curso de tecnologia em mecatrÔnica industrial · aproximadamente constante, usando motores ca....
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Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Julio Julinho Marcondes de Moura”
ANDERSON RICARDO OLIVEIRA DE AVELAR
POSICIONADOR PARA CÉLULA FOTOVOLTAICA
COM MOVIMENTO ELÍPTICO DO SOL
GARÇA
2016
CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
1
Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Julio Julinho Marcondes de Moura”
ANDERSON RICARDO OLIVEIRA DE AVELAR
POSICIONADOR PARA CÉLULA FOTOVOLTAICA
COM MOVIMENTO ELÍPTICO DO SOL
Artigo Científico apresentado à Faculdade de Tecnologia de Garça – Fatec, como requisito para a conclusão de curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, examinado pela seguinte comissão de professores. Data de aprovação: ____/____/____
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Prof. Dr. Edson Detregiachi FATEC Garça
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Prof. FATEC Garça
________________________
Prof. FATEC Garça
GARÇA 2016
CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
inINDUSTRIAL
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POSICIONADOR PARA CÉLULA FOTOVOLTAICA COM MOVIMENTO ELÍPTICO DO SOL
Anderson Ricardo Oliveira de Avelar 1 [email protected]
Prof. Dr. Edson Detregiachi Filho 2
Resumo – O artigo científico foi desenvolvido com a finalidade de proporcionar à
sociedade, investimentos em ciência e tecnologia, como também desenvolvimento
socioeconômico, com a utilização de células fotovoltaicas, para geração de energia
elétrica limpa e sustentável, com desenvolvimento de um sistema de automatização,
permitindo que a célula fotovoltaica siga autonomamente o movimento solar,
otimizando a sua eficiência produtiva. Assim contribuir com a eficiência na produção
de energia elétrica pelos métodos renováveis, permitindo avanços econômicos,
sociais e ambientais para a comunidade regional.
Palavras – chave: LDR. Célula Fotovoltaica. Servomotor. Eficácia.
Abstract - Abstract –The scientific article was developed with the purpose of
providing society with investments in science and technology, as well as socio-
economic development, with the use of photovoltaic cells, for the generation of clean
and sustainable electric energy, with the development of an automation system,
allowing That the photovoltaic cell autonomously follow the solar movement,
optimizing its productive efficiency. Thus contribute to the efficiency in the production
of electricity by renewable methods, allowing economic, social and environmental
advances for the regional community.
Key words: LDR. Photovoltaic Cell. Servo Motor. Efficacy.
1 Aluno do Curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial – FATEC Garça.
2 Docente da Faculdade de Tecnologia de Garça - FATEC
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1. INTRODUÇÃO
O tema escolhido para a elaboração do Projeto de Pesquisa encontra-se
vinculado ao curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, contemplando as três
principais áreas: mecânica, eletrônica, e controle de processos por computador.
Com a utilização de uma célula fotovoltaica para produção de energia elétrica por
meio da radiação da luz solar, o objetivo do projeto é a elaboração de um sistema de
automatização, o qual permitirá que a célula fotovoltaica siga autonomamente o
movimento elíptico do Sol, corrigindo os ângulos de incidência dos raios solares
sobre a célula fotovoltaica, para melhoria de captação e produção da energia
elétrica, armazenado em uma bateria estacionária, ficando disponível para sua
utilização durante os períodos de baixa radiação ou à noite.
A metodologia utilizada neste trabalho é o desenvolvimento experimental de
um protótipo, utilizando as ferramentas da Mecatrônica Industrial, para verificar a
eficiência e a eficácia, do sistema apresentado.
No mundo atual, a demanda de consumo de energia elétrica vem crescendo,
praticamente acompanhando o crescimento da população no Planeta, motivando
para buscas por estudos sobre fontes renováveis, para a diminuição da dependência
de combustíveis fósseis, como carvão e petróleo, que por meio do processo da
queima desses produtos, utiliza-se a energia elétrica, causando a poluição.
No gráfico 1, o crescimento do consumo de energia elétrica no mundo desde
ano de 1980, o que reflete uma previsão de como será o consumo de energia até o
ano de 2030.
Gráfico 1: Previsão de consumo de energia elétrica no mundo até 2030.
