UNIVERSIDADE FEDERAL

CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGE

-GRAD

RENATA IMACULADA SOARES PEREIRA

REDE DE MONITORAMENTO IOT APLICADA EM PLANTAS DE

TAICA

FORTALEZA

2018

RENATA IMACULADA SOARES PEREIRA

REDE DE MONITORAMENTO IOT APLICADA EM PL O

FOTOVOLTAICA

-

Orientador: Prof. Dr. Paulo Cesar Marques de

Carvalho.

FORTALEZA

2018

RENATA IMACULADA SOARES PEREIRA

REDE DE MONITORAMENTO IOT APLICADA EM PL O

FOTOVOLTAICA

-

Aprovada em: 03/09/2018.

BANCA EXAMINADORA

_________________________________________________________ Prof. Dr. Paulo Cesar Marques de Carvalho (Orientador)

_________________________________________________________

_________________________________________________________ Prof. Dr. Douglas Bressan Riffel

Universidade Federal de Sergipe (UFS) _________________________________________________________

Prof. Dr. Paulo Pe

_________________________________________________________ Prof. Dr. Giovanni Cordeiro Barroso

Dedico este trabalho

AGRADECIMENTOS

eu estava chegando.

Ao meu orientador, Prof. Dr. Paulo Cesar Marques de Carvalho, por acreditar no

sucesso desta pesquisa e dedicar seu tempo e seus valiosos conhecimentos. Ao meu coorientador, Prof. Dr. Sa

essenciais para o desenvolvimento deste trabalho.

pre contribuindo e compartilhando as

r perto muito participativos.

Universidade Federal de Sergipe (UFS), que participaram da defesa desta tese e que

-

- Ao programa conjunto CAPES-

- Brasil (CAPES) -

Processo: 420133/2016-0. Ao Prof. Dr. Ingo Stadler, ao doutorando Sergej Baum e ao grupo de pesquisa do

Prof. Klaus Lambers e do doutorando Johannes Rullof da pela

Albert Einstein

RESUMO

custos associados ao hardware e ao software de dataloggers

ados via

softwares

- - - Alemanha.

principal do presente projeto de tese. Os sistemas

software online,

uso gratuito e se comunicam com um servidor na Nuvem de forma sem fio via WiFi. O uso de

over the air) e armazenar os dados de forma offline com uso do SPIFSS

(SPI Flash File System) e

online dos dados e para

capacidade (FC) da planta de Fortaleza em junho e julho atingiu valores em torno de 21%, com

m/s em julho e em Forta

Palavras-chave: Microg ovoltaica. Rede de monitoramento. Internet das Coisas.

ABSTRACT

The IoT monitoring network developed in this thesis project proposes the reduction of costs

associated with hardware and software of dataloggers and commercial sensing modules that are

imported, have high costs with control and data storage through proprietary software.

Additionally, they have limited sensor connections with low expansion flexibility, restrictive

maintenance to the manufacturer and long cable communication distances. The developed IoT

network was implemented and tested in three photovoltaic (PV) plants grid connected:

Fortaleza - - CE and Cologne - Germany. The IoT monitoring network applied

to PV microgeneration plants installed in different locations can be considered as the main

innovation of this thesis project. The proposed IoT embedded systems are based on free

software, allowing online distribution, free usage and communicate with a server in the Cloud

wirelessly via WiFi. The use of open source and cross-p

OSX) allows greater interaction and accessibility to the user. The proposal made it possible to

program the ESP 32 remotely through OTA (over the air) and to store the data offline using the

SPI Flash File System (SPIFSS) in the case of problems with the server or with WiFi

connection. A web page called Web Monitor was developed for online data consultation and

for real-time monitoring of the three plants. The temperature monitoring of individual PV

modules has the objective of providing data for the analysis of electric generation efficiency

and for failure detection in relation to the overheating of the PV cells. Meteorological data such

as solar irradiance, ambient temperature, relative humidity and wind speed were also monitored

to allow a more complete analysis of the effect of these variables on the temperature response

of the modules. In the obtained results it was verified that the average daily irradiance from

plant in Fortaleza in June and July reached values around 21%, with a minimum of 16% in

, the maximum FC was 17.5% in March and the lowest,

perature measurements show that the edge of the PV module is

Keywords: Photovoltaic Microgeneration. Monitoring network. Internet of Things.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 de um .............................. 25

Figura 2 Perdas na 2

.................................................................... 27

Figura 3 .............................. 38

Figura 4 Perfil PaaS proposto e estrutura do REMS ........................................................... 40

Figura 5 ............................... 42

Figura 6 firmware e scripts ............................................................. 43

Figura 7 Sensores implementados no REMS ...................................................................... 45

