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PROJETO DE UM RASTREADOR SOLAR DIGITAL DE UM EIXO
COMPARADO A UM RASTREADOR ANALÓGICO
Lucas Gonçalves Kolblinger de Godoy
Projeto de Graduação apresentado ao
Curso de Engenharia Elétrica da Escola
Politécnica, Universidade Federal do Rio
de Janeiro, como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do título de
Engenheiro.
Orientador: Jorge Luiz do Nascimento.
Rio de Janeiro,
Dezembro de 2019
PROJETO DE UM RASTREADOR SOLAR DIGITAL DE UM EIXO
COMPARADO A UM RASTREADOR ANALÓGICO
Lucas Gonçalves Kolblinger de Godoy
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS
REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO TÍTULO DE
ENGENHEIRO ELETRICISTA.
Examinado por:
_______________________________________
Prof. Jorge Luiz do Nascimento, Dr. Eng.
_______________________________________
Rafael de Oliveira Rodrigues, M. Sc.
_______________________________________
Marcos Dantas Alves dos Santos, M. Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL DEZEMBRO DE 2019
iii
De Godoy, Lucas Gonçalves Kolblinger
Projeto de um rastreador solar digital de um eixo
comparado a um rastreador analógico/Lucas
Gonçalves Kolblinger de Godoy. – Rio de Janeiro:
UFRJ/ Escola politécnica, 2019.
XV, 71 p.: il.; 29.7 cm.
Orientador: Jorge Luiz do Nascimento
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/
Curso de Engenharia Elétrica, 2019.
Referências Bibliográficas: p. 62-65.
1. Rastreadores solares. 2. Energia solar. 3.
Sistema fotovoltaico. I. do Nascimento, Jorge Luiz II.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola
Politécnica, Curso de Engenharia Elétrica. III. Título.
iv
AGRADECIMENTOS
Em primeiro lugar, gostaria de agradecer à minha família pela força que
me deram nessa jornada. Eles que sempre estiveram nos melhores momentos
e nos mais difíceis. Tenho todo o prazer de dedicar todo meu esforço aos meus
pais, irmãos, tios, tias e avós. Mesmo durante o meu intercâmbio em Dublin
eles nunca me deixaram só.
Gostaria de agradecer também aos meus amigos queridos, tanto da
UFRJ como fora dela. Amigos que conheci no intercâmbio e amigos que
conheci pelo decorrer da vida. Todos vocês possuem uma contribuição para eu
estar aqui e nunca me esquecerei disso.
Ao meu orientador Jorge Luiz do Nascimento, por ter me motivado e
dado essa oportunidade de adquirir novos conhecimentos e utilizar aqueles que
eu aprendi durante o curso. Ao técnico Fábio Souza do Nascimento por ter me
auxiliado na montagem do protótipo.
Aos membros da banca, por terem me apoiado e estarem presente
nessa etapa e me instruírem.
À Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) e seus professores,
por terem me orientado nessa fase de graduação, e ao Dublin Institute of
Technology (DIT), por terem me proporcionado uma das melhores experiências
da minha vida, e, sobretudo, à professora Jane Courtney, por ter me dado todo
o suporte durante a vida acadêmica no instituto.
À Engineering do Brasil e em especial o gerente de projetos Anderson
Callea, por terem me dado a oportunidade em estagiar em uma empresa
incrível em um projeto muito importante para o Rio de Janeiro, que foi a linha 4
do metrô. Aprendi bastante durante o estágio e carregarei essa experiência
com muito carinho.
Por fim, minhas homenagens a todos os autores citados nesse trabalho,
pois as suas pesquisas e publicações me ajudaram a elaborar esse projeto.
v
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica UFRJ
como parte dos requisitos necessários para obtenção do grau de Engenheiro
Eletricista.
PROJETO DE UM RASTREADOR SOLAR DIGITAL DE UM EIXO
COMPARADO A UM RASTREADOR ANALÓGICO
Lucas Gonçalves Kolblinger de Godoy
Dezembro/2019
Orientador: Jorge Luiz do Nascimento
Curso: Engenharia Elétrica
A energia solar é uma fonte de energia limpa com grande potencial de
exploração no Brasil. Ainda que ela possua eficiência baixa, da ordem de 20%,
quando comparada a outras formas convencionais de produção de energia,
como a hidrelétrica (90%) e o gás natural (42%) [1], o fato de ser renovável a
torna uma fonte confiável e de futuro, desde que se aumentem os níveis de
eficiência e de armazenamento, para não restringir a sua operação somente
durante as horas de insolação. Uma das formas de melhorar o rendimento dos
sistemas fotovoltaicos é acrescentar a eles um dispositivo conhecido como
rastreador solar, que possibilita informar a posição do Sol para um sistema de
movimentação dos painéis, que os posicione sempre na melhor condição de
captação em relação à trajetória do Sol.
O LAFAE, Laboratório de Fontes Alternativas de Energia, iniciou uma
linha de estudos sobre rastreadores através do desenvolvimento de Projetos de
Graduação. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um protótipo de
rastreador digital, de um eixo vertical, em contraponto a um projeto anterior de
um rastreador analógico.
Palavras-chave: energia solar, rastreamento solar, protótipo digital.
vi
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial
fulfillment of the requirements for the degree of Engineer.
PROJECT OF A SINGLE AXIS DIGITAL SOLAR TRACKER COMPARED TO
AN ANALOGUE SOLAR TRACKER
Lucas Gonçalves Kolblinger de Godoy
December/2019
Advisor: Jorge Luiz do Nascimento
Course: Electrical Engineering
The solar energy is a source of clean energy with a huge exploration
potential in Brazil. Even though it has low efficiency, roughly 20%, when
compared to other conventional forms of energy production like hydropower
(90%) and natural gas (42%) [1], the fact that it is renewable makes it a reliable
and future source as long as the level of efficiency and storage is raised so as
not to restrict its operation only during sunshine. One way to further increase
the efficiency of a photovoltaic system is to add a device known as solar
tracker, which makes it possible to inform the Sun’s position to a movement
system, which always positions the panels in the best capture conditions in
relation to the path of the Sun.
The LAFAE, Alternative Energy Sources Laboratory, started a line of
studies about solar trackers through the development of undergraduate
projects. Previously, the construction of a single axis analogue solar tracker was
evaluated. This project presents the development of a digital solar tracker
prototype of vertical axis, opposing to a previous analogue solar tracker project.
Keywords: solar energy, solar tracking, digital prototype.
