gerenciador autÔnomo de fontes alternativas de … · 2015-06-18 · gerenciador autônomo de...
TRANSCRIPT
UNIVERSIDADE POSITIVO
NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO
GERENCIADOR AUTÔNOMO DE FONTES ALTERNATIVAS
DE ENERGIAS
Fernando Seidi Sakamoto
Monografia apresentada à disciplina de Projeto Final como requisito parcial à conclusão do
Curso de Engenharia da Computação, orientada pelo Prof. Alessandro Zimmer.
UP/NCET
Curitiba
2008
TERMO DE APROVAÇÃO
Fernando Seidi Sakamoto
Gerenciador autônomo de fontes alternativas de energias Monografia aprovada como requisito parcial à conclusão do curso de Engenharia da Computação
do Centro Universitário Positivo, pela seguinte banca examinadora:
Prof. Alessandro Zimmer (Orientador) Prof. Ibrahim El Chamaa Neto Prof. Valfredo Pilla Jr
Curitiba
2008
AGRADECIMENTOS
Agradeço a todos que me deram apoio na realização do projeto, principalmente a minha
família e amigos, pois sem eles o projeto não teria o resultado esperado.
RESUMO
O projeto em questão consiste no gerenciamento automático de fontes de energias alternativas,
dentre elas: fonte de energia eólica, fonte de energia hidráulica e fonte de energia solar. O sistema
proposto é responsável pelo constante monitoramento da produção de energia renovável produzida
por diversas fontes, indicando para um sistema interligado qual a fonte que está produzindo
adequadamente a energia segundo padrões previamente estabelecidos pelo usuário. O mesmo é
composto de um circuito de aquisição e de um programa de análise dos dados obtidos.
O hardware é composto por componentes eletros-mecânicos para a geração de energia solar
(célula fotovoltaica), eólica (dínamo) e hidráulica (dínamo). Estes são responsáveis pela geração
das diferentes fontes de energia. Além disso, possui um módulo de consumo de energia, que é
utilizado para simular diferentes cargas sobre o sistema de geração. Conta ainda com um módulo
para a recepção dos dados produzidos pelos geradores e pelo tratamento dos mesmos, a fim de
enviá-los através de um microcontrolador à porta serial do computador. O dispositivo de aquisição
de energia solar está acoplado a um mecanismo motor que movimenta as placas de aquisição de
energia a fim de obter um máximo aproveitamento da quantidade de luz disponível.
O programa é responsável pelo monitoramento da energia gerada e consumida pelo respectivo
módulo de consumo. O software recebe através da porta serial os dados necessários para a
visualização na tela do computador.
Palavras chave:
Energias alternativas, energia eólica, energia hidráulica, energia solar
INDEPENDENT MANAGEMENT ALTERNATIVE SOURCE OF ENERGIES
ABSTRACT
The project in question is the automatic management of alternative energy sources, among them:
source of wind energy, a source of hydropower and solar energy source. The proposed system is
responsible for constant monitoring of renewable energy produced by various sources, indicating
an interconnected system for which the source that is producing adequate energy patterns before
the second set by the user. The same is composed of a circuit of acquisition and a program of
analysis of data obtained.
The hardware consists of electro-mechanical components for the generation of solar energy
(photovoltaic cell), wind (dynamo) and hydraulic (generator). They are responsible for the
generation of different sources of energy. Also has a module of power consumption, which is used
to simulate different loads on the system of generation. Also includes a module for the reception of
data produced by generators and the processing of applications, in order to send them via a
microcontroller of the computer. The device purchase of solar energy is coupled to an engine
mechanism that moves the plates of purchasing power in order to obtain the maximum recovery of
the amount of light available.
The program is responsible for tracking the energy generated and consumed by their consumption
module. The software via the serial port receives the necessary data for display on the computer
screen.
Key words:
Alternative energies, aeolian energy, hydraulical energy, solar energy
SUMÁRIO
Lista de Figuras............................................................................................................................19
Lista de Tabelas ............................................................................................................................20
Lista de Siglas...............................................................................................................................21
Lista de Símbolos..........................................................................................................................22
1 - Introdução ...............................................................................................................................13
1.1 Introdução ao tema do projeto ......................................................................................................... 13
1.2 Motivação do Desenvolvimento ........................................................................................................ 14
2 - Fundamentação Teórica.........................................................................................................15
2.1 Energia Elétrica ................................................................................................................................. 15
2.2 Energia Solar...................................................................................................................................... 15 • 2.2.1 Célula Fotovoltaica ................................................................................................... 16 • 2.2.2 Silício Policristalino.................................................................................................. 16
2.3 Energia Eólica .................................................................................................................................... 17
2.4 Energia Hidráulica ............................................................................................................................ 18
2.5 Microcontrolador............................................................................................................................... 19
2.6 Motor de Passo................................................................................................................................... 19 • 2.6.1 Funcionamento do motor de passo ........................................................................... 20
3 – Especificação do Projeto ........................................................................................................21
3.1 Especificação do Hardware ............................................................................................................... 21 • 3.1.1 Módulo de aquisição de Energias – Aquisição da Energia Hidráulica..................... 22 • 3.1.2 Módulo de aquisição de Energias – Aquisição da Energia Eólica............................ 22 • 3.1.3 Módulo de aquisição de Energias – Aquisição da Energia Solar ............................. 23 • 3.1.4 Módulo Controlador das energias geradas................................................................ 24 • 3.1.5 Módulo de aquisição de sinais .................................................................................. 24 • 3.1.6 Módulo de Consumo de Energia............................................................................... 25 • 3.1.7 Módulo de Obtenção da Melhor Posição Solar ........................................................ 25 • 3.1.8 Módulo para acionamento do motor de passo ......................................................... 25 • 3.1.9 Restrições de Hardware............................................................................................ 25
3.2 Especificação do Software ................................................................................................................. 26 • 3.2.1 Funções do Sotware .................................................................................................. 26 • 3.2.2 Ambiente de desenvolvimento.................................................................................. 27 • 3.2.3 Restrições do Software.............................................................................................. 27