Fonte: IEA Word Energy Outlook, (2009.p.27)
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A energia elétrica é um elemento essencial para o desenvolvimento industrial
e socioeconômico de um país. No entanto, a relação entre a energia e a poluição
ambiental é um dos maiores desafios que o mundo enfrenta atualmente. Neste
contexto, a utilização de energia solar, que é favorável ao meio ambiente, é
importante para desenvolvimento mundial de maneira sustentável (KARIMOV et
al.,(2005).
O Sol é a principal fonte de energia para Terra. Além de ser responsável pela
manutenção da vida no Planeta, a radiação solar constitui-se numa inesgotável fonte
energética, havendo um enorme potencial de sua utilização por meio de sistema de
captação e conversão em outra forma de energia, como por exemplo, a térmica e a
elétrica (TAVARES e GALDINO, 2014).
A Terra transita numa trajetória elíptica em torno do Sol, onde seu eixo de
rotação em relação ao plano normal à elipse apresenta uma inclinação de 23,45º
como é demonstrado na figura 1.
Figura 1: Movimento de translação e de rotação da terra
Fonte: Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos, (2014).
E pela inclinação do eixo da Terra de 23,45º como foi mostrado na figura 1,
apontam as quatros estações do ano, e a posição do Sol em relação a um dos
hemisférios é diferente no decorrer do ano.
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O trabalho é relevante, pois com o rastreamento autônomo do movimento
solar, a célula de produção de energia elétrica potencializa a capacidade produtiva,
melhorando a eficácia do projeto.
2. DESENVOLVIMENTO
Para o desenvolvimento do protótipo neste projeto, foi necessário o
aprofundamento teórico em temas da Mecatrônica Industrial, e suas aplicações no
protótipo.
2.1 Referencial Teórico
Sensor LDR
LDR (Light Dependent Resistor) seu significado é Resistor Dependente de
Luz ou simplesmente foto resistor. É usado como sensor de luz numa infinidade de
aplicações (THOMAZINI e ALBUQUERQUE, p.63).
É um componente eletrônico, utilizando sulfeto de cádmio para sua
construção, que por meio desse componente químico, apresenta uma resistência
extremamente elevada no escuro, na ordem de milhões de ohms. E essa resistência
é diminuída para algumas centenas de milhares de ohms quando recebem
iluminação direta de uma luz forte, como exemplo uma lâmpada próxima ao LDR ou
luz direta do Sol.
No gráfico 2, a variação de resistência em função de incidência luminosa
sobre LDR.
Gráfico 2: Variação de Resistência com a luz
Fonte: Tutorial Eletrônica – Aplicações e Funcionamento de Sensores (2006).
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Na superfície do sensor LDR, junto com sulfeto de cádmio ainda possui trilhas
de material condutor, eventualmente composto por ouro, por meio que os dois
materiais se entrelaçam de modo para aumentar a superfície de contato e assim
conseguir mais capacidade de corrente e mais sensibilidade.
Na figura 2, os LDRs mais comuns encontrado no mercado.
Figura 2: alguns tipos comuns de LDRs encontrado no comércio.
Fonte: Catálogo Alibaba (2016).
Os LDRs não são componentes polarizados, o que significa que a corrente
pode circular nos dois sentidos. As variações da resistência com a luz são iguais em
qualquer sentido (THOMAZINI e ALBUQUERQUE, p.64).
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Servomotor
São servomecanismos que funcionam para posicionar ou controlar uma
posição em resposta a um sinal de entrada capaz de fornecer somente uma
pequena quantidade de potência, seu funcionamento é para reduzir a zero qualquer
diferença que possa existir entre as posições real e a desejada da carga (U.S NAVY,
Bureau, p.71).
Os servomotores podem ser do tipo CC (corrente contínua) ou tipo Ca
(corrente alternada) e são aplicados em servossistemas, e dependendo da
aplicação, podem ser usados em posicionar cargas pesada com uma larga faixa de
velocidades, usando motores CC ou em sistemas com cargas leves e velocidade
aproximadamente constante, usando motores CA.
Para os controles de sentido de rotação, velocidade e ângulo de
posicionamento de servomotores, são utilizados softwares de linguagem de
programação, e micro controladores, que por meio de um algoritmo lógico, utilizam-
se sinal de pulsos, enviados do micro controlador para o servomotor.
Para o desenvolvimento e construção do protótipo foi utilizado o micro servo
motor modelo Tower Pro 9g Sg90. Esse servomotor possui um movimento restrito à
cerca de 180º grau e apresenta alta precisão de posicionamento como é mostrado
na figura 3.
Figura 3: Micro Servo Motor Tower Pro modelo 9g Sg90.