vii
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ......................................................................................... x
LISTA DE TABELAS ...................................................................................... xii
LISTA DE SIGLAS .........................................................................................xiii
1 INTRODUÇÃO........................................................................................... 1
1.1 Objetivos .............................................................................................. 8
1.2 Justificativa .......................................................................................... 8
1.3 Organização do trabalho ...................................................................... 9
2 GRANDEZAS GEOGRÁFICAS ............................................................... 10
2.1 Latitude e longitude ............................................................................ 10
2.2 A esfera celeste ................................................................................. 11
2.3 Irradiância e irradiação solar .............................................................. 15
2.4 Métodos de medição da radiação solar .............................................. 16
3 TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA ............................................................ 18
3.1 Funcionamento dos módulos fotovoltaicos ......................................... 18
3.2 Tipos e rendimentos dos módulos fotovoltaicos ................................. 20
3.2.1 Tipos de células ........................................................................... 20
3.2.1.1 Silício monocristalino ............................................................ 20
3.2.1.2 Silício policristalino ................................................................ 21
3.2.1.3 Filmes finos ........................................................................... 22
3.3 Rastreadores solares ......................................................................... 24
3.3.1 Tipos de rastreadores quanto ao número de eixos ...................... 24
3.3.1.1 Sistema de eixo fixo .............................................................. 24
viii
3.3.1.2 Rastreador de um eixo .......................................................... 25
3.3.1.3 Rastreador de dois eixos ....................................................... 26
3.3.2 Tipos de rastreadores quanto ao método de controle .................. 27
3.3.2.1 Rastreadores passivos .......................................................... 27
3.3.2.2 Rastreadores cronológicos .................................................... 27
3.3.2.3 Rastreadores ativos .............................................................. 27
4 SEGUIDOR SOLAR ANALÓGICO .......................................................... 30
4.1 Projeto inicial do seguidor analógico .................................................. 30
4.2 Estudo do seguidor solar analógico ................................................... 32
4.2.1 Sinal de controle .......................................................................... 32
4.2.2 Modelo matemático do estágio inicial .......................................... 33
4.2.3 Software de simulação ................................................................ 36
4.2.4 Amplificadores de potência .......................................................... 37
4.2.5 Ponte H a transistores ................................................................. 38
4.2.6 Sensores LDR ............................................................................. 40
4.2.7 Motor DC ..................................................................................... 42
4.2.8 Efeito da temperatura .................................................................. 43
4.3 Análise de viabilidade ........................................................................ 45
5 SEGUIDOR SOLAR DIGITAL ................................................................. 49
5.1 Protótipo do seguidor digital a um eixo............................................... 49
5.2 Componentes utilizados e montagem ................................................ 50
5.3 Mecanismo de programação utilizado com o Arduino ........................ 53
5.4 Determinação da carga de máxima potência ..................................... 54
5.5 Variação diária da potência gerada sob carga ................................... 56
ix
6 CONCLUSÕES ........................................................................................ 60
REFERÊNCIAS .............................................................................................. 62
APÊNDICE A – Código do rastreador solar a um eixo ............................... 66
APÊNDICE B – Resultados obtidos na realização do experimento de
determinação da carga ................................................................................. 68
APÊNDICE C – Resultados obtidos na realização do experimento de
variação diária da potência gerada sob carga ............................................ 69
x
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Porcentagem do consumo mundial de energia por combustível
(Fonte: BP Statistical Review of World Energy, 2019). ...................................... 4
Figura 2 - Mapa da irradiação média anual no Brasil (Fonte: Atlas Brasileiro de
Energia Solar, 2017). ........................................................................................ 5
Figura 3 - Mapa da irradiação horizontal média na Europa (Fonte: Portal
Solargis). ........................................................................................................... 6
Figura 4 - Preço médio da energia solar em leilões (Fonte: CCEE/ABSOLAR,
2017)................................................................................................................. 7
Figura 5 – A divisão das latitudes e longitudes na Terra (Fonte: Portal
Pasarelapr). .................................................................................................... 11
Figura 6 - As coordenadas de uma esfera celeste (Fonte: Portal Heavens-
above). ............................................................................................................ 12
Figura 7 - Amplitude angular do nascer do Sol pela latitude (Fonte: Bedaque e
Bretones [11]). ................................................................................................ 13
Figura 8 - Janela do simulador online Motions of the Sun (Fonte: Simulador
Motions of the Sun, Universidade de Nebraska-Lincoln). ................................ 14
Figura 9 - Diferentes fontes de radiação num painel solar (Fonte: Portal HCC
Engenharia). ................................................................................................... 16
Figura 10 - Região de depleção (Fonte: Portal Athos Electronics). ................. 20
Figura 11 - Células silício monocristalinas (Fonte: Portal Portal Solar). .......... 21
Figura 12 - Célula policristalina (Fonte: Portal Sinovoltaics) ............................ 22
Figura 13 - Filme fino de silício amorfo (Fonte: Portal Damiasolar). ................ 23
Figura 14 - Tipos de rastreados de um eixo: a) eixo inclinado, b) eixo horizontal
e c) eixo vertical ou azimutal (Fonte: Blog Pepperl+Fuchs). ............................ 25
Figura 15 - Tipos de rastreamento solares de dois eixos: a) azimute/elevação e
b) roll-tilt (Fonte: LSF do EEE/SP). .................................................................. 26
Figura 16 - Funcionalidade dos pinos do Arduino Uno (Fonte: Portal Electro
Schematics). ................................................................................................... 29
Figura 17 - Periféricos para o Arduino: (a) ethernet W5100 shield e (b) Data
logger shield (Fonte: Portal Filipeflop). ............................................................ 29
xi
Figura 18 - Circuito inicial do rastreador analógico (Fonte: elaboração própria).
........................................................................................................................ 31
Figura 19 - Parte do circuito reajustada (Fonte: elaboração própria). .............. 33
Figura 20 - Modelagem do circuito com suas variáveis (Fonte: elaboração
própria). .......................................................................................................... 33
Figura 21 - Diagrama do projeto no software Proteus (Fonte: elaboração
própria). .......................................................................................................... 37
Figura 22 - (a) configuração original da ponte H; (b) nova configuração (Fonte:
elaboração própria). ........................................................................................ 39
Figura 23 - Ponte H com diodos Schottky (Fonte: elaboração própria). .......... 40
Figura 24 - Curva característica do LDR (Fonte: da Costa, Macêdo e Pedroso
[26]). ............................................................................................................... 41
Figura 25 - Motor DC do projeto original (Fonte: elaboração própria). ............. 43
Figura 26 – Estrutura de um controlador PID (Fonte: Portal Microcontrolado). 43
Figura 27 - Encapsulamento do transistor 2N3055 (fonte: Portal Baú da
eletrônica). ...................................................................................................... 45
Figura 28 - Diagrama final do circuito (Fonte: elaboração própria). ................. 48
Figura 29 - Diagrama de blocos do seguidor de um eixo (Fonte: elaboração
própria). .......................................................................................................... 50
Figura 30 – Vista da base do protótipo (Fonte: elaboração própria). ............... 51
Figura 31 - Vista frontal do protótipo (Fonte: elaboração própria). .................. 52
Figura 32 - Circuito de ligação com o Arduino (Fonte: elaboração própria). .... 53
Figura 33 - Diagrama de blocos ilustrando o funcionamento do código (Fonte:
elaboração própria). ........................................................................................ 54
Figura 34 - Características elétricas do sistema fotovoltaico. .......................... 55
Figura 35 - Curva potência x tensão do sistema fotovoltaico........................... 56
Figura 36 - Local do experimento destacado em vermelho (Fonte: Google
Maps, adaptado). ............................................................................................ 57
Figura 37 – Protótipo no local do experimento. ............................................... 57
Figura 38 - Amostragem da potência gerada pelo módulo solar nas
configurações de painel fixo e com rastreamento. .......................................... 58
xii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Hora do nascer e pôr do Sol no Rio de Janeiro................................................................................................... ............15
Tabela 2 - Materiais e eficiência das células
fotovoltaicas.......................................................................................................23
Tabela 3 - Valor médio de potência e eficiência para cada tipo de
eixo....................................................................................................................59
xiii
LISTA DE SIGLAS
A Ampère, unidade de medida de corrente elétrica.
A/D Analógico/Digital.
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas.
ABSOLAR Associação Brasileira de Energia Solar Fotovoltaica.
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica.
BJT Bipolar Junction Transistor.
BP British Petroleum.
c Constante da velocidade da luz.
CCEE Câmara de Comercialização da Energia Elétrica.
CLP Controlador Lógico Programável.
cm Centímetro, equivalente a 0.01 metro.
CRESESB Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de
Salvo Brito.
DC Direct current ou corrente contínua.
e Energia do fóton.
EIA Energy Information Administration.
EPE Empresa de Pesquisa Energética.
h Hora ou constante de Plank quando especificado.
Hz Hertz, unidade de medida de frequência
IC Iniciação Científica.
xiv
IDE Integrated Development Environment.
kHz Kilohertz, equivalente a 1,000 Hertz.
kW Quilowatt, equivalente a ,1000 Watts.
kWh/m² Quilowatt hora por Metro Quadrado.
kΩ Kiloohm, equivalente a 1,000 Ohms.
LAFAE Laboratório de Fontes Alternativas de Energia.
LDR Light Dependent Resistor.
Lx Lux, unidade de medida de iluminamento.
mA Milliampère, equivalente a 0.001 Ampère.
MHz Megahertz, equivalente a 1,000,000 Hertz.
MPPT Maximum Power Point Tracking.
mW Milliwatt, equivalente a 0.001 Watt.
MW Megawatt, equivalente a 1,000,000 Watts.
NASA National Aeronautics and Space Administrations.
ºC Grau Celsius, unidade de medida de temperatura.
PCB Printed Circuit Board ou placa de circuito impresso.
PWM Pulse Width Modulation.
UFRJ Universidade Federal do Rio de Janeiro.
USB Universal Serial Bus
V Volt, unidade de medida de diferença de potencial elétrico.
W Watt, unidade de medida de potência.