3.3 Análise de Custos ............................................................................................................................... 27
4 – Desenvolvimento e Implementação .......................................................................................28
4.1 Projeto do Hardware.......................................................................................................................... 28 • 4.1.1 Microcontrolador ...................................................................................................... 28 • 4.1.2 Módulo de amostragem da melhor fonte geradora ................................................... 32 • 4.1.3 Módulo responsável pela utilização da fonte geradora selecionada ......................... 33
• 4.1.4 Módulo para acionamento do Motor de Passo.......................................................... 35 • 4.1.5 Módulo de posicionamento da célula solar............................................................... 35 • 4.1.6 Módulo de captura de energia eólica ........................................................................ 37 • 4.1.7 Alimentação dos Circuitos ........................................................................................ 38
4.2 Projeto do Software............................................................................................................................ 40 • 4.2.1 Computador............................................................................................................... 40 • 4.2.2 Funcionamento.......................................................................................................... 40
5 – Validação e Resultados ..........................................................................................................47
• 5.1 Teste do Hardware ...................................................................................................... 47 • 5.2 Teste do Firmware do Microcontrolador..................................................................... 48
6 - Cronograma de Desenvolvimento. .........................................................................................51
7 - Diagrama em Blocos...............................................................................................................52
8 – Conclusão ...............................................................................................................................53
9 - Referências Bibliográficas......................................................................................................54
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Célula de silício policristalino utilizada para a captura da energia solar........................ 17 Figura 2 – Esquema de geração por meio de indução eletromagnética .......................................... 18 Figura 3 - Pinagem do Microcontrolador PIC16F877A da Microchip ........................................... 19 Figura 4 - PM35L-048 Motor de Passo Utilizado do fabricante Minebea...................................... 20 Figura 5 - Representação Gráfica do Projeto dividida em módulos ............................................... 21 Figura 6 - Esquemático da geração Hidraulica ............................................................................... 22 Figura 7 - Esquemático Gerador Eólico.......................................................................................... 23 Figura 8 - Esquemático Geração Solar............................................................................................ 23 Figura 9 – Fluxograma de funcionamento do Software .................................................................. 26 Figura 10 - Placa do Microcontrolador vista Superior .................................................................... 29 Figura 11 - Placa do Microcontrolador vista Inferior ..................................................................... 29 Figura 12 - Esquemático do Microprocessador e do sitema de comunicação serial....................... 30 Figura 13 - Layout da Placa do Microcontrolador .......................................................................... 30 Figura 14 – Fluxograma do Firmware ............................................................................................ 32 Figura 15 - Módulo que indica qual o melhor gerador atualmente ................................................. 33 Figura 16 - Módulo de seleção da fonte a ser utilizada................................................................... 34 Figura 17 - Esquemático de Seleção da fonte alternativa ............................................................... 34 Figura 18 - Módulo de Acionamento do Motor de Passo ............................................................... 35 Figura 19 - Módulo de Posicionamento da Célula Solar ................................................................ 36 Figura 20 - Módulo de captura de energia eólica – Vista do Gerador Eólico................................. 37 Figura 21 - Módulo de captura de energia eólica – Vista do Gerador de Ar .................................. 38 Figura 22 - Fonte de Energia 9V..................................................................................................... 39 Figura 23 – L7805 para transformar para 5V................................................................................. 39 Figura 24 - Tela inicial do software ................................................................................................ 40 Figura 25 – Seleção da porta serial a ser usada............................................................................... 41 Figura 26 – Tela com os dados obtidos das fontes.......................................................................... 42 Figura 27 - Limite Máximo Atingido.............................................................................................. 43 Figura 28 - Limite Mínimo Atingido .............................................................................................. 43 Figura 29 - Tela de Ajuda - Sobre................................................................................................... 44 Figura 30 - Diagrama de Caso de Uso ............................................................................................ 45 Figura 31 - Diagrama de Sequência ................................................................................................ 45 Figura 32 - Diagrama de Classe ...................................................................................................... 46 Figura 33 – Teste do Hardware ...................................................................................................... 47 Figura 34 - Escolha da Melhor Fonte.............................................................................................. 48 Figura 35 – Teste do Firmware do Microprocessador.................................................................... 49 Figura 36 – Teste do Firmware – Retorno de comandos enviados ................................................. 49 Figura 37 – Diagrama em Blocos.................................................................................................... 52
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Tabela de Custos do projeto........................................................................................... 27 Tabela 2 – Comando enviados pelo software.................................................................................. 31
LISTA DE SIGLAS
NCET- Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas
UP –Universitade Positivo
LED – Diodo Emissor de Luz (Light Emitting Diode)
LISTA DE SÍMBOLOS
ΩΩΩΩ - ohm
V - Volts
A - Ampère
A/D – Analógico/Digital
CC – Corrente Continua
CA – Corrente Alternada
13
1 - INTRODUÇÃO
1.1 Introdução ao tema do projeto
O projeto consiste no desenvolvimento, na aquisição e no gerenciamento de fontes alternativas
de energias. O gerenciamento das fontes de energias se dará de modo autônomo, isto é, de modo
que não seja necessária a intervenção humana para o funcionamento dos dispositivos.
O trabalho se divide em três partes:
• A primeira parte é referente à aquisição e conversão das fontes de energias.
Nesta parte é feita a aquisição das fontes alternativas de energia, bem como a conversão
destas para que se possa fazer o controle das mesmas.
• A segunda se dá pelo gerenciamento das fontes de energia e na amostragem das mesmas.
