mm.
102 2.1 - Cisalhamento da chapa na cabeça do parafuso
0,6* 18adm adm
0,3parafusoD m Distância entre parafusos. Ponto de
apoio para giro. Considerando o diâmetro da arruela o dobro do diâmetro do parafuso.
1*
2* *
parafuso
base
parafuso adm
FEsp
tan *cor te baseA
tancor te
FA
1,334baseEsp mm
Escolheu-se a chapa de 3mm na base.
3 - Momento máximo no eixo do motor devido ao vento
O pior esforço de momento no eixo horizontal ao solo ocorre quando o sistema mecânico é instalado em uma latitude terrestre muito alta, conforme a figura abaixo. Neste caso a distância entre a força central do vento e o eixo é igual a h/2.
103
_ * * *s ( )2 3
mot vent ar chapa
hM P A en
Momento = distância * força
_ 125,413mot ventM Nm Momento devido ao vento.
Usando um redutor de velocidade de 50:1 com as
seguintes características: Voltagem de trabalho: 12 V. Rotação sem carga: 0,55 RPM. Rotação à máxima eficiência: 0,45 RPM. Torque à máxima eficiência: 50 kgf.cm. Considerando uma perda de 45% na saída do redutor:
5motorM Nm Momento na redução do motor CC.
_ 50sem fimR Redução do fuso sem fim.
0,55*5*50sistM
137,5sistM Nm Maior que o momento devido ao vento.
Logo, na pior latitude o sistema se movimenta, mesmo com um vento de 100 km/h.
104 3.1 - Diâmetro do eixo devido ao momento de torção
1000*eixo sistT M
3
16*
*1
eixoi
adm
Td
33,884id mm Diâmetro do eixo.
Escolheu-se um eixo maciço com diâmetro de 40 mm.
3.2 - Verificação de velocidade do eixo principal
0,5motorn rpm Velocidade na saída do motor CC.
max_
_
motoreixo
sem fim
nV
R
max_ 0,01eixoV rpm Velocidade máxima do eixo.
*2* *
60
motor motormotor
M nP
0,262motorP W Potência necessário do motor.
3.3 - Tração nas hastes diagonais devido ao momento de
torção
O diâmetro do eixo é escolhido a partir do momento T do eixo em N.mm.
105
_
2
mot vent
mom
MF
L
_
2 389,6
( tan( )
2
mot vent
haste
M
L
F Nh
sen aL
212,98hastehaste
e
g
FA mm
S
3.4 - Tração nas hastes devido a um vento perpendicular ao módulo gerador
*2
dobr vento
hMom F
106
2 409,598
( )4
dobr
hastes
Mom
hF
sen
222
0,5*6,827hastes
hastese
g
FA mm
S
ANEXOS
ANEXO A - AMOSTRA DOS DADOS COLETADOS 121103;103204;117;147;3;6; 121103;103206;118;147;3;6; 121103;103208;117;147;3;6; 121103;103210;117;147;3;6; 121103;103212;115;146;3;6; 121103;103214;117;146;3;6; 121103;103216;117;148;3;6; 121103;103218;117;145;3;6; 121103;103220;116;144;3;6; 121103;103222;116;145;3;6; 121103;103224;114;143;3;6; 121103;103226;115;145;3;6; 121103;103228;115;146;3;6; 121103;103230;114;141;3;6; 121103;103232;116;142;3;6; 121103;103234;115;145;3;6; 121103;103236;115;142;3;6; 121103;103238;114;142;3;6; 121103;103240;114;142;3;6; 121103;103330;111;136;2;5; 121103;103335;110;136;2;5; 121103;103340;111;136;2;5; 121103;103345;110;135;2;5; 121103;103350;111;137;2;5; 121103;103355;110;135;2;5; 121103;103400;109;134;2;5; 121103;103405;109;135;2;5; 121103;103410;110;133;2;5; 121103;103415;109;133;2;5; 121103;103420;110;133;2;5; 121103;103425;109;134;2;5; 121103;103430;109;133;2;5; 121103;103435;110;135;2;5; 121103;103440;110;133;2;5; 121103;103445;109;129;2;4; 121103;103450;109;129;2;4; 121103;103455;110;129;2;4;
109 121103;103500;110;129;2;4; 121103;103505;110;126;2;4; 121103;103510;110;126;2;4; 121103;103515;110;129;2;4; 121103;103520;110;130;2;4; 121103;103525;111;130;2;4; 121103;103530;111;131;2;4; 121103;103535;111;130;2;4; 121103;103540;111;127;2;4; 121103;103545;109;126;2;4; 121103;103550;109;127;2;4; 121103;103555;109;126;2;4; 121103;103600;108;125;2;4; 121103;103605;110;125;2;4; 121103;103610;109;123;2;4; 121103;103615;109;124;2;4; 121103;103620;108;126;2;4; 121103;103625;109;126;2;4; 121103;103630;109;124;2;4; 121103;103635;107;122;2;3; 121103;103640;108;120;2;3; 121103;103645;107;120;2;3; 121103;103650;108;118;2;3; 121103;110205;142;244;6;24; 121103;110210;143;245;6;24; 121103;110215;142;243;6;24; 121103;110220;142;240;6;23; 121103;110225;142;242;6;24; 121103;110230;144;252;6;26; 121103;110235;145;258;6;28; 121103;110240;145;257;6;27; 121103;110245;143;252;6;26;