W/m² Watt por Metro Quadrado.
xv
λ Comprimento de onda.
Ω Ohm, unidade de medida de resistência elétrica.
1
1 INTRODUÇÃO
O aquecimento global se caracteriza pelo aumento da temperatura
média mundial da atmosfera e dos oceanos. O aumento da temperatura média
do planeta provoca enormes mudanças no ecossistema e no clima, afetando
diretamente a sobrevivência dos animais e alterando em quantidade e
magnitude os fenômenos naturais. Das consequências mais recentes, destaca-
se a morte lenta e gradual da Grande Barreira de Coral na costa australiana,
em que um dos fatores identificados como responsáveis por seu contínuo
desaparecimento é o aumento da temperatura nos oceanos. Este acréscimo
provoca a mudança do nível de acidez da água, altera o regime de chuvas e as
correntes marítimas, ocasionando a diminuição de animais em seu entorno.
Assim, mais da metade dos corais nesse sistema morreram desde a década
passada.
O principal responsável pelo aquecimento global no mundo atual é sem
dúvida a liberação exagerada de gases, sendo estes: metano, óxido nitroso e
gás carbônico na atmosfera. Esses gases são responsáveis pela contribuição
do aumento do efeito estufa, o qual é um fenômeno natural de aquecimento
térmico da Terra e seu processo é absorver e reter a radiação refletida do Sol
na superfície terrestre. Sem este efeito natural, o planeta teria uma temperatura
média muito baixa, perto de -18°C. Sendo assim, em níveis elevados, os gases
do efeito estufa provocam diretamente o aquecimento global. Essas alterações
na concentração de gases estão ocorrendo em consequência da elevação
insustentável das emissões antrópicas desses gases, os quais foram
identificados em quase todas as atividades e setores da economia, sendo os
principais setores que intensificam a emissão de gases são: agricultura,
pecuária, transporte, exploração e produção de combustíveis fósseis,
desmatamento e degradação de florestas.
Atualmente, o dióxido de carbono, conhecido como gás carbônico, é o
principal vilão contribuinte para o aquecimento global. Este é o subproduto da
combustão e está geralmente associado à poluição e à condição precária da
saúde humana. O processo da combustão utiliza, mais frequentemente, um
2
recurso não-renovável de energia, ou seja, um recurso que depois de utilizado
não pode ser regenerado pelo ser humano ou pela natureza em um prazo
suficientemente breve para ser reutilizado. Este é o caso do carvão, petróleo,
gás natural, diesel e entre outros, porém são combustíveis de maior facilidade
de extração, localização e confiáveis. A maioria das usinas termelétricas utiliza
este recurso e são mais fáceis de construir do que uma usina hidrelétrica,
porém contribuindo para o despejo de gás carbônico na atmosfera.
Por outro lado, o recurso renovável de energia é aquele que a taxa de
renovação é muito rápida, podendo ser reutilizado quase que imediatamente.
Nesse quesito de energia renovável se enquadram a energia hídrica, a solar, a
eólica e a biomassa. A vantagem deste consumo é que gera uma energia que
interfere menos no meio ambiente do que a não-renovável e o recurso está
sempre disponível. Contudo, as fontes renováveis são bastante dependentes
das condições climáticas e o aprimoramento da tecnologia para a sua
exploração ainda está em desenvolvimento, demandando um alto investimento.
No entanto, quanto ao custo benefício da geração de energia renovável
versus energia não renovável, a última leva vantagem. Exemplificando, a
energia solar possui cerca de 20% de eficiência, já energia eólica possui cerca
de 40% e ambas estão disponíveis apenas enquanto houver insolação para a
primeira e intensidade dos ventos para a segunda. Em contrapartida, as
termelétricas, em média, têm 35% de eficiência e podem produzir energia a
qualquer momento, dependendo apenas da queima do combustível para a
geração.
Com o intuito de solucionar o problema do aquecimento global, a forma
mais eficaz é introduzir tecnologias de baixo carbono ou carbono zero, como a
troca das fontes não-renováveis para fontes renováveis de energia. Outra
medida é incentivar a política de crescimento sustentável, principalmente em
países em desenvolvimento, incluindo a proteção das florestas e o uso sustável
dos recursos naturais.
Nos países desenvolvidos, há exemplos de ações já em andamento com
metas e prazos definidos, como por exemplo, o programa do governo do Reino
Unido que tem como meta até 2025 desativar todas as usinas a carvão [2].
3
Todas as medidas precisam ser praticadas em escala global, através da
cooperação das nações, incluindo mudanças no comportamento humano de
consumo e geração de energia.
O cenário mundial da produção de energia elétrica ainda possui em sua
grande parte a geração a partir de combustíveis não-renováveis. Conforme
mostrado na Figura 1, em 2018 a produção a partir do carvão ainda lidera com
38% da produção total (curva mais acima, em cinza), em seguida do gás
natural (27%, curva vermelha) e hidrelétricas (18%, em azul). Os países da
Ásia, principalmente a China, ainda utilizam majoritariamente o carvão para
abastecer suas termoelétricas. Já os Estados Unidos e outros países da
América do Norte usam principalmente o gás natural para geração de
eletricidade. Por outro lado, as fontes de energia renováveis ainda estão longe
de estarem no topo, entretanto é a fonte de energia que mais cresceu desde
2002, pulando de 3% para 9% em 2018. Essa alavancada se deu
principalmente no incentivo do uso da energia solar na Europa, em destaque a
Alemanha, e que segundo o relatório da BP (British Petroleum) [3] de 2017
para 2018 a energia solar teve o maior crescimento, de 28.9%.
Segundo o boletim de monitoramento do sistema elétrico da ANEEL
(Agência Nacional de Energia Elétrica) [4] a energia hidrelétrica é a mais
amplamente utilizada no Brasil pela capacidade instalada de energia hídrica
corresponder a 63,5% ou 104.408 MW em comparação com as outras fontes
de energia. Apesar de ser uma fonte renovável, ela apresenta algumas
contrapartidas que deixam o sistema energético mais vulnerável mediante a
dependência das condições climáticas para a operação correta do sistema.
Outro ponto a ser considerado está relacionado ao licenciamento
ambiental desses empreendimentos. Nesse contexto, além da localização ideal
para cada tipo de produção é necessário cumprir a legislação ambiental,
respeitar as delimitações de terreno, considerar áreas de unidades de
conservação e territórios indígenas, entre outros itens, o que pode elevar o
custo e cronograma para a execução do projeto, como por exemplo, a usina
hidrelétrica Belo Monte, situada no rio Xingu, no Pará e iniciada em 2011
apresentou impasses em seu processo de licenciamento ambiental, o que
4
gerou o desinteresse por parte dos empresários relacionado ao cumprimento
de contrapartidas e condicionantes, o que deixa o sistema energético renovável
vulnerável.
Figura 1 - Porcentagem do consumo mundial de energia por combustível (Fonte: BP Statistical
Review of World Energy, 2019).
É inegável que existe um grande potencial de geração de energia solar
no Brasil devido ao clima e a alta incidência de raios solares por quase todo o
país. A Figura 2 representa a radiação solar anual no Brasil em kilowatt hora
por metro quadrado e pode-se notar que o sertão nordestino é a área que
contém o maior potencial solar energético do país com um total de
aproximadamente 6000 kWh/m² dia. Já na costa leste do sul brasileiro incide
um total de aproximadamente 3750 kWh/m² dia de radiação solar anual, a
menor do país. Para efeito de comparação a região de maior radiação da
Alemanha, referência mundial em geração de energia solar, recebe cerca de
1200 kWh/m² em média (Figura 3) e segundo a Fraunhofer [5], em 2018
produziram 14 vezes mais energia solar que o Brasil e possuem em sua matriz
energética 28% de energia proveniente da solar e eólica. Outro exemplo é os
5
Estados Unidos, que de acordo com o relatório em curto prazo da agência
norte-americana EIA (Energy Information Administration) [6] prevê um aumento
significativo da fonte renovável de energia para 2020, passando a representar
20% da matriz energética do país.
Figura 2 - Mapa da irradiação média anual no Brasil (Fonte: Atlas Brasileiro de Energia Solar,
2017).
6
Figura 3 - Mapa da irradiação horizontal média na Europa (Fonte: Portal Solargis).