Fonte: datasheetspdf.com/PDF/SG90/791970/1.
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Na tabela 1, as Especificações Técnicas do Micro Servo Motor Tower Pro
modelo 9g Sg90.
Tabela 1 – Especificações Técnicas Micro Servo Motor Tower Pro 9g Sg90
Dimensões 23X11X29 mm
Tensão 4,8 V (~5 v)
Peso 9 g
Velocidade 0,12 seg./ 60º grau (em 4,8 V)
Torque 1,6 Kgf – cm
Temperatura de Trabalho 0º C ~ 55º C
Outras Características Bucha de Teflon, motor sem núcleo.
Fonte: datasheetspdf.com/PDF/SG90/791970/1.
Microcontrolador
Os micros controladores surgiram ao longo dos anos como evolução natural
dos circuitos digitais, devido ao aumento da complexidade dos mesmos.
Os tópicos que diferenciam os diversos tipos de microcontroladores existentes
no mercado são descritos, pela quantidade de memória interna de armazenamento
de dados e instruções de programas, a velocidade que o programa é processado, a
quantidade de portas configuráveis de entrada e saída, as quantidades e os tipos de
periféricos existentes, a arquitetura utilizada (Harvard ou Von-Neumann) e o
conjunto de instruções existentes nos circuitos internos do Microcontrolador
(MARTINS, 2005, p. 15).
Para o desenvolvimento e construção do protótipo foi utilizado
Microcontrolador μstart for PIC (Programmable Interrupt Controller) modelo
PIC18F4550 da Microchip®, com barramento de 8 bits. A seguir é apresentada uma
lista das principais características e recursos do Microcontrolador PIC18F4550:
● Possui 40 pinos, o que possibilita a construção de um hardware mais
complexo, capaz de ter uma ampla interação dos recursos e funções;
● 32k de Flash, 256 bytes EEPROM e 2048 bytes de RAM;
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● PWM/CCP/ECCP, ADC, TIMER;
● Não precisa de gravador (Bootloader interno);
● Alimentação via USB (5 v) ou externa (6 ~15V);
● Corrente máxima de saída ~700mA (fonte externa);
● Comunicação USB 2.0 nativa;
● Entrada ICSP para debugger externo (padrão PICKIT);
● 33 pinos de I/O disponíveis;
Na figura 1, o Microcontrolador Pic18f4550.
Figura 1: Microcontrolador PIC 18f4550
Fonte: μstart for PIC Manual do Usuário (2014).
Outro motivo para a escolha de um Microcontrolador Pic18f4550 foi à
facilidade de programação em linguagem C, além da disponibilidade de módulo
programador para 36 gravações do firmware em conjunto com o software MIKROC,
Na Figura 4 ilustra a distribuição dos pinos do Microcontrolador Pic18f4550
com encapsulamento PDIP (Plastic Dual Inline Package), de 40 pinos, utilizado no
trabalho.
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Figura 4: Diagrama dos Pinos do Microcontrolador PIC 18f4550.
Fonte: Microchip Technology Inc. (2009).
2.2 Metodologia do Protótipo
A metodologia utilizada é o desenvolvimento experimental de um protótipo,
utilizando os recursos da Mecatrônica Industrial.
Para o entendimento da funcionalidade do protótipo, foi elaborado um
fluxograma, para demonstração do ciclo de funcionamento de cada componente
composto na construção do protótipo, como é mostrado na figura 5.
Figura 5: Fluxograma do esquema de funcionamento.
Fonte: do autor
LDR NORTE
PIC
18f4550
SERVO LESTE OESTE
LDR SUL
CÉLULA FOTOVOLTAICA
LDR LESTE
SERVO NORTE
SUL
LDR OESTE
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No fluxograma, cada posição que um LDR ocupa, representa o sentido que o
Sol transita. Durante os dias do ano são representado pelos LDR LESTE, LDR
OESTE, e o sentido que o Sol se posiciona durante as quatro estações do ano para
compensar o ângulo de 23º 45´ da inclinação do eixo da Terra, os LDR NORTE,
LDR SUL. E são responsáveis de identificar a posição real do Sol e transmitir as
informações para o microcontrolador.
No microcontrolador, as informações recebidas dos LDRs são interpretadas
pelo Algoritmo Lógico, que por meio de funções definidas pelo mesmo, faz com que
o microcontrolador transmite um pulso para cada servo motor representado no
fluxograma. O servomotor recebe a informações no pulso gerado no
microcontrolador e posiciona a Célula Fotovoltaica no ângulo perpendicular aos raios
solares, num ciclo autônomo, mantendo a eficiência máxima de geração de energia
elétrica.