Nesta parte é feito o gerenciamento das fontes, isto é, será escolhida qual das fontes vai
ser utilizada e é feita a amostragem de quanta tensão está sendo produzida pelas fontes
alternativas.
• A terceira é à parte do consumo de energia.
Essa parte é responsável pelo consumo de energia da fonte que foi selecionada.
O projeto de hardware consiste no desenvolvimento de fontes de energias alternativas, incluindo
a obtenção dos dados relativos a geração de energia de cada uma das fontes. A responsabilidade
da obtenção e do envio dos dados ao computador se dará pelo microcontrolador PIC16F877A
pela porta serial do computador. O hardware contará ainda com um sistema para a
movimentação do sistema de captura solar para a melhor obtenção de energia.
O microcontrolador fará a conversão das informações de analógica para digital através de rotinas
próprias que fazem parte de seu funcionamento.
O consumo de energia se dará por simulação, será criado um sistema para simular o consumo das
energias, o hardware para a implementação desse módulo será constituído por LED’s, lâmpadas
ou potenciômetros.
O projeto do software consiste no tratamento dos dados recebidos pela porta serial e na
amostragem dos mesmos na tela do microcomputador. Este indicará quanto está sendo gerado
14
pelas fontes e quanto o módulo de consumo de energia está consumindo. Conta ainda com um
sistema que permite ao usuário definir um patamar máximo e mínimo de geração, se um desses
patamares for atingido o sistema emitira por meio sonoro e visual um sinal de aviso para que
sejam tomadas as devidas providencias.
1.2 Motivação do Desenvolvimento
A motivação para a realização do projeto foi a de que com o melhor gerenciamento das energias
alternativas, têm-se menos gastos com as energias consumíveis.
As fontes de energias consumíveis (combustíveis fósseis, por exemplo, o petróleo) um dia irão se
esgotar, por esse motivo tem-se nas fontes alternativas de energias uma alternativa, que um dia
se tornarão mais viáveis.
Com as fontes alternativas as pessoas de localidades distantes e isoladas poderão ter energia
elétrica à sua disposição, famílias de lugares isolados poderão desfrutar de eletricidade.
15
2 - FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 Energia Elétrica
É uma forma de energia que é baseada na geração de diferenças de potencial elétrico entre dois
pontos estabelecendo uma corrente elétrica entre ambos. Utilizando transformação adequada é
possível obter energias finais de uso direto, em forma de luz, movimento ou calor.
Na natureza a forma mais habitual da presença da energia elétrica é pelas tempestades elétricas.
As principais formas de geração de energia elétrica aproveitam um movimento rotatório para
gerar corrente alternada em um alternador. O movimento rotatório pode vir de uma fonte de
energia mecânica direta, como a corrente de uma queda de água ou o vento, ou de um ciclo
termodinâmico. No ciclo termodinâmico é aquecido um fluido que faz mover um motor ou uma
turbina. O calor deste processo se obtém mediante a queima de combustíveis fósseis, as reações
nucleares ou outros processos.
A eletricidade pode ser produzida em grandes quantidades a partir de diversas fontes. Calor na
forma de reação nuclear (central nuclear), nascentes hidrotermais (central geotérmica), queima
de resíduos orgânicos (incinerador) e queima de outros tipos de combustíveis (central
termoelétrica). Luz proveniente da luz Solar (célula fotoelétrica). Movimento gerado pelo vento
(aerogerador), motor (gerador) e ondas do mar (central talassomotriz). Peso, maré (central
talassomotriz) e água dos rios (turbina hidráulica). Química, reações químicas (célula
eletrolítica). (LOPEZ, 2002)
2.2 Energia Solar
É a designação dada a qualquer tipo de captação de energia luminosa proveniente do Sol, e
posterior transformação dessa energia captada em alguma forma utilizável pelo homem.
Os métodos de captura da energia solar classificam-se em diretos ou indiretos.
16
No método direto há apenas uma transformação para fazer da energia solar um tipo de energia
utilizável pelo homem.
No método indireto há mais de uma transformação para que se tenha energia utilizável.
• 2.2.1 Célula Fotovoltaica
A célula fotovoltaica é um dispositivo utilizado como gerador de energia elétrica, a célula obtem
a energia convertendo a energia luminosa proveniente do Sol.
O funcionamento da célula fotovoltaica é semelhante ao de um diodo fotosensível, ele se baseia
nas propriedades dos materiais semi-condutores.
A célula é composta por duas diferentes camadas de semi-condutores que são dopados de
maneiras diferentes. Na camada N existe excesso de elétrons e na camada P existe défice de
elétrons, desta maneira existe uma diferença de potencial entre as duas camadas. Ao incidir luz
sobre a célula fotovoltaica, os elétrons são orientados e fluem da camada P para a camada N,
criando assim uma diferença de potencial ao qual chamamos de Efeito Fotovoltáico. Ao ligar as
duas extremidades do silício por um fio haverá a circulação de elétrons. Enquanto houver a
incidencia de luz na célula esse fluxo irá se manter. (BRITO, 2008)
• 2.2.2 Silício Policristalino
As células de silício policristalino, mostradas na Figura 1, são mais baratas que as de silício
monocristalino. A eficiência é menor em comparação as células de silício monocristalino.
De acordo com a empresa CRESESB a eficiência máxima alcançada ao longo dos anos com o
processo de fabricação é de 12,5% em escalas industriais.
17
Figura 1 - Célula de silício policristalino utilizada para a captura da energia solar
Fonte: http://www.cresesb.cepel.br/ (2008).
2.3 Energia Eólica
É a energia proveniente do vento, ou seja, ar em movimento.