As vantagens da energia solar é que é uma energia natural e renovável,
dependendo apenas da existência do Sol e das condições climáticas do local
escolhido. Além do mais, é uma fonte que não causa danos ao ambiente e os
custos em dólar por megawatt vêm caindo ao longo dos últimos anos (Figura 4)
e a tendência é que esse valor se torne ainda menor nos próximos anos com
os incentivos às pesquisas e a expansão geração solar, que segundo o informe
da EPE (Empresa de Pesquisa Energética) [7] a previsão para 2027 é que a
capacidade instalada de energia solar atinja 8.6 GW. No Brasil, o retorno de
investimento dos módulos solares é de curto a médio prazo (cerca de oito
anos, [8]) devido à alta insolação e é feita através do sistema de geração de
créditos que são usados para mitigar a conta de luz. Segundo Verlaine [9], a
instalação de um sistema fotovoltaico conectado à rede da UFRJ (Universidade
Federal do Rio de Janeiro) teria um retorno de investimento de quase nove
anos, levando em consideração a depreciação e as perdas de rendimento por
efeito térmico ao longo dos anos.
Diante desse quadro, melhorar a eficiência dos sistemas solares com
novas tecnologias dos painéis ou dos dispositivos que transferem a energia
para as redes ou diretamente para as cargas é um desafio permanente e de
necessidade obrigatória. Essa obrigação compreende também o
desenvolvimento de novos dispositivos auxiliares no controle de funcionamento
7
e na melhoria da captação da energia solar. Destacam-se neste grupo, os já
conhecidos rastreadores solares.
Figura 4 - Preço médio da energia solar em leilões (Fonte: CCEE/ABSOLAR, 2017).
Os módulos solares são feitos de silício dopado e quando os fótons
incidem sobre eles através da radiação Sol há a conversão para energia
elétrica. Todavia, o melhor tipo de material disponível dessas células
fotovoltaicas no mercado, as células monocristalinas, possuem um rendimento
entre 15 e 20%, além da disponibilidade de energia estar somente no horário
de insolação e serem sensíveis às condições climáticas como sombreamento
pelas nuvens. Assim, nas horas de Sol é crucial tentar aproveitar o máximo da
energia disponível. Para tal, introduz-se a tecnologia de rastreamento solar.
Como a maior parte da energia dos fótons é absorvida quando é incidida
perpendicularmente sobre os módulos, então a função do rastreador solar é
exatamente essa: girar o painel em direção à trajetória do Sol, permitindo que a
máxima potência seja extraída. Essa técnica pode girar o painel em um eixo ou
dois eixos e já é bastante utilizada por regiões conhecidas como fazendas
solares, onde o espaço é reservado somente para a mini-geração de energia
solar, aquelas que produzem entre 100 kW e 1000 kW, e que aumenta a
eficiência de geração de energia em pelo menos 25% a mais do que o painel
8
fixo [10], desconsiderando a diminuição de eficiência pelo efeito térmico no
painel solar a longo prazo.
Tendo em vista o amplo potencial da energia solar para o mundo e a
baixa eficiência da captação por painéis solares quando comparados a outras
formas convencionais de produção de energia, os estudos para
aperfeiçoamento dos equipamentos acessórios dos sistemas fotovoltaicos é
uma necessidade permanente, incluindo nesta preocupação os rastreadores
solares.
1.1 OBJETIVOS
1) Fazer uma análise conceitual e crítica de um rastreador analógico de um
eixo de pequeno porte, desenvolvido anteriormente no LAFAE;
2) Elaborar um protótipo de um rastreador solar digital com movimentação
em um eixo na vertical;
3) Comparar o desempenho dos sistemas fotovoltaicos com eixo fixo e com
rastreador solar de um eixo em relação à potência entregue a uma
carga.
1.2 JUSTIFICATIVA
Esse tema apresenta um caráter bastante relevante para o setor de
energia, pois a introdução de seguidores solares proporciona um melhor
aproveitamento energético para os sistemas solares e faz parte de uma área
ainda em fase de desenvolvimento, pois vários estudos e startups estão
buscando novos materiais e designs para aumentar a eficiência das placas
fotovoltaicas e atender à necessidade dos interessados. Será utilizado como
9
base os conhecimentos adquiridos ao longo do curso de Engenharia Elétrica e
as informações secundárias obtidas nas pesquisas realizadas tanto na Internet
como em textos acadêmicos e livros.
O LAFAE vem estudando os rastreadores solares e incentivando o
desenvolvimento de trabalhos de iniciação científica e projetos de graduação
neste tema. Um desses trabalhos (IC), rastreador de um eixo analógico, foi
estudado e construído, porém apresentou problemas em seu funcionamento.
Outro rastreador de dois eixos foi estudado em projeto de graduação e teve
seu funcionamento de sucesso apresentado publicamente. Apesar disso, para
o processo dos estudos comparativos entre rastreadores ficaram as lacunas da
avaliação do desempenho do rastreador analógico e da sua progressão para a
versão digital.
1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
Esse trabalho foi dividido em seis capítulos, sendo: o Capítulo 2 uma breve
revisão sobre os conceitos das grandezas geográficas, assim como alguns
conceitos utilizados em sistemas fotovoltaicos e os meios de medição da
radiância; o Capítulo 3 sobre a tecnologia fotovoltaica, funcionamento das
placas fotovoltaicas, aparelhos de medição, os diversos tipos de rastreador
solar e suas respectivas vantagens e desvantagens; o Capítulo 4 relata a
análise do rastreador analógico a um eixo desenvolvido anteriormente; o
Capítulo 5 traz a construção do protótipo um rastreador solar digital a um eixo e
os resultados dos testes e o Capítulo 6 discursa sobre a conclusão dos projetos
e resultados, apresentando também propostas para continuidade do projeto.
10
2 GRANDEZAS GEOGRÁFICAS
Antes de apresentar a tecnologia atrás dos rastreadores solares é
importante destacar as diversas variáveis geográficas que irão influenciar no
desempenho e design desses aparelhos. Alguns desses elementos geográficos
influenciam a trajetória do Sol ao longo dos dias e durante as estações do ano,
que por sua vez influem na média de horas de sol ao ano. Assim sendo, os
seguidores solares deverão ser projetados de acordo com as influências
dessas grandezas no local escolhido de instalação.
2.1 LATITUDE E LONGITUDE
O globo terrestre é composto de duas linhas importantes: a linha do
Equador, a qual divide o planeta em norte e sul, e o meridiano de Greenwich, o
qual divide em leste e oeste. Assim como ocorre na geometria analítica, a
definição de coordenadas também se pode aplicar na projeção plana da Terra
para localização em relação ao eixo horizontal e eixo vertical. Esses eixos em
coordenadas geográficas são chamados respectivamente de longitude e
latitude.
Por definição, a latitude de um local corresponde ao ângulo de 0 a 90°
em relação à linha do Equador, este situado em 0°, ao norte ou sul. Por outro
lado, a longitude define um local que varia entre 0 a 180° leste ou oeste em
relação ao meridiano de Greenwich, este situado em 0°. Por convenção o local
do observatório de Greenwich, localizado na Inglaterra, foi referenciado como o
marco de 0°, por isso o nome de Greenwich foi dado a esse meridiano.
Como exemplo, as coordenadas geográficas de Brasília são: latitude
15°46′46″ S e longitude: 47°55′46″ O.
Em projetos de sistemas fotovoltaicos a longitude não tem muito impacto
além de localização, porém a latitude da região é muito importante, pois vai
ditar as características de insolação do local, o clima, o ângulo de inclinação
11
das placas solares, a quantidade de horas de sol e o melhor ponto cardinal o
qual as placas solares devem estar voltadas.
Figura 5 – A divisão das latitudes e longitudes na Terra (Fonte: Portal Pasarelapr).
2.2 A ESFERA CELESTE
A definição de esfera celeste muito utilizada pelos astrônomos no estudo
envolvendo as trajetórias e posicionamento dos astros celestes. A partir da
posição de um observador na Terra os corpos celestes no céu aparentam estar
inclusas em uma espécie de semiesfera, o qual o próprio observador está no
centro (vide Figura 6). Essa semiesfera de raio indeterminado e concêntrica
com a Terra é chamada de esfera celeste e a partir dela é possível definir
direções e coordenadas das posições de qualquer objeto dentro dessa esfera.