SENSORES LDRs
Observando o fluxograma, os sensores LDRs são responsáveis pelo
rastreamento da posição do Sol e estão posicionados para representar os eixos
cardeais (Norte, Sul) e (Leste, Oeste). Na figura 6, o desenho (a) mostra os sensores
LDRs equilibrados, recebendo a mesma incidência da luz solar, igualando assim
seus valores de leitura. No desenho (b) e (c) os sensores LDRs estão
desequilibrados, sendo um dos sensores recebendo maior incidência da luz solar,
fazendo assim movimentar o servo motor, igualando novamente o valor de leitura
dos sensores LDRs, permitindo que célula Fotovoltaica possa posicionar
perpendicularmente em relação a luz solar.
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Figura 6: funcionamento do rastreador.
Fonte: Simpósio de Excelência em Gestão tecnologia IX SEGeT (2012).
A posição dos LDRs no protótipo está representada na figura 7.
Figura 7: Posição dos LDRs.
Os sensores LDRs estão conectados no microcontrolador PIC18F4550, para
o recebimento dos valores da leitura de posicionamento do Sol, que por meio de
uma lógica de programação, controla os servomotores para movimentar a célula
Fotovoltaica na posição perpendicular à luz Solar.
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Para conexão dos LDRs, foi utilizada 4 portas A/D do PIC18F4550,
conectadas nas portas (RA0, RA1, RA2, RA3), como é mostrada na figura 8, a
seguir.
Figura 8: Esquema de conexão do LDR com PIC 18f4550.
Fonte: do autor.
SERVOMOTOR
São servomecanismos que funcionam para posicionar ou controlar uma
posição em resposta a um sinal de entrada capaz de fornecer somente uma
pequena quantidade de potência, seu funcionamento é para reduzir a zero qualquer
diferença que possa existir entre as posições real e a desejada da carga (U.S NAVY,
Bureau, pg.71).
Estão sendo utilizados no protótipo dois Servomotores da Tower Pro MG90S
para realizarem o movimento Azimutal e Elevação da célula fotovoltaica. Um
Servomotor é instalado na base de madeira conectado num lado da ponta do eixo.
Neste eixo é realizado o movimento de Azimutal (Norte e Sul) num suporte de ferro.
Para facilitar o movimento, o eixo está apoiado em um rolamento. O outro
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Servomotor é instalado num suporte de ferro, conectado na outra ponta do eixo,
onde se realiza o movimento de Elevação da célula Fotovoltaica.
Na figura 9, mostra o esquema de instalação dos dois Servomotores:
Figura 9: estruturado protótipo
Fonte: do autor.
Os Servomotores estão conectados nos pinos (RB3/CCP2 e RC1/CCP2) do
microcontrolador, onde por meio desses pinos é desenvolvido um algoritmo para
configurar um sinal PWM, para controle do movimento do ângulo no Servomotor.
A figura 10, esquema de ligação do servo motor com o PIC18F4550 nos pinos
RB3/CCP2 e RC1/CCP2;
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Figura 10: esquema de ligação do servomotor.
Fonte: do autor.
PWM (modulação por largura de pulso): controla a tensão entregue a uma
determinada carga, modificando a largura de pulso do sinal, dentro de um período
de tempo prefixado (MIYADAIRA p.243).
Para o controle do ângulo de posicionamento do servo motor, é necessário
identificar a largura do pulso que trabalha no manual do fabricante. Para o
desenvolvimento do protótipo o servo motor proposto utiliza um pulso de 1 a 2 ms
(milissegundo) com período PWN de 20ms a 50HZ.
Na figura 11 mostra a largura do pulso de controle e o período PWN do Servo
Motor:
Figura 11: largura do pulso do servomotor.
Figura 2: largura do Pulso do Servo Motor
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Célula Fotovoltaica
A Célula Fotovoltaica é composta por junção de duas camadas de material
semicondutor, uma de tipo P e a outra do tipo N. Possui efeito fotovoltaico que é o
fenômeno físico que permite a conversão direta da luz em eletricidade (VILLALVA e
GAZOLI p.65). Os materiais semicondutores mais usados para confecção da Célula
Fotovoltaica atualmente são a do silício monocristalino, silício policristalino e a do
filme fino de silício.