Atualmente a energia eólica é uma das mais promissoras fontes naturais, principalmente porque
é renovável, limpa, amplamente distribuída globalmente, e se utilizada para substituir fontes de
combustível-fósseis auxilia na redução do efeito estufa. E turbinas eólicas podem ser utilizadas
em conexão com redes elétricas ou em lugares isolados.
A energia eólica no Brasil é bastante utilizada para o bombeamento de água na irrigação, porem
quase não existe usinas eólicas produtoras de energia elétrica.
Foi em Pernambuco o desenvolvimento do primeiro projeto de geração eólica no Brasil, na ilha
de Fernando de Noronha, para garantir o fornecimento de energia para a ilha que antes só
contava com um gerador movido a diesel. (LOPEZ, 2002)
A energia eólica convertida em energia elétrica é produzida por um aerogerador. Esse tipo de
gerador tem-se popularizado rapidamente pelo fato de que a energia eólica é um tipo de energia
renovável, é também considerada uma “energia limpa” já que não requer uma combustão que
produza resíduos poluentes nem a destruição de recursos naturais.
18
2.4 Energia Hidráulica
É a energia geralmente produzida por uma usina hidrelétrica. A usina hidrelétrica é um conjunto
de obras e de equipamentos que produzem energia elétrica através do aproveitamento do
potencial hidráulico existente em um rio.
O Brasil está atrás apenas do Canadá e Estados Unidos em potencial hidroelétrico. Há alguns
impactos ambientais como o alagamento das áreas vizinhas, aumento no nível dos rios, em
algumas vezes pode mudar o curso do rio represado, podendo, ou não, prejudicar a fauna e a
flora da região. Porem ainda é um tipo de energia mais barata e menos agressiva ambientalmente
do que outras formas de obtenção de energia como a energia nuclear ou queima de combustíveis
fosseis.
A energia hidráulica é convertida em energia elétrica por meio de um gerador. Que funcionam
por meio de indução eletromagnética, isto é, é produzida uma voltagem quando é exposto a um
campo magnético variável, ou um meio móvel a um campo magnético estável, a Figura 2 mostra
o esquema de geração por meio de indução eletromagnética.
Figura 2 – Esquema de geração por meio de indução eletromagnética
19
2.5 Microcontrolador
O microcontrolador a ser utilizado no projeto é o PIC16F877A, sua pinagem pode ser vista na
Figura 3, este foi escolhido por possuir entradas de conversão A/D que serão utilizadas no
projeto e pelo seu baixo custo.
Figura 3 - Pinagem do Microcontrolador PIC16F877A da Microchip
Fonte: http://www.microchip.com (2008)
2.6 Motor de Passo
O motor de passo é um tipo de motor elétrico que são construídos para fornecer movimentos
intermitentes de rotação em seu eixo. Eles são utilizados quando algo tem que ser posicionados
muito precisamente ou rotacionado em ângulos exatos. Foi utilizado um motor de passo do
fabricante Minebea, a Figura 4 mostra o motor utilizado no projeto.
20
Figura 4 - PM35L-048 Motor de Passo Utilizado do fabricante Minebea
De acordo com o fabricante o número de steps por rotação é de 48 sendo de 7,8 graus cada step.
O motor pode ser configurado para funcionar como Bipolar e Unipolar, ele funciona com até
24V de tensão.
• 2.6.1 Funcionamento do motor de passo
Os motores de passo são controlados por meio de uma série de campos eletromagnéticos que são
ativados e desativados eletronicamente. Eles possuem um número fixo de pólos magnéticos que
determinam o número de passos por revolução.
Para que o motor de passo funcione corretamente este deve ser ligado a um circuito que execute
a sequência requerida pelo motor.
De acordo com a frequência em que os pulsos são enviados ao motor de passo pode-se controlar
a velocidade com que o motor vai girar.
Os motores de passo tem três tipos básicos de movimento o de passo inteiro, o de meio passo e o
micropasso. A movimentação vai depender de quais pólos magnéticos serão acionados.
21
3 – ESPECIFICAÇÃO DO PROJETO
O sistema será capaz de gerenciar várias fontes de energias, alternando quando for necessário de
forma autônoma, dependendo da demanda de energia, isto é, o sistema comutará as linhas de
energia de uma matriz energética conforme a demanda de energia.
No hardware de obtenção da energia solar terá um sistema que obterá a melhor incidência solar,
isto é, fazendo com que seja pego a maior quantidade de energia disponível no ambiente de
captura.
O projeto terá um sistema monitor, este irá monitorar todos os dados. Este sistema terá um
controle do consumo e da capacidade de cada um das fontes de energia. Contará ainda com um
sistema que permite ao usuário definir um patamar máximo e mínimo de geração, se um desses
patamares for atingido será emitido por meio sonoro e visual um sinal de aviso para que sejam
tomadas as devidas providências.
3.1 Especificação do Hardware
O Hardware é divido em módulos a Figura 5 demonstra um breve resumo de como é a divisão
de cada módulo, a seguir será mostrado as funções e uma breve descrição de cada módulo.
Figura 5 - Representação Gráfica do Projeto dividida em módulos
22
• 3.1.1 Módulo de aquisição de Energias – Aquisição da Energia Hidráulica
O módulo de aquisição de Energia Hidráulica deve fazer a aquisição da energia hidráulica.
Fazendo com que a força da água faça girar uma turbina que esta irá fazer com que um gerador
gere uma tensão que será utilizada posteriormente de acordo com os critérios estabelecidos pelo
módulo controlador das energias geradas. A Figura 6 mostra um esquema de como poderia ser
feito o sistema de aquisição da energia hidráulica.