É importante ressaltar que o ponto referencial desse sistema é o observador
porque necessariamente ele será o ponto central da esfera celeste e é
estacionário. Assim, é possível definir alguns elementos que definem esse
sistema de coordenadas:
12
Figura 6 - As coordenadas de uma esfera celeste (Fonte: Portal Heavens-above).
O zênite é a direção ortogonal diretamente acima do observador, onde
se encontra com o ponto do limite da esfera celeste e corresponde a
90°.
O horizonte define-se como o plano cujo limite é a interseção entre o
plano do solo e o plano da esfera e situa-se a 0°.
A altitude é a localização do astro, em graus, acima do plano do
horizonte. Esse ângulo irá variar entre 0 a 90° e é também definido a
direção de acordo com o sistema cardinal.
O azimute é uma medida também em graus em volta do plano do
horizonte em relação ao Norte. Define-se então o Leste como 90° e o
Oeste como 270°.
O ângulo de inclinação da Terra é a medida em graus da obliquidade
do planeta em relação ao seu próprio eixo longitudinal. Esse ângulo
equivale a aproximadamente 23,5° e é o principal responsável pelas
estações do ano nos hemisférios Norte e Sul.
A declinação do Sol é a diferença em graus da posição do Sol e o eixo
imaginário paralelo à linha do Equador.
Por reflexo do movimento elíptico da Terra em volta do sol e o ângulo de
inclinação da Terra inevitavelmente a posição do Sol irá variar ao longo do ano.
É comumente assimilado que o Sol sempre nasce ao Leste e sempre se põe
ao Oeste nos mesmos pontos todos os dias, porém isso é nada menos que um
13
equívoco. No hemisfério Sul por vezes o Sol pode nascer um pouco mais ao
Sudeste, outrora mais perto do Norte dependendo da estação do ano. Isso é
fácil de observar ao adotar um objeto de referência qualquer na região e
fotografar todos os dias no mesmo horário a posição do Sol e o nome dessa
instrumentação dá-se por analema.
Segundo Bedaque e Bretones [11] é viável calcular essa diferença da
posição do nascer do sol utilizando métodos matemáticos. A trajetória do Sol é
afetada pela sua declinação, o qual pode ser calculado pela Equação (1) onde
T corresponde ao número do dia no ano. Já a Equação (2) corresponde ao
cálculo do azimute do Sol ao nascer, onde ϕ é a latitude do local. Calculando a
amplitude entre os solstícios de verão e inverno em função da latitude obteve-
se o gráfico da Figura 7. Esse gráfico mostra que para baixas latitudes (perto
do Equador) a amplitude é baixa, quase que a diferença dada pelo eixo de
inclinação da Terra, e para altitudes acima de 30º.
𝛿 = −23.44𝑐𝑜𝑠 (2𝜋
365(𝑇 + 10)) (1)
𝐴 = 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠 (−𝑠𝑒𝑛𝛿
𝑐𝑜𝑠𝜙) (2)
Figura 7 - Amplitude angular do nascer do Sol pela latitude (Fonte: Bedaque e Bretones [11]).
14
A Universidade de Nebraska-Lincoln [12] em seu site disponibilizou uma
ferramenta que simula a trajetória do Sol de acordo com a latitude inserida e o
dia desejado (Figura 8). Assim, o simulador mostra a trajetória do Sol ao longo
do dia e também mostra as projeções da trajetória anual do Sol e a linha do
equador. Então, sabendo que a latitude do Rio de Janeiro é de
aproximadamente 22.9° S extraiu-se então a Tabela 1 contendo o momento do
amanhecer e do pôr do Sol segundo a simulação. Esses dados serão tratados
mais adiante.
Figura 8 - Janela do simulador online Motions of the Sun (Fonte: Simulador Motions of the Sun,
Universidade de Nebraska-Lincoln).
15
Tabela 1 - Hora do nascer e pôr do Sol no Rio de Janeiro
Data Nascer do Sol Pôr do Sol
21 de dezembro 5h20 18h45
21 de março 6h10 18h10
21 de junho 6h45 17h22
21 de setembro 5h55 17h50
Fonte: Dados retirados do simulador Motions of the sun.
2.3 IRRADIÂNCIA E IRRADIAÇÃO SOLAR
Pela definição da norma NBR 15220 [13], irradiância (G) é a taxa de
radiação incidente sobre um corpo, por unidade de área da superfície, ou seja,
medida em W/m². Já a irradiação é a integral ou somatório da irradiância ao
longo do tempo, portanto sendo uma unidade medida na grandeza de energia,
tipicamente em Wh/m². Ademais, a irradiância pode ser decomposta entre
radiação difusa, direta e albedo.
A radiação direta é aquela em que a radiação incide diretamente da
atmosfera até o módulo fotovoltaico, sem passar por nenhum obstáculo em seu
caminho. Já a radiação difusa se dá quando a radiação passa por
perturbações no seu caminho, por exemplo, sendo desviada por partículas de
vapor no ar, mais comumente quando é desviada por nuvens. O albedo, que é
a reflexão da radiação solar pelo solo, é bastante influenciado pela presença de
componentes altamente reflexivos no solo como areia e neve. O valor do
albedo varia numa escala de zero a um, sendo zero correspondente a um solo
puramente absortivo e um a um solo puramente reflexivo. A média desse valor
na escala mundial é de 0.3, porém alguns fatores como vegetação e
composição do solo influenciam na intensidade do albedo. A Figura 9 ilustra
todos esses conceitos de radiação apresentados.
16
Figura 9 - Diferentes fontes de radiação num painel solar (Fonte: Portal HCC Engenharia).
2.4 MÉTODOS DE MEDIÇÃO DA RADIAÇÃO SOLAR
Essa sessão apresentará algumas das alternativas de se medir a
radiação solar numa determinada área. A determinação desse valor é
importante ao se projetar um sistema fotovoltaico, como o cálculo no número
de painéis a serem instalados.
Piranômetro: é um instrumento que mede a radiação global (direta e
difusa) em uma superfície. Ele contém camadas de termopilhas que
quando aquecidas geram um sinal elétrico, o qual é medido. O seu
design é normalmente de um domo, feito de vidro ou acrílico para
proteger as termopilhas.
Solarímetro: é um tipo de piranômetro, feito de silicone. É um aparelho
digital portátil, que além de medir a radiação em uma superfície pode ter
outras funções como medição de temperatura e a exposição de energia
(em kWh/m²).
PVSol: esse software permite a simulação anual da energia gerada a
partir de um conjunto de painéis solares numa região. Ele providencia
um banco de dados contendo, por exemplo, os dados dos inversores
atualizados pelos fabricantes, a irradiância média onde o usuário desejar
17
e a trajetória do sol ao longo do ano. A grande característica desse
software é conter a opção do usuário modelar em 3D o edifício e local a
da instalação dos painéis solares e simular o sombreamento ao longo de
todo o ano que incide sobre as placas, podendo então fornecer com
precisão os dados de energia gerada durante o período de simulação.
Portanto, utilizando esse software é possível calcular a irradiação no
plano inclinado.
TS-1: equipamento da NASA [14] lançado para instalação na estação
internacional com o propósito de medir a irradiação solar que chega na
Terra com o objetivo de estudar o aquecimento global.
SunData: é uma ferramenta online elaborada pelo CRESESB (Centro de
Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito) [15] em
1995 que realiza o cálculo de irradiância solar diária média (em kWh/
m².dia) através da entrada das coordenadas de latitude e longitude pelo
usuário, tanto no plano horizontal como no plano inclinado. A versão
mais atual utiliza como base de dados os dados da segunda edição do
Atlas Brasileiro de Energia Solar.
18
3 TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA
O Sol emite luz e radiação ao seu redor, além de outras partículas em
menor escala como prótons. Segundo a NASA [14] a média da energia emitida
pelo Sol é de cerca de 1361 W/m², porém num ciclo de onze anos essa energia
não é constante devido às atividades solares, como as mini-explosões que
acontecem na superfície desse astro e a ocorrência de manchas solares. Na
verdade, o Sol é a única fonte confiável de luz no Sistema Solar a qual somos
dependentes para perpetuar a vida devido à sua imensa quantidade de energia
na superfície terrestre, então é bastante viável tentar aproveitar essa
quantidade para gerar energia elétrica ou mesmo energia térmica. Com vista
nisso existe um equipamento chamado placa fotovoltaica, o qual irá realizar
essa conversão de energia provida do sol para energia elétrica, sendo
amplamente utilizada para o consumo das cargas elétricas residenciais.