Figura 8 Diagrama geral do REMS ..................................................................................... 47

Figura 9 Atualiz ............................................................................. 49

Figura 10 .................................................................................... 50

Figura 11 Menu principal do Web Monitor .......................................................................... 51

Figura 12 Menu Principal do Web Monitor .......................................................................... 52

Figura 13 Rede de monitoramento IoT desenvolvida ........................................................... 59

Figura 14 Monitoramento Alemanha ........................................................ 61

Figura 15 de temperatura ............. 61

Figura 16 Sensor ............................................ 62

Figura 17 ................................................................................. 62

Figura 18 ............................................... 63

Figura 19 ................................................................... 64

Figura 20 .............. 65

Figura 21 Sistema FV de 1,5 kW; primeiro sistema FV conectado .............. 66

Figura 22 Invers String Box............................ 67

Figura 23 no plano inclinado

............................................................................................................................... 67

Figura 24 .................................................... 68

Figura 25 .......................................................................................... 69

Figura 26 Sensor de temperatura ambiente ........................................................................... 69

Figura 27 ESP 32 da planta de Fortaleza ............................................................................... 70

Figura 28 Diagrama ilustrativo da planta de Fortaleza CE ................................................ 70

Figura 29 -100 ......................................................................... 71

Figura 30 .................................................................................. 71

Figura 31 ........................ 72

Figura 32 Diagrama - CE .............................................. 73

Figura 33 ....................................................................................... 73

Figura 34 ...................................... 74

Figura 35 .................................................... 74

Figura 36 .......................... 75

Figura 37 Interface online ........................................ 75

Figura 38 .................. 76

Figura 39 Inversor FV, String Box .................................. 76

Figura 40 Inversor FV e string box ................................................ 80

Figura 41 string box .................................................... 81

Figura 42 Tamanho da placa de desenv

........................................................................................................... 82

Figura 43 Pinos do ESP 32 dev kit ........................................................................................ 83

Figura 44 Diagrama de blocos interno do ESP 32. ............................................................... 84

Figura 45 Desenvolvimento de projeto com ESP 32 ............................................................. 85

Figura 46 ............................................................................... 87

Figura 47 Circuitos de condicionamento .................... 88

Figura 48 .......................................................... 88

Figura 49 circuito PT100 ......................................................... 89

Figura 50 Circuito Multiplexador 8 canais AD com CI 74HC4051 ..................................... 89

Figura 51 .................................................................... 90

Figura 52 P 32 no KiCAD ............. 91

Figura 53 PCI do ESP 32 com componentes soldados .......................................................... 91

Figura 54 LEA-UFC................... 92

Figura 55 .......................... 93

Figura 56 .......................... 93

Figura 57 -a .............. 95

Figura 58 make menuconfig ....................................................... 100

Figura 59 ....................................................... 103

Figura 60 .................................................. 104

Figura 61 ................................................ 107

Figura 62 Co ......................................................................... 108

Figura 63 Diagrama de blocos do ESP 8266 ....................................................................... 109

Figura 64 Pinos da placa de desenvolvimento ESP 8266 implementada ............................ 110

Figura 65 .................................... 110

Figura 66 ESP 8266 e DHT11 implementados ................................................................... 111

Figura 67 ............. 113

Figura 68 ........................................ 113

Figura 69 ................... 114

Figura 70 Interface SCADA do CLP do LEA ..................................................................... 116

Figura 71 Interface com as pastas de trabalho do software Tableau ................................... 118

Figura 72 ......................................... 119

Figura 73 ............................................................................ 174

Figura 74 no projeto de tese proposto. .. 175

Figura 75 ........................................................................... 175

Figura 76 ........................................................................... 176

Figura 77 ........................................................................... 177

Figura 78 ESP 32 conectado ao modem WiFi ..................................................................... 177

Figura 79 ........................................ 183

Figura 80 .................................................... 201

Figura 81 -direto ..................................................... 202

Figura 82 Desenho 3D da planta PVT ................................................................................. 203

...................................................... 52

to de 2016....................... 54

Temperat .......... 54

............................................................................................................................. 55

................................... 55

................................................ 56

Linearidade do conversor AD do ESP 32 ........................................................... 96

- ESP 32 .................. 98

.......... 120

Produtividade mensal das plantas de Fortaleza e Mar ........................... 121