ANEXO B - FONTE DO PROGRAMA EM LINGUAGEM "C" PARA O ARDUINO #include <SD.h> const int chipSelect = 4; #include <LCD4Bit_mod.h> #include <STRING.H> #define DADOS_LEN 100 #define IDLEN 6 #define TEMPLEN 11 //cria objeto para controlar LCD LCD4Bit_mod lcd = LCD4Bit_mod(2); //numero de linhas do LCD = 2 char dados[DADOS_LEN]; //buffer dos dados do GPS byte conta=0; //variavel auxiliar para contar char* idnmea[] = "$GPRMC","$GPGGA"; //IDs dos NMEA que vou utilizar #define GPRMC 0 #define GPGGA 1 byte verificador[]= 0,0; //variavel auxiliar para verificar ID NMEA byte indice[12]; //Em uma linha $GPRMC contem 12 valores separados por virgulas. Esta variavel guarda a posição do caracter de inicio de cada valor. byte contindice=0; //variavel auxiliar de controle usada na variavel indice[]; char tempmsg[TEMPLEN]; //variavel temporaria auxiliar para guarda o valor de um dado extraido do GPS. int soma0, soma1, soma2, soma3; int qtde; int media0, media1, media2, media3; char datahora[14]; File myFile; char* arquivo = "ger0007.csv"; char* cmed0; void setup() Serial.begin(9600); Serial.println("Inicializando SD card..."); pinMode(10, OUTPUT);
111 if (!SD.begin(chipSelect)) Serial.println("SD Card falhou ou nao esta presente."); return; Serial.println("OK. SD card inicializou."); Serial.println("Aguardando GPS..."); lcd.init(); lcd.clear(); lcd.printIn("<<PcSedor>>"); Serial.begin(9600); //Inicia UART para comunicar com módulo GPS soma0 = 0; soma1 = 0; qtde = 0; void loop() String dataString = ""; char* buf; int i; double Vr; int P; while(Serial.available()) // Serial.println(">"); dados[conta] = Serial.read(); if(dados[conta]==13) verificador[GPRMC]=0; //verifica idnmea[0] ($GPRMC) for(byte i=1;i<=IDLEN;i++) if(dados[i]==idnmea[GPRMC][i-1]) verificador[GPRMC]++; //incrementa 1 if(verificador[GPRMC]==IDLEN) // datahora[0] = dados[58]; // datahora[1] = dados[59]; // datahora[2] = '/'; datahora[0] = dados[62]; datahora[1] = dados[63]; datahora[2] = dados[60];
112 datahora[3] = dados[61]; datahora[4] = dados[58]; datahora[5] = dados[59]; datahora[6] = ';'; datahora[7] = dados[8]; datahora[8] = dados[9]; datahora[9] = dados[10]; datahora[10] = dados[11]; datahora[11] = dados[12]; datahora[12] = dados[13]; Serial.print(dados[13]); // Serial.println(datahora); // for (i=0;12;i++) dataString[i]=datahora[i]; dataString = datahora; dataString += ";"; if ((dados[13] != '0') and(dados[13] != '5')) // if (qtde != 1) qtde = qtde + 1; int sensor0 = analogRead(0); soma0 = soma0 + sensor0; int sensor1 = analogRead(1); soma1 = soma1 + sensor1; // lcd.cursorTo(0,1); // lcd.printIn(datahora); else qtde = qtde + 1; int sensor0 = analogRead(0); soma0 = soma0 + sensor0; int sensor1 = analogRead(1); soma1 = soma1 + sensor1; media0 = soma0 / qtde; media1 = soma1 / qtde; dataString += String(media0); dataString += String(";"); dataString += String(media1); dataString += String(";"); Vr = media0 * 5.0 / 1023.0;
113 P = ((double)11.8 * (double)Vr - (double)3.76) * (double)2.0 * (double)Vr; dataString += String(P); dataString += String(";"); Vr = media1 * 5.0 / 1023.0; P = ((double)11.8 * (double)Vr - (double)3.76) * (double)2.0 * (double)Vr; dataString += String(P); dataString += String(";"); Serial.println(" "); Serial.println(dataString); soma0 = 0; soma1 = 0; qtde = 0; myFile = SD.open(arquivo, FILE_WRITE); if (myFile) // if (strlen(datahora) == 13) // if (datahora[0] == '1' and datahora[1] == '2') Serial.println("Gravando no SD card..."); myFile.println(dataString); myFile.close(); // lcd.cursorTo(0,0); // lcd.printIn(datahora); Serial.print("feito."); // lcd.cursorTo(0,12); // lcd.printIn("..OK"); else Serial.println("Error ao tentar gravar..."); // else // Serial.println("Ano invalido...formato datahora invalido"); // Serial.println(datahora); // // else // Serial.println("Tamanho errado de datahora"); // Serial.println(datahora); //
114 conta = 0; //zera conta, ou seja, vai iniciar proxima linha do GPS e dados[conta] esta na posição 0 else conta++; //incrementa conta, ou seja, dados[conta] pula para a proxima posição