Figura 6 - Esquemático da geração Hidraulica
Fonte: www.fisicalegal.net/enem/enem1_clip_image008 (2007)
O Gerador Hidraulico contém:
- Turbina
- Gerador
• 3.1.2 Módulo de aquisição de Energias – Aquisição da Energia Eólica
O módulo de aquisição de Energia Eólica deve fazer a aquisição da energia eólica. Fazendo com
que a força do vento faça com que um gerador gere uma tensão que será utilizada posteriormente
de acordo com os critérios estabelecidos pelo módulo controlador das energias geradas. A Figura
7 mostra o esquema de como poderia ser feito um gerador eólico.
23
Figura 7 - Esquemático Gerador Eólico
Fonte: (Energia Eólica - Ricardo Aldabó)
No projeto foi utilizado como gerador Eólico coolers de computador.
• 3.1.3 Módulo de aquisição de Energias – Aquisição da Energia Solar
O módulo de aquisição de Energia Solar deve fazer a aquisição da energia solar. Fazendo com
que a energia proveniente do Sol seja adquirida por uma célula solar e esta gere uma tensão que
irá ser aproveitada de acordo com o módulo controlador das energias geradas. A Figura 8 mostra
um esquema de como poderia ser feito o sistema de geração solar.
Figura 8 - Esquemático Geração Solar
Fonte: (Energia Solar - Ricardo Aldabó)
24
O projeto do Gerador solar contém:
- Painel Solar
- Mecanismo para movimentação para melhor aquisição da energia solar
• 3.1.4 Módulo Controlador das energias geradas
O controlador deverá receber os dados de geração de energia pelo módulo de aquisição de sinais
dos dispositivos geradores e de acordo com o consumo pelo módulo de consumo de energia,
comutar as linhas afim de estabelecer a melhor forma para suprir a demanda gerada pelo módulo
de consumo. Realizar o tratamento do sinal adquirido dos dispositivos geradores enviando-os
para o microcomputador.
É responsável pela comunicação dos geradores com o microcomputador.
Componentes:
- PIC 16F877A.
- Interface serial para comunicação dos dados entre o microcomputador e o microcontrolador.
- Resistores diversos
- Diodos diversos
Foi escolhido o microcontrolador PIC 16F877A pois este contem oito entradas de conversão A/D
e pelo seu baixo custo. Alem de ser de fácil programação, aceitando o C como linguagem de
programação.
• 3.1.5 Módulo de aquisição de sinais
É responsável por receber os dados provenientes dos geradores de energias e enviá-los para o
Controlador das energias geradas/simulada, para que os mesmo sejam processados pelo módulo
controlador das energias geradas.
O controle de qual fonte alternativa de energia será utilizada é feita pegando a fonte que estiver
gerando mais tensão, o microcontrolador de posse dessa informação irá mandar um sinal por
25
uma das portas para que o um hardware responsável por comutar as tensões faça a comutação
das fontes alternativas de energia.
• 3.1.6 Módulo de Consumo de Energia
É responsável pelo consumo de energia, este contará com dispositivos para consumo de energia,
como por exemplo LED’s e potenciômetros.
• 3.1.7 Módulo de Obtenção da Melhor Posição Solar
É responsável pelo posicionamento da célula solar para a obtenção da melhor captação de
energia, este contará com dispositivos mecânicos para movimentar a célula solar.
• 3.1.8 Módulo para acionamento do motor de passo
É responsável pelo acionamento do motor de passo, este contendo a lógica necessária para o
acionamento do mesmo.
• 3.1.9 Restrições de Hardware
As restrições na parte de hardware se dá a possíveis limitações dos componentes envolvidos no
projeto.
Há restrições à quantidade de fontes geradoras, pelo fato de que há quantidade máxima de
conexões que o PIC16F877 suporta.
26
3.2 Especificação do Software
O software receberá através da porta serial do microcomputador os dados a serem visualizados
no programa, este converterá as informações recebidas pela porta serial para a visualização no
microcomputador. Será responsável ainda pelo controle de um sistema que de acordo com um
límite máximo e um limite mínimo selecionados ative um sinal sonoro e um sinal visual,
informando que um dos limites foi atingido.
• 3.2.1 Funções do Sotware
O software para o sistema deverá ser capaz de realizar a seguinte função:
- Receber as informações e monstrar na tela de um microcomputador;
- Receber parâmetros para a geração máxima e mínima de energia, se um desses parâmetros
forem atingidos o software terá que emitir um aviso visual ao monitor.
Figura 9 – Fluxograma de funcionamento do Software
27
• 3.2.2 Ambiente de desenvolvimento
O software está sendo desenvolvido em linguagem C++ com a ferramenta C++ Builder 6, da
Borland. Desenvolvido para rodar na plataforma Windows.
• 3.2.3 Restrições do Software
O software foi desenvolvido para apenas pegar duas fontes alternativas de energia, se for para
controlar mais de duas o software terá que receber as devidas modificações.
O tempo de aquisição dos sinais está em meio segundo, o mesmo não poderá ser diminuido
infinitamente pois se tem uma demora entre se mandar o sinal e este receber o retorno do
microcontrolador. O tempo mínimo necessário não foi estimado.
3.3 Análise de Custos
Foi realizada uma análise de custos do projeto, os valores da Tabela 1 mostram quanto foi gasto
com materiais e qual o foi o valor aproximado das horas de trabalho e dos software envolvidos
para a implementação do projeto.
Descrição Quantidade Custo Unitário Total
Horas de Trabalho 500 R$ 12,00 R$ 6.000,00
Plataforma de
Desenvolvimento
C++ Borland Builder
1 R$ 2.500,00 R$ 2.500,00
PIC16F877A 1 R$ 20,00 R$ 20,00
Célula Solar 4 R$ 40,00 R$ 160,00
Dínamo 1 R$ 19,90 R$ 19,90
Resistores Diversos
Diodos Diversos
Componentes Diversos
1 R$ 156,45 R$ 156,45
Office 2003 1 R$ 650,00 R$ 650,00
Windows XP Professional 1 R$ 699,00 R$ 699,00
Total R$ 10.205,35
Tabela 1 - Tabela de Custos do projeto
28
4 – DESENVOLVIMENTO E IMPLEMENTAÇÃO
4.1 Projeto do Hardware
No projeto de hardware é feita a captura das energias alternativas geradas, sendo feito o
processamento das mesmas. É feito o sistema de posicionamento da célula solar.