Esse capítulo irá explicar o funcionamento dessas placas fotovoltaicas, os
tipos mais comuns de células fotovoltaicas, os meios de se medir a irradiação
em um local, os diferentes tipos de rastreadores solares, que são pequenos
equipamentos que irão aumentar a eficiência energética das placas e por fim,
os métodos de controle, com ênfase no microprocessador Arduino Uno.
3.1 FUNCIONAMENTO DOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
Comumente utilizado em alguns componentes eletrônicos como
transistores, as placas fotovoltaicas são constituídas de materiais
semicondutores principalmente de silício. O silício por si só não é um material
condutor, então o que é feito é dopar o silício com outras impurezas de forma a
introduzir excessos de elétrons ou buracos, e esse fenômeno dá-se o nome de
semicondução extrínseca [16]. Essa forma de semicondução apresenta dois
tipos: tipo N e tipo P.
19
Na semicondução tipo N o silício, que contém quatro elétrons na sua
camada de valência, é dopado com algum elemento de cinco elétrons na
camada de valência, tipicamente o fósforo, assim ao se juntar com o silício cria
um excesso de elétrons, chamados de elétrons livres. Assim essa camada
favorece o transporte de elétrons devido à sua natureza condutora. Por outro
lado, na semicondução do tipo P o silício é dopado com um elemento com três
elétrons na camada de valência, tipicamente o boro, menor que a camada do
silício. Esse fenômeno causa buracos na camada de valência do semicondutor,
pois há deficiência de um elétron.
A luz, segundo Einstein, se comporta como partícula e como onda. Como
partícula a luz é composta por elemento chamado de fóton. Esse elemento
possui um valor de energia inversamente proporcional a seu comprimento de
onda λ e é descrito na Equação (3), onde h é a constante de Planck e c é a
velocidade da luz. É esse elemento que incidirá na superfície dos painéis
solares, energizando então os elétrons livres.
𝑒 = ℎ𝑐
𝜆 (3)
A arquitetura de um painel solar está ilustrada na Figura 10 e é feita da
seguinte forma: a camada superior é um semicondutor, tipicamente silício, tipo
N, com excesso de elétrons. A camada inferior é um semicondutor do tipo P,
com uma deficiência de elétrons livres. Já a camada intermediária é chamada
de junção PN, onde alguns dos elétrons da camada N migram para a camada
P, e assim formando uma região de depleção, que é uma espécie de barreira
de potencial entre as duas camadas. A camada do tipo P mais próxima da
região fica positiva, enquanto a da camada tipo N fica negativa, formando um
campo elétrico entre as camadas.
20
Figura 10 - Região de depleção (Fonte: Portal Athos Electronics).
Quando um fóton penetra na camada do tipo P e entra na região de
depleção, ele é capaz de fornecer energia para os átomos de silício nessa
região e deslocam os elétrons de volta para a camada superior, resultando em
uma diferença de potencial entre a camada superior e inferior. Quando
conectado uma carga entre as camadas, ocorrerá o movimento de elétrons da
camada N para P, produzindo assim corrente elétrica.
3.2 TIPOS E RENDIMENTOS DOS MÓDULOS
FOTOVOLTAICOS
3.2.1 Tipos de células
Esta sessão tratará de alguns dos tipos mais comuns e tradicionais que
podem ser encontradas no mercado, assim como as suas eficiências.
3.2.1.1 Silício monocristalino
O silício monocristalino é uma célula formada por um único cristal
contínuo e é a forma mais pura do silício (cerca de 99.99% de silício). São
feitas através de lingotes de silício retangulares e cortados em finas camadas,
21
formando assim as células. Caracteriza-se por seu tom de cor azul-escuro, com
as bordas mais arredondadas e apresenta como vantagem a maior eficiência
entre as demais células e têm uma vida útil mais longa, porém são bastante
frágeis e têm um custo maior do que as células policristalinas.
Figura 11 - Células silício monocristalinas (Fonte: Portal Portal Solar).
3.2.1.2 Silício policristalino
O silício policristalino é produzido da mesma forma que os
monocristalinos, exceto que são formados por lingotes de vários cristais de
silício. Sua característica marcante é uma cor de azul mais clara em
comparação com o monocristalino, além de certos padrões em espirais na sua
superfície, e suas hastes são retangulares. Sua vantagem em relação à versão
monocristalina é que são mais baratos de produzir, porém são menos
eficientes.
22
Figura 12 - Célula policristalina (Fonte: Portal Sinovoltaics)
3.2.1.3 Filmes finos
De acordo com Abadi, Askari e Mirhabibi [17] esse tipo de célula solar é
formado a partir do depósito de finas camadas ou filme de material fotovoltaico
por cima de um substrato como plástico, vidro ou metal. Eles podem ser feitos
de telureto de cádmio (CdTe), Cobre, índio e gálio seleneto (CIGS) e filmes de
silício amorfo (a-Si). Eles são flexíveis, mais leves e mais baratos que os outros
tipos mais convencionais, porém têm menor eficiência. Essa tecnologia pode
ser inserida, como por exemplo, em janelas de vidro de prédios comerciais.
No caso das células de silício amorfo, que é o silício na sua forma
irregular não cristalina, são comumente produzidas por empilhamento, uma vez
que sua eficiência energética é baixa e sofrem degradação mais rapidamente.
Sua vantagem é a sua produção ser mais barata do que as versões cristalinas.
23
Figura 13 - Filme fino de silício amorfo (Fonte: Portal Damiasolar).
A Tabela 2 compara a eficiência de cada tipo de célula citado entre si,
levando em consideração também a eficiência em módulos.
Tabela 2 - Materiais e eficiência das células fotovoltaicas
Materiais e/ou
tecnologia Células Módulos
Laboratório Comercial
Si-monocristalino 22,8% 12-15% 10-13%
Si-policristalino Não informado 12% 11%
Fitas e placas Não informado 11% 10%
Filmes finos Não informado 7% Não informado
Si-amorfo 12% 9% 9%
Fonte: Lineu dos Reis, 2011 [18].
Ainda segundo Reis [18] “a eficiência em módulos diminui um pouco
devido ao fator de empacotamento, à eficiência ótica da cobertura frontal do
módulo, à perda nas interligações elétricas das células nos módulos e ao
descascamento nas características das células”.
24
3.3 RASTREADORES SOLARES
É muito comum os módulos solares serem instalados nos telhados das
casas, como o que está acontecendo na Europa. Isso faz com que o futuro da
geração de energia solar descentralize de grandes fazendas solares e ganhe
mais destaque na produção residencial. Nessas grandes fazendas solares há a
opção de inserir aparelhos que permitam a movimentação dos painéis solares
em um ou dois eixos a fim de maximizar a potência gerada. Isso é feito de
modo que a incidência dos raios solares seja perpendicular à superfície dos
módulos fotovoltaicos, ou seja, seguir a trajetória do sol ao longo do dia de
modo que o painel ao amanhecer esteja em face ao Leste e se move no seu
eixo até o fim do amanhecer ao Oeste.
Na geração residencial, devido à limitação física do espaço nos telhados
para os painéis e a área livre para manutenção, é impossível inserir os módulos
de rastreamento solar, portanto os painéis solares são fixos. Nesses casos
quando a geração é fixa os módulos estão em face de um dos pontos
cardinais. No Brasil a melhor direção é colocar as placas viradas para o Norte,
se possível. Evita-se, no entanto, de colocar face ao Sul, pois não irá gerar
tanta energia quanto aos outros pontos.
Segundo Anwar et al. [19] atualmente há diferentes tipos de
rastreamento solar. Em relação ao número de eixos livres, pode-se dividir entre
eixo fixo, um eixo e dois eixos.
3.3.1 Tipos de rastreadores quanto ao número de eixos
3.3.1.1 Sistema de eixo fixo
Nessa configuração o painel fotovoltaico está montado em uma estrutura
que permanece virada a uma direção fixa. Essa direção é definida como a que
melhor aproveita a incidência de luz solar, que varia com a latitude do local.