FC mensal d ............................................. 122

................................................... 123

..................................................... 124

................................................... 124

........................ 125

29/03/18 ............................ 126

29/03/18 .................................................................. 126

29/03/18 ...................................... 127

25/03/18 ............... 127

25/03/18 .................................................................. 128

25/03/18 ...................................... 128

20/03/18 ............... 128

20/03/18 .................................................................. 129

maio 2018 .......................... 129

10/05/18 Maraca ................ 130

13/05/18 ................. 130

13/05/18 .................................................................. 131

13/05/18 ...................................... 131

14/05/18 ................. 132

14/05/18 .................................................................. 132

14/05/18 ................................... 132

Velocidade do vento 14/05/18 .................................................. 133

julho 2018 Fortaleza ............................. 134

10/07/18 Fortaleza ................... 135

Irr 10/07/18 Fortaleza..................................................................... 135

10/07/18 Fortaleza ......................................... 135

03/07/18 Fortaleza ................... 136

Irrad 03/07/18 Fortaleza..................................................................... 136

Gr 03/07/18 Fortaleza ...................................... 137

20/07/18 Fortaleza .................... 137

20/07/18 Fortaleza..................................................................... 138

20/07/18 Fortaleza ......................................... 138

fevereiro 2018 Fortaleza ....................... 139

fevereiro 2018 - ..................... 140

12/02/18 Fortaleza ............. 140

12/02/18 Fortaleza..................................................................... 141

12/02/18 Fortaleza ......................................... 141

24/02/18 Fortaleza ............. 142

24/02/18 Fortaleza..................................................................... 142

Tem 24/02/18 Fortaleza ......................................... 142

27/02/18 Fortaleza .............. 143

I 27/02/18 Fortaleza..................................................................... 143

27/02/18 Fortaleza ......................................... 144

........................................... 155

-

........................................................................................................................... 156

- M

........................................................................................................................... 156

Temperatu -

........................................................................................................................... 157

- 157

- Fortaleza ............................ 185

01/03/18 2,6 kWh Fortaleza 186

01/03/18 Fortaleza ......................................... 186

o de 2018 11/03/18 7,3 kWh Fortaleza 186

- 11/03/18 Fortaleza .......................................... 187

03/03/18 9,2 kWh Fortaleza 187

03/03/18 Fortaleza..................................................................... 187

- 03/03/18 Fortaleza .......................................... 188

e energia maio 2018 Fortaleza ............................. 189

24/05/18 3,1 kWh Fortaleza . 190

24/05/18 Fortaleza...................................................................... 190

24/05/18 Fortaleza ......................................... 190

08/05/18 6,6 kWh Fortaleza .. 191

08/05/18 Fortaleza...................................................................... 191

- 08/05/18 Fortaleza ....................................... 191

14/05/18 8,9 kWh Fortaleza .. 192

14/05/18 Fortaleza..................................................................... 192

- 14/05/18 Fortaleza .......................................... 193

julho 2018 .......................... 194

10/07/2018 ............ 194

10/07/18 .................................................................. 195

10/07/18 ...................................... 195

em julho de 2018 04/07/2018 ............. 196

04/07/2018 .............................................................. 196

04/07/2018 .................................. 196

rica em julho de 2018 20/07/2018 ............. 197

20/07/2018 .............................................................. 197

20/07/2018 ............................... 198

fevereiro 2018 - ..................... 199

12/02/18 .......... 199

ca em fevereiro de 2018 24/02/18 5 kWh

........................................................................................................................... 200

26/02/18 7,3 kWh

........................................................................................................................... 200

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 .......................................................... 26

Tabela 2

........................................................................................................ 37

Tabela 3 Consumo de energia do REMS ............................................................................ 44

Tabela 4 Sensores implementados ....................................................................................... 44

Tabela 5 Sistema embarcado e sensores implementados nas plantas da rede IoT .............. 60

Tabela 6 Consumo do ESP 32 ............................................................................................. 84

Tabela 7 .............................. 86

Tabela 8 ...................................................... 90

Tabela 9 ................................................................... 92

Tabela 10 -amplificador conectados ao AD .......... 94

Tabela 11 .......................................................................... 97

Tabela 12 ................................................................. 101

Tabela 13 ................................................................. 102

Tabela 14 Consumo do ESP 8266 ....................................................................................... 109

Tabela 15 .................................................................................. 110

Tabela 16 mento: ESP, CLP e inversor

PHB ................................................................................................................... 117

Tabela 17 Resumo de ..................................................... 138

Tabela 18 ............................................... 144

Tabela 19 Resumo de abril e maio de ............................ 145

Tabela 20 .......................... 146

Tabela 21 setembro e outubro 2017 ................ 147

Tabela 22 nov. 2017 a jan. 2018 .. 148

Tabela 23 149

Tabela 25 abril 2018

........................................................................................................................... 150

Tabela 25 maio 2018

........................................................................................................................... 151

Tabela 26 Fortaleza x junho 2018

........................................................................................................................... 152