O Projeto de hardware se divide nas seguintes partes:
• Microcontrolador
• Módulo de amostragem da melhor fonte geradora
• Módulo responsável pela utilização da fonte geradora selecionada
• Módulo de posicionamento da célula de energia solar
A seguir irei falar de cada uma das partes com mais detalhes.
• 4.1.1 Microcontrolador
O Microcontrolador é responsável pela comunicação serial, pela leitura das tensões corretas e
pelo acionamento correto de qual fonte alternativa de energia será acionada. A Figura 10 mostra
a placa do microcontrolador tendo como vista superior, e a Figura 11 mostra a parte de baixo da
placa do microcontrolador.
Na Figura 12 se tem o esquemático da placa do microcontrolador mostrando o microprocessador
juntamente com o do sistema de comunicação serial e na Figura 13 tem-se o layout da placa do
microcontrolador.
29
Figura 10 - Placa do Microcontrolador vista Superior
Figura 11 - Placa do Microcontrolador vista Inferior
30
Figura 12 - Esquemático do Microprocessador e do sitema de comunicação serial
Figura 13 - Layout da Placa do Microcontrolador
31
O protocolo de comunicação entre o microcontrolador e o computador foi desenvolvido da
seguinte maneira. O computador envia um comando pela porta serial para o microcontrolador,
este recebe, processa e envia o resultado para o computador.
Código Descrição
A Comando para o envio da tensão do gerador 1 para a serial.
B Comando para o envio da tensão do gerador 2 para a serial.
C Comando para o envio da tensão do consumidor para a serial.
N Comando para avisar que o patamar estabelecido está normal.
W Comando para avisar que um dos patamares foi atingido.
Tabela 2 – Comando enviados pelo software
O firmware foi desenvolvido usando o software MPLAB IDE v7.52, utilizando-se da linguagem
de programação C. A Figura 14 mostra o fluxograma do firmware, ele lê as tensões dos
geradores e de acordo com qual fonte alternativa estiver gerando mais tensão é feita a seleção da
fonte, para a fonte alternativa solar é feita a captura das tensões de duas células solares que são
responsáveis pela movimentação das células solares, fazendo com que se faça a movimentação
das células.
32
Figura 14 – Fluxograma do Firmware
O microcontrolador espera até que um dos comandos seja recebido, ao verificar que o comando
foi enviado este irá processar e mandar para a serial o código de 0 a 255, referente à tensão que
foi pega pelo microcontrolador, logo após este envia dois espaços. Estes espaços são necessários,
pois o microcontrolador irá enviar somente um, dois ou três dígitos de acordo com a referência
dos sinais recebidos pelas fontes geradoras, o que faz com que no software que irá receber os
dados possa se perder, pois pode conter “lixo” depois de um ou dois dígitos.
O microcontrolador de posse das informações recebidas pelas fontes geradoras escolherá qual
das fontes alternativas estiver melhor para fornecer energia para o módulo de consumo de
energia. Esta escolha é feita pegando como base os níveis de tensões dos geradores, o gerador
que estiver com o maior nível de tensão será escolhido para fornecer energia. O
microcontrolador irá enviar um sinal por uma das portas do microprocessador este fazendo com
que o hardware de escolha da melhor fonte alternativa comute tendo a fonte alternativa que
estiver gerando mais tensão seja a fonte que forneça energia.
Para o aviso sonoro, o software manda um sinal para o hardware para que o mesmo acione um
buzzer.
• 4.1.2 Módulo de amostragem da melhor fonte geradora
O microcontrolador envia um sinal de qual a melhor fonte geradora, o módulo apresenta a fonte
de melhor sinal por meio de um LED, o qual acenderá indicando qual a fonte a ser usada.
A Figura 15 mostra o módulo que indica qual fonte alternativa de energia está gerando mais
tensão. O módulo indica por meio de LED’s qual é a fonte que está com a maior tensão.
33
Figura 15 - Módulo que indica qual o melhor gerador atualmente
• 4.1.3 Módulo responsável pela utilização da fonte geradora selecionada
De acordo com a selação da melhor fonte geradora pelo microcontrolador o mesmo irá enviar um
sinal para que seja utilizada uma das fontes alternativas.
O microcontrolador enviará um sinal selecionando qual das fontes alternativas está melhor apta a
fornecer energia, e por meio de relés Figura 16 será feito a comutação entre as fontes.
34
Figura 16 - Módulo de seleção da fonte a ser utilizada
Na Figura 17 tem-se um diagrama mostrando como foi montado o módulo de seleção da fonte a
ser utilizada, bem como as entradas das fontes alternativas e a saída das mesmas. Os pinos
indicados como Seleção é onde será recebido o sinal para fazer a seleção de qual dos relés será
selecionado, nos pinos com FA (Fonte Alternativa) é o pino que recebe a tensão das fontes
alternativas. De acordo com o sinal recebido no pino de seleção o relé será acionado e este fará
com que a tensão em FA esteja disponível na Saída.
Figura 17 - Esquemático de Seleção da fonte alternativa
35
• 4.1.4 Módulo para acionamento do Motor de Passo
O módulo para o acionamento do motor de passo executará uma lógica para o acionamento do
motor. O mesmo conta com duas entradas para o acionamento do motor, sendo esses:
• Passo – Responsável por enviar ao motor uma sequência para o mesmo executar um
único passo.