25
Caso esteja no hemisfério Norte, a melhor direção é ao Sul e caso esteja no
hemisfério Sul, ao Norte. Por causa dessa característica, é inviável a inserção
de rastreamento solar e assim, é necessária uma análise qualitativa da
eficiência energética do local.
3.3.1.2 Rastreador de um eixo
Nesse método de rastreamento o painel está montando em uma
estrutura que tenha um eixo livre de rotação, mais comumente alinhado ao
Norte ou Sul dependendo da latitude do local. O sistema é construído de forma
que busque em intervalos pré-definidos a posição que melhor os sensores se
ajustam na questão de minimizar o ângulo de incidência dos raios solares
sobre células (idealmente perpendicular).
De acordo com Chong e Wong [20] há três tipos de rastreamento desse
tipo: rastreador de eixo horizontal, rastreador de eixo inclinado e rastreador de
eixo vertical. O primeiro (Figura 14a) permanece paralelo à superfície e é
orientado nas direções Norte-Sul ou Leste-Oeste. O segundo (Figura 14b)
possui um ângulo de inclinação no seu eixo horizontal. Já o terceiro (Figura
14c), também conhecido como rastreador azimutal, gira no eixo vertical
colinear com o zênite e seguindo o azimute solar.
Figura 14 - Tipos de rastreados de um eixo: a) eixo inclinado, b) eixo horizontal e c) eixo
vertical ou azimutal (Fonte: Blog Pepperl+Fuchs).
26
3.3.1.3 Rastreador de dois eixos
O rastreador de dois eixos tem como função rastrear o sol a partir da
rotação de dois eixos de liberdade, que necessariamente são perpendiculares
entre um eixo e o outro. É um método mais preciso de rastreamento, pois há a
garantia da incidência perpendicular dos raios solares sobre as células
fotovoltaicas, porém elas consomem mais energia, requerem mais manutenção
e são mais complexos.
Chowdhury, Alam e Bakshi [21] compararam a eficiência de rastreadores
de um eixo e de dois eixos e percebeu-se um aumento de 23% e 28%,
respectivamente. Esse tipo de rastreamento é o mais indicado para locais em
latitudes mais altas, e pode ser divido em dois tipos: azimutal/elevação e tilt-
roll. No primeiro (Figura 15a), a placa solar está livre para se movimentar no
eixo azimutal e no eixo de elevação, já o segundo (Figura 15b) um eixo será
responsável pela rotação do conjunto de placas solares do sistema, enquanto
que o outro eixo é responsável em controlar o ângulo de inclinação das placas.
Figura 15 - Tipos de rastreamento solares de dois eixos: a) azimute/elevação e b) roll-tilt
(Fonte: LSF do EEE/SP).
27
3.3.2 Tipos de rastreadores quanto ao método de controle
3.3.2.1 Rastreadores passivos
Esses rastreadores usam dois cilindros (um a Leste e outro a Oeste)
conectados por um tubo de cobre e contendo um fluido de baixo ponto de
ebulição (R-12 ou R-134a) que se movimenta de um cilindro para o outro,
assim o módulo será orientado de acordo com esse desbalanço. Segundo
Bhole et al [23] a vantagem de ter esse tipo de sistema é que não precisa de
motor, o que aumenta a eficiência energética e sem os drivers reduz o custo.
Porém, a desvantagem é a demora na calibração logo ao início do dia, uma vez
que ambos os cilindros estão em estado de equilíbrio, a manutenção deve ser
constante e em dias de pouca insolação o sistema é muito pouco eficiente.
3.3.2.2 Rastreadores cronológicos
Esses rastreadores possuem uma rotação de acordo com a velocidade
aparente do Sol. A revolução do Sol é de 360° em 24 horas, então a estrutura
painel deve girar com velocidade de 15°/h durante o período de insolação.
Portanto, essa forma de rastreamento pode receber como parâmetros as
informações de localidade e executar em seu código o cálculo do
posicionamento do Sol e mandar um sinal de controle para atuação dos
motores.
3.3.2.3 Rastreadores ativos
Nesse tipo o rack do painel solar é controlado por motores, componentes
eletrônicos, sensores e circuitos de controle. O circuito de controle, podendo
ser um microcontrolador ou um notebook, dispara um sinal para os motores
28
girarem em um ou dois eixos dependendo do tipo de capacidade de orientação.
Esse microcontrolador pode ser um CLP (Controlador Lógico Programável) ou
uma placa Arduino, solidificada no mercado de pequeno porte.
O Arduino Uno é um dos vários tipos de placas microcontroladoras e foi
desenvolvido em 2005 pelos fundadores Hernando Barragán, Massimo Banzi e
David Cuartielles na cidade de Ivrea, Itália. O hardware é open-source, o que
significa que qualquer pessoa além dos desenvolvedores pode criar novos
componentes, assim como todos os detalhes de conexões, diagrama em
blocos e dados do circuito impresso. A linguagem de programação de sua IDE
(Integrated Development Environmnent) é C++ e por ser uma tecnologia de
fácil acesso existe inúmeras possibilidades de utilização dessa placa para
diversos projetos, inclusive para rastreamento solar.
Ainda segundo Silva e Stevan [24] o microcontrolador da placa é o chip
ATMEGA 328, possuindo 14 pinos de entrada/saída digital (dessas 6 podendo
ser utilizadas como PWM, 6 entradas analógicas, um clock de 16 MHz e outro
clock interno de 32 kHz. A placa ainda possui um conector para fonte externa
entre 7 e 12 V, outro plug de USB para conexão com um computador, tem duas
saídas de tensão regulada: uma de 5V e outra de 3.3V, e outra porta chamada
de Vin, que fornece a mesma tensão de entrada no conector de fonte externa.
Essas informações estão ilustradas na Figura 16.
Vale ainda ressaltar que o Arduino Uno possui limites de corrente que pode
ser fornecida ao circuito externo. Silva e Stevan [24] relatam que a corrente
máxima dos pinos de entrada/saída digitais são de 40 mA, a corrente máxima
do pino de 3.3 V é 50 mA, e a corrente total não pode passar dos 200 mA.
Essas especificações são crucias na hora de projetar circuitos para não haver o
risco de queimar a placa.
Visando aumentar a diversidade de utilização do Arduino, existem
módulos periféricos chamados de shields, os quais são circuitos impressos que
podem ser acoplados à placa, permitindo assim a comunicação com o chip
ATMEGA e a alimentação para o devido funcionamento. Alguns dos shields
mais comuns são o de ethernet W5100 shield (Figura 17a), que permite a
conexão ethernet e inserindo o uso da internet, e o Data Logger shield (Figura
29
17b), que permite o arquivamento de informações coletadas por sensores em
um cartão de memória, incluindo um relógio em tempo real para complementar
essa coleta.
Figura 16 - Funcionalidade dos pinos do Arduino Uno (Fonte: Portal Electro Schematics).
(a) (b)
Figura 17 - Periféricos para o Arduino: (a) ethernet W5100 shield e (b) Data logger shield
(Fonte: Portal Filipeflop).
30
4 SEGUIDOR SOLAR ANALÓGICO
Esse capítulo englobará a análise, proposto anteriormente por uma
aluna de iniciação científica. Primeiramente será descrito a arrumação do
circuito, composto de sensores, amplificadores, transistores e motor DC. A
seguir, será discutido cada aspecto construtivo do sistema, com propostas de
soluções. Por último, será discutida a viabilidade técnica no geral e será dado
um veredito sobre a produção desse sistema.
4.1 PROJETO INICIAL DO SEGUIDOR ANALÓGICO
A pesquisa começou através de uma bolsa de iniciação científica
intitulada “Projeto de um seguidor solar para pequeno porte” [25]. A ideia é
fazer um aparelho que possa seguir o Sol, a fim de movimentar a placa de
acordo com a luminosidade incidida nos sensores LDRs. Como a resistência
desse sensor é inversamente proporcional à luminosidade, assim ao colocar os
dois sensores em série aquele que apresentar menor queda de tensão entre
seus terminais será onde há a maior luminosidade. Esses sensores devem ser
posicionados nos extremos horizontais do módulo fotovoltaico e assim deverá
ser gerado um sinal de controle ao motor para ajustar a posição da placa solar
até que a queda de tensão entre os dois sensores seja aproximadamente igual,
com uma tolerância. O nome analógico foi dado a esse tipo de rastreador
porque os atuadores irão receber as leituras das tensões nos LDRs em Volts.