A capacidade de produção de energia da Célula Fotovoltaica tem relação com
tamanho e o tipo de material utilizado na sua confecção.
Na figura 12, Célula Fotovoltaica utilizado no protótipo.
Figura 12: Célula Fotovoltaica utilizado no protótipo.
Fonte: Do Autor
2.3 TESTES E RESULTADOS
Para realização do teste de funcionalidade do protótipo, foi definido duas
etapa para medição dos valores da Célula Fotovoltaica, com utilização de um
multímetro digital. Primeira etapa consiste com sistema de rastreamento desligado e
leitura do multímetro, durante três períodos do dia, período da manhã, período do
meio dia e período da tarde. E a outra etapa com sistema de rastreamento ligado,
executando os mesmos procedimentos da primeira etapa.
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Para primeira etapa, o protótipo será instalado numa posição perpendicular
ao Sol, no horário das 12h da tarde, por ser um período de maior insolação. Em
seguida a leitura do multímetro nos três períodos mencionado.
Na segunda etapa, com sistema de posicionamento ligado, serão executados
os mesmos procedimentos da primeira etapa, com a leitura nos três períodos.
Com os dados coletados da leitura da primeira e segunda etapa, será
montada uma tabela de comparação de valores, mostrado na tabela 2, onde
verificará realmente se houve ganho de rendimento, e o percentual (%) dos valores,
na produção de energia elétrica com sistema de rastreamento ligado, em relação
com os sistemas tradicionais utilizados atualmente, para comprovação da viabilidade
do protótipo.
Na tabela 2, mostra os valores da leitura do multímetro.
Tabela 2: valores da leitura do multímetro.
PERÍODO POSICIONADOR LIGADO
POSICIONADOR DESLIGADO
DIFERENÇA (%)
Manhã (9h às 10h)
6,45 v
5,65 v
14 %
Meio Dia
(12h às 13h)
6,76 v
6,59 v
3%
Tarde
(16h às 17h)
5.27 v
4,98 v
6%
Fonte: do Autor.
3. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Os resultados obtidos na tabela 2 mostra um ganho do rendimento máximo da
Célula Fotovoltaica, na geração de energia elétrica, pois rastreando o movimento
elíptico do Sol, mantendo o ângulo correto de incidência dos raios solares sobre a
Célula Fotovoltaica proporcionou um ganho em media de 7,6 % na geração de
energia elétrica, sendo assim o projeto proposto viável.
Com as tecnologias existentes atualmente, encontra-se em constante
desenvolvimento e melhorias as Células Fotovoltaicas, com a comprovação da baixa
eficiência no protótipo, abrem-se caminhos para implementação de sistemas
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automatizados como esse proposto no projeto, por meio que se possam incrementar
eficiências ao processo de conversão direta da energia solar em elétrica,
expandindo essa tecnologia para um futuro próximo, a fim de diminuir a níveis
toleráveis, ou até eliminar a dependência dos combustíveis fósseis, onde a queima
desses combustíveis causa efeitos nocivos à sociedade e ao planeta Terra.
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REFERÊNCIAS
Catálogo ALIBABA, Sensor LDR Disponível em: < https://portuguese.alibaba.com/product-detail/photocell-ldr-sensor-3mm-20mm-555346324.html>. Acesso em 25 set. 2016.
MELCONIAN, SARKIS. ELEMENTOS DE MÁQUINAS, 9ºEDIÇÃO REVISADA.
MIYADAIRA, ALBERTO NOBORU, Microcontroladores PIC18, Aprenda e Programe em LINGUAGEM C 2. ed. rev. e ampl.—São Paulo: Érica, 2011.
NEVES, C. Os dez maiores desafios da automação industrial: as perspectivas para o futuro. II Congresso de Pesquisa e Inovação da Rede Norte Nordeste de Educação Tecnológica. João Pessoa PB, 2007.
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RIBEIRO, S. C; PRADO P.P.L; GONÇALVES, J.B; Projeto e Desenvolvimento de um Rastreador Solar para Painéis Fotovoltaicos. IX SEGeT 2012. Simpósio de Excelência em Gestão e Tecnologia, 2012.
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THOMAZINI, DANIEL; ALBUQUERQUE, P.U.de. Sensores Industriais: Fundamentos e Aplicações 7. ed. rev. e atual. São Paulo: Érica, 2010. VILLALVA, M. G; GAZOLI J.R. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA: Conceitos e Aplicações 1. ed. São Paulo: Érica, 2012.