• Direção - Responsável por indicar a direção que o motor deverá executar um passo.
Figura 18 - Módulo de Acionamento do Motor de Passo
• 4.1.5 Módulo de posicionamento da célula solar
O módulo de posicionamento da célula solar Figura 19 receberá do módulo de acionamento do
motor de passo um comando com a direção e o passo a ser realizado.
36
O módulo enviará para o microcontrolador o valor das tensões de duas células solares, estas
células são as duas células solares dos cantos, como podem ser vistas na Figura 19, estas tensões
são processados pelo microprocessador que envia se necessário uma sequência para o
acionamento do motor de passo. O acionamento do motor de passo se dará somente se o valor de
uma das células solar for uma porcentagem maior do que a da outra célula. Esta porcentagem é
pré-definida no microcontrolador, sendo necessária uma nova programação se a mesma queira
ser modificada. A porcentagem atual está definida em 50%.
Figura 19 - Módulo de Posicionamento da Célula Solar
Foi realizado ainda no firmware do sistema o controle para que o sistema de posicionamento não
ficasse acionando o motor alem do permitido fisicamente, isto é, foi colocado um contador de
passos para que não fosse excedido o número de passos que o motor pode realizar para cada um
dos lados. Este contador foi definido em relação à quantidade de passos que o motor pode dar
para cada um dos lados obedecendo a limitação física do sistema. Para fins de calibração desse
sistema a posição inicial da célula solar quando este for ligado deverá ser horizontal, isto é,
ambas as células solares que fazem o controle devem estar no mesmo nível horizontal.
37
• 4.1.6 Módulo de captura de energia eólica
O módulo de captura de energia eólica Figura 20 é responsável pela aquisição da energia
proveniente da força do vento. Para a aquisição da energia eólica foi utilizado um cooler de
processador para fazer com que o ar se movimentasse fazendo com que um cooler menor girasse
gerando energia.
Foi criado um sistema para que a movimentação de ar tivesse um fluxo maior, fazendo com que
o cooler menor da Figura 20 girasse com mais facilidade, foi feito um tipo de turbina para este
fim.
A Figura 21 mostra o cooler gerador este sendo de um tamanho maior para que fosse gerado
mais corrente de ar.
Figura 20 - Módulo de captura de energia eólica – Vista do Gerador Eólico
38
Figura 21 - Módulo de captura de energia eólica – Vista do Gerador de Ar
• 4.1.7 Alimentação dos Circuitos
A alimentação dos circuitos se dá por meio de um fonte de energia de 9V Figura 22 , esta sendo
responsável pelo funcionamento do motor de passo e dos demais componentes do sistema.
39
Figura 22 - Fonte de Energia 9V
Para a alimentação do restante do circuito foi utilizado um conversor L7805 que transforma a
energia proveniente da fonte de 9V para a tensão de 5V.
Figura 23 – L7805 para transformar para 5V
40
4.2 Projeto do Software
• 4.2.1 Computador
O software foi desenvolvido no Borland C++ Builder 6, para que rodasse em um PC. A Figura
24 mostra a tela inicial so software.
Figura 24 - Tela inicial do software
• 4.2.2 Funcionamento
Ao inicializar o software o usuário deverá selecionar a porta de comunicação a ser utilizada, a
Figura 25 mostra a aba com as portas que poderão ser escolhidas.
41
Figura 25 – Seleção da porta serial a ser usada
Após ser selecionada a porta o software mandará um dos códigos para o microcontrolador e irá
esperar um pequeno tempo para que o microcontrolador processe e mande os dados requisitados
pelo microcomputador, este recebendo irá converter a informação recebida para que se possa ser
vista em tensão a informação enviada pelo microcontrolador. Após o recebimento e a conversão
o software mandará o código seguinte para que se faça o mesmo procedimento até que sejam
enviados todos os códigos e recomece a sequência.
Na Figura 26 mostra a tela do software com os dados obtidos das fontes alternativas, a tensão
gerada pelos Geradores 1 e 2 e a tensão que está sendo consumida pelo módulo consumidor.
42
Figura 26 – Tela com os dados obtidos das fontes
Recebendo todas as informações e de acordo com o limite pré estabelecido pelo monitor o
mesmo faz a comparação do maior valor disponível entre as fontes geradoras, se este valor não
estiver entre os limites máximo e mínimo os sistema irá emitir sinais de avisos.
Na Figura 27 é apresentada a tela do software indicando uma mensagem de que o limite máximo
foi atingido.
43
Figura 27 - Limite Máximo Atingido
Na Figura 28 é apresentada a tela do software indicando uma mensagem de que o limite mínimo
foi atingido.
Figura 28 - Limite Mínimo Atingido
44
Na Figura 29 é apresentada na Tela do software uma descrição do autor do projeto, o curso e o
ano que o autor estava.
Figura 29 - Tela de Ajuda - Sobre
Funcionalidades do software:
• Limite Máximo
o É o valor máximo para que o sistema não acione os avisos (Sonoro/Visual)
• Limite Mínimo
o É o valor mínimo para que o sistema não acione os avisos (Sonoro/Visual)
• Serial
o É onde se escolhe qual porta serial vai ser utilizada para o tráfego de dados.
• Fechar
o A janela é fechada e o programa é encerrado
• Sobre
o É apresentado uma janela com informações do autor do software.
Na Figura 30 é apresentado o diagrama de casos de uso, nele é mostrado os requisitos funcionais
do sistema. O que o úsuario pode fazer com o sistema, isto é, qual a interação que o sistema vai
ter com o usuário.
45
Figura 30 - Diagrama de Caso de Uso
Na Figura 31 é mostrado o diagrama de sequência do software, ele demonstra as interações do
usuário com o sistema.