Tabela 27 julho 2018

........................................................................................................................... 153

Tabela 28 Temperatura ambiente, umidade relativa e velocidade do vento Fortaleza x

maio e julho 2018 ........................................................................ 154

Tabela 29 Resposta do AD em bits ..................................................................................... 172

Tabela 30 Nove retas de resposta do AD em bits ................................................................ 173

Tabela 31 ................................................... 188

Tabela 32 ..................................................... 193

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ADCES Analog-digital converter embedded system, Sistema embarcado conversor

-digital

ANEEL

API Application Programming Interface

DATS Data Acquisition and Transmition System

Dados

ELS Embedded Linux System, Sistema Embarcado Linux

ER

ESP IDF Espressif IoT Development Framework

FC Fator de capacidade

FF Fator de forma

FV Fotovoltaico

GEE Gases de Efeito Estufa

GPIO

HTML Hyper Text Mark-up Language

IoE Internet of Energy

IoT Internet of Things

LEA

MQTT Message Queuing Telemetry Transfer

NOCT Nominal Operating Cell Temperature

NTP

OTA Over the air

PVT Photovoltaic-Thermal

REMS Renewable Energy Monitoring System, Sistema de Monitoramento de Energia

REN

RPi Raspberry Pi

RTD Resistance Temperature Detector

SPIFFS SPI Flash File System

STA Station

TD Taxa de desempenho

VPN Virtual Private Network

Y Yield, produtividade

Voc

Isc Corrente de curto circuito

Consumo de energia em Wh/day

Consumo de corrente em modo ativo

V

Tempo de trabalho em modo ativo

Tempo de trabalho em modo inativo

-inversora

Lx

Velocidade do vento

O....................................................................................................... ... 22

2 A .................................................................................. 29

2.1 A ................................................................................................... 29

2.2 Internet das coisas (IoT) e redes de monitoramento ............................................... 32

3 PRIMEIRA ETAPA: SISTEMA EMBARCADO REMS ....................................... 38

3.1 Desenvolvimento do REMS ....................................................................................... 39

3.2 Web monitor desenvolvido ......................................................................................... 47

3.3 Resultados da primeira etapa - REMS ..................................................................... 53

4 SEGUNDA ETAPA: REDE DE MONITORAMENTO IOT ................................. 58

4.1 Plantas FV da rede IoT .............................................................................................. 60

4.1.1 - Alemanha ............................................................... 60

4.1.2 Planta instalada e monitorada em Fortaleza - CE ..................................................... 66

4.1.3 - CE .................................................. 72

5 SISTEMAS EMBARCADOS E CIRCUITOS DE CONDICIONAMENTO DO

MONITORAMENTO IOT....................................................................................... . 78

5.1 Inversor FV ................................................................................................................. 78

5.2 Sistema embarcado ESP 32 ........................................................................................ 81

5.2.1 Condicionamento do sensor de temperatura PT100 .................................................. 86

5.2.2 C ............................................................................... 91

5.2.3 C -digital do ESP 32 ...................................................................... 94

5.3 G OTA (Over the Air updates) ................................................................ 98

5.4 Armazenamento offline com SPIFFS File System ............................................. 101

5.5 P ESP 32 ................................................................. 102

5.6 Sistema embarcado ESP 8266 .................................................................................. 108

6 RESULTADOS........................................................... .............................................. 116

6.1 C FV Fortaleza e M ................119

6.1.1 P FV Fortaleza e M ..................120

6.1.2 F FV F ........121

6.1.3 Tax FV F ...... 122

6.2 A

................................................................................................................. 125

6.2.1 M ....................... . 126

6.2.2 M 2018 ......................... 129

6.2.3 M ............................. 134

6.2.4 M ..................... . 139

6.3 A .147

7 .......................................................................................................... . 158

TRABALHOS FUTUROS ....................................................................................... 161

IAS ...................................................................................................... 162

A - ADA AO PROJETO DE PESQUISA. 168

B DO INVERSOR FV PHB 1500-NS ..... 169

C LISTA DE PINOS 32 ................ 170

D ANAL AD DO ESP 32 ........................... 172

E UTILIZANDO OTA .................................................................... 174

F PROGRAMANDO ESP 32 COM ECLIPSE E ESP-IDF ........ 181

G PR TRO ................................ 184

EM FORTALEZA EM

..................................................................................................... 185

EM FORTALEZA EM

MAIO DE 2018......................................................................................................... 189

JULHO DE 2018 ....................................................................................................... 194

2018 ...................................................................... 199

PVT UTILIZANDO CO2 COMO FLUIDO REFRIGERANTE

- ALEMANHA ............................................................................... 201