Figura 31 - Diagrama de Sequência
46
Na Figura 32 tem-se o diagrama de classe, é ilustrada as especificações de software para as
classes e interfaces incluindo atributos e métodos das classes representadas. Para o sistema foram
utilizadas 2 classes.
Figura 32 - Diagrama de Classe
47
5 – VALIDAÇÃO E RESULTADOS
• 5.1 Teste do Hardware
O Hardware foi testado com o auxílio de geradores solar e cooler de computador. Os testes com
dínamos que fariam a parte do gerador eólico e hidráulico se mostraram ineficientes, o dínamo
utilizado não alcançou a eficiência para gerar tensão suficiente para os testes, bem como o
mesmo não girava com facilidade, dificultando a geração de energia. Por esse motivo os testes
não foram usados dínamos e sim cooler de computador.
Figura 33 – Teste do Hardware
Na Figura 33 foi feito os testes, no caso o primeiro gerador está com valor maior e este está
gerando a tensão para a saída.
48
Figura 34 - Escolha da Melhor Fonte
Na Figura 34 mostra que a Fonte Alternativa 2 está gerando mais energia, fazendo que um LED
seja aceso.
• 5.2 Teste do Firmware do Microcontrolador
O Firmware do microcontrolador foi testado primeiramente pelo programa Proteus em sua
versão de demonstração, e posteriormente na placa feita.
O programa Proteus é desenvolvido pela Labcenter Electronics. O programa faz a simulação de
circuitos em tempo real, ele é uma ferramenta de simulação de projetos em geral.
49
Figura 35 – Teste do Firmware do Microprocessador
A Figura 35 mostra o teste no programa Proteus, simulando os valores que o hardware poderia
assumir, isto é o primeiro gerador estar gerando mais que o segundo, o segundo gerador estar
gerando mais que o primeiro e no caso em que os dois geradores estiverem gerando tensões
iguais.
Figura 36 – Teste do Firmware – Retorno de comandos enviados
A Figura 36 mostra o resultado do envio dos comandos ‘A’, ‘B’ e ‘C’.
50
Foi testado com o auxilio de multimetros os valores gerados e passados para o microcomputador,
assim validando a real integração do software e do hardware.
51
6 - CRONOGRAMA DE DESENVOLVIMENTO.
Foi realizado um cronograma no início do projeto para que se tivesse uma noção de tempo a ser
gasto, quanto tempo iria ter para a conclusão de cada etapa a ser cumprida.
52
7 - DIAGRAMA EM BLOCOS
Na Figura 37 tem-se o diagrama em blocos do sistema. Os geradores geram as tensões que são
lidas pelo Microcontrolador, mais especificamente pelo PIC 16F877A, este por sua vez envia
envia para a serial os dados recebidos ao microcomputador que recebe e faz a conversão e
amostragem das tensões recebidas para a tela.
Figura 37 – Diagrama em Blocos
53
8 – CONCLUSÃO
Analisando o andamento do projeto, foi verificado que foi possível realizar de forma simples a
criação do protocolo de comunicação entre o microcomputador e o microcontrolador através da
interface serial, e que é possível realizar de maneira eficiente a aquisição das tensões das fontes
alternativas de energia.
Houve problema em relação à obtenção da energia eólica e da energia hidráulica, estas não
estavam sendo geradas satisfatoriamente, sendo modificados os componentes iniciais (dínamos)
por um cooler de processador. O mesmo sendo feito um sistema para melhorar a circulação de ar
para que o mesmo fosse suficientemente forte para fazer outro cooler de dimensão menor gerar
energia.
Outro problema encontrado foi em relação ao circuito de posicionamento da célula solar, as
células solares que fazem com que o motor de passo gire para um lado ou para o outro não
geravam tensão com a mesma intensidade, fazendo com que o sistema não tivesse o resultado
esperado. Esta deficiência foi resolvida colocando-se potenciômetros para fazer com que o sinal
emitido pelas células solares fosse praticamente igual.
Os resultados obtidos no projeto foram satisfatórios, pois as metas que foram definidas no inicio
do projeto foram alcançadas.
Para propostas futuras tem-se como opção fazer a aquisição de mais fontes alternativas de
energia e utilizar um meio para o armazenamento da energia das fontes alternativas que não
sendo utilizadas.
54
9 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BEYOND LOGIC. Interfacing the Serial / RS-232 Port. Disponível em:
<http://www.beyondlogic.org/serial/serial1.htm#40> acesso em: junho de 2008.
CENTRO DE REFERÊNCIA PARA ENERGIA SOLAR E EÓLICA SÉRGIO DE SALVO
BRITO – CRESESB. Tutorial Eólica. Disponível em: <http://www.cresesb.cepel.br/> Acesso
em: maio de 2008.
CENTRO DE REFERÊNCIA PARA ENERGIA SOLAR E EÓLICA SÉRGIO DE SALVO
BRITO – CRESESB. Tutorial Solar. Disponível em: <http://www.cresesb.cepel.br/> Acesso
em: maio de 2008.
Fisica Legal.NET. Disponível em: <www.fisicalegal.net/enem/enem1_clip_image008> Acesso
em Maio de 2007.
LOPEZ, RICARDO ALDABÓ. Energia eólica. São Paulo: Artliber, 2002.
LOPEZ, RICARDO ALDABÓ. Energia solar. São Paulo: Artliber, 2002.
PALZ, WOLFGANG. Energia solar e fontes alternativas. São Paulo: Hemus, 1995.
ROGERCOM. Porta Serial. Disponível em: <http://www.rogercom.com/> Acesso em: Junho de
2008.
Microchip Technology Inc. Disponível em: <http://www.microchip.com> Acesso em: Maio de
2008.
Wikipedia. Disponível em: <http://pt.wikipedia.org/wiki> Acesso em: Maio de 2008.