O circuito original proposto está ilustrado na Figura 18, onde foram utilizados
esses sensores, dois amplificadores de potência e um mecanismo de
acionamento do motor DC por ponte H.
No projeto original os sensores estão em série e alimentados por uma
fonte de 15 V. Em outro ramo a fonte de 15 V alimentará dois resistores iguais
em série. Então o circuito da geração do sinal de controle foi feito com um
amplificador na configuração de inversor. Com isso, pode-se colocar o sinal da
31
queda de tensão do sensor LDR 1 na entrada inversora e a tensão desejada (a
metade da tensão) de forma que sejam comparadas as duas, assim se forem
diferentes haverá sinal de controle para acionar o motor.
Figura 18 - Circuito inicial do rastreador analógico (Fonte: elaboração própria).
O acionamento do motor DC de 12 V, que consome cerca de 1 A, é
necessário ter transistores para que a corrente do sinal seja amplificada. Isso é
feito com os transistores BJT e são dispostos a formar a ponte H para controlar
o sentido da corrente. Houve a necessidade de incrementar um amplificador
subtrator para gerar um sinal contrário da saída do comparador com o objetivo
de polarizar a ponte H.
Os motores então irão girar quando o sinal ficar entre -15 V e -11.3 V, e
entre 11.3 V e 15 V. No intervalo entre os dois o motor permanecerá parado, o
que é equivalente a estar na posição adequada de rastreamento solar. Isso
também ocorre devido às tensões de polarização dos transistores e o fato
deles não serem ideais, havendo perdas.
Por fim, foi feito o circuito completo do rastreador solar e colocando o
ganho do amplificador como 10 através dos potenciômetros, se a queda de
tensão entre os LDRs for maior que 1.13 V o motor irá girar. Foi alegado que o
circuito da Figura 18 foi simulado no PSIM constatando o funcionamento.
Entretanto, o projeto físico apresentou falhas não especificadas e caberia
investigar a construção do circuito para encontrar tais incoerências.
32
4.2 ESTUDO DO SEGUIDOR SOLAR ANALÓGICO
4.2.1 Sinal de controle
O primeiro passo dado para investigar e chegar a possíveis soluções do
projeto foi refazer a simulação no PSIM com o objetivo de investigar o sinal de
controle ao motor. Remontando o circuito e iniciando a simulação, foi
constatado o primeiro problema no design: os sinais de queda de tensão no
LDR e o de referência que chegam ao comparador não são compatíveis com
os sinais projetados. Mesmo simulando o cenário o qual os LDRs estejam sob
iluminação igual, ou seja, a resistência deles é igual, a queda de tensão nunca
será igual a 7.5V porque existe o circuito da entrada no comparador em
paralelo com o sensor. Isso causa uma queda de tensão maior que os 7,5V de
referência porque haveria corrente nesse ramo e nessa situação o motor seria
acionado sem necessidade. Apenas a queda de tensão seria igual se as
resistências equivalentes nos dois ramos (LDR e tensão de referência) fossem
iguais, o que não ocorreria pelas características variáveis dos sensores.
Mediante isso, foi realizada uma alteração no projeto inicial. A substituição
foi realizada de tal forma que poderia ser comparado a queda de tensão entre
ambos os sensores e não mais entre a queda de um sensor e de um sinal de
referência. Isso extingue o problema de inconsistência nos valores, pois o
motor vai atuar diretamente na diferença entre a tensão nos sensores. A
primeira parte do circuito foi alterada para a da Figura 19, com um resistor em
série para cada sensor.
33
Figura 19 - Parte do circuito reajustada (Fonte: elaboração própria).
4.2.2 Modelo matemático do estágio inicial
Com a nova configuração da comparação entre a queda de tensão dos
dois LDRs, é necessário projetar os resistores em série com os sensores para
que a variação da tensão na saída do amplificador seja a menor possível. Faz-
se então o modelo matemático do seguinte circuito:
Figura 20 - Modelagem do circuito com suas variáveis (Fonte: elaboração própria).
34
Utilizando o método de superposição, primeiramente faz-se um curto em
uma das fontes de tensão para analisar a influência da outra fonte sobre a
saída V0 do amplificador e no final somam-se as duas colaborações. Portanto,
𝑉0 = 𝑉01+ 𝑉02
(4)
Fazendo para Vs2 igual a 0 têm-se que:
𝑉+ = 𝑉− = 0
porque o amplificador é considerado ideal. Daí achando a relação entre V1 e
V0:
𝑉1
𝑅𝑎=
−𝑉0
𝐴. 𝑅𝑎
𝑉01= −𝐴𝑉1 (5)
Utilizando a lei de Kirchoff para o ramo da entrada inversora do
amplificador:
𝑉𝑠1 − 𝑉1
𝑅𝑥=
𝑉1
𝑅+
𝑉1
𝑅𝑎 (6)
arrumando os termos,
𝑉𝑠1 = 𝑉1 (𝑅𝑎𝑅𝑥 + 𝑅𝑅𝑥 + 𝑅𝑅𝑎
𝑅𝑅𝑎) (7)
substituindo (5) em (7) e arrumando,
𝑉01= −𝐴𝑉𝑠1 (
𝑅𝑅𝑎
𝑅𝑎𝑅𝑥 + 𝑅𝑅𝑥 + 𝑅𝑅𝑎) (8)
Agora, fazendo o mesmo processo para a outra fonte de tensão, ou seja,
curtando Vs1:
𝑉+ = 𝑉2
𝐴
(𝐴 + 1) (9)
35
𝑉− = 𝑉02
𝑅𝑎 +𝑅𝑅𝑥
𝑅 + 𝑅𝑥
𝑅𝑎(𝐴 + 1) +𝑅𝑅𝑥
𝑅 + 𝑅𝑥
(10)
igualando (9) e (10) resulta em
𝑉2 = 𝑉02
𝐴 + 1
𝐴(
𝑅𝑅𝑎 + 𝑅𝑥𝑅𝑎 + 𝑅𝑅𝑥
𝑅𝑅𝑎(𝐴 + 1) + 𝑅𝑥𝑅𝑎(𝐴 + 1) + 𝑅𝑅𝑥) (11)
aplicando a lei de Kirchoff para o ramo da entrada não-inversora:
𝑉𝑠2 − 𝑉2
𝑅𝑦=
𝑉2
𝑅+
𝑉2
(𝐴 + 1)𝑅𝑎 (12)
resolvendo (12)
𝑉𝑠2 = 𝑉2 (𝑅𝑦𝑅𝑎(𝐴 + 1) + 𝑅𝑅𝑦 + 𝑅𝑅𝑎(𝐴 + 1)
𝑅𝑅𝑎(𝐴 + 1)) (13)
substituindo (11) em (13) e colocando em função de V02:
𝑉02= 𝐴𝑉𝑠2 (
𝑅𝑅𝑎(𝐴 + 1) + 𝑅𝑥𝑅𝑎(𝐴 + 1) + 𝑅𝑅𝑥
𝑅𝑅𝑎 + 𝑅𝑥𝑅𝑎 + 𝑅𝑅𝑥) (
𝑅𝑅𝑎
𝑅𝑦𝑅𝑎(𝐴 + 1) + 𝑅𝑅𝑦 + 𝑅𝑅𝑎(𝐴 + 1)) (14)
Por fim, substituindo (8) e (14) em (4), se obtém
𝑉0 = 𝐴 (𝑉𝑠2 (𝑅𝑅𝑎(𝐴 + 1) + 𝑅𝑥𝑅𝑎(𝐴 + 1) + 𝑅𝑅𝑥
𝑅𝑅𝑎 + 𝑅𝑥𝑅𝑎 + 𝑅𝑅𝑥) (
𝑅𝑅𝑎
𝑅𝑦𝑅𝑎(𝐴 + 1) + 𝑅𝑅𝑦 + 𝑅𝑅𝑎(𝐴 + 1))
− 𝑉𝑠1 (𝑅𝑅𝑎
𝑅𝑎𝑅𝑥 + 𝑅𝑅𝑥 + 𝑅𝑅𝑎)) (15)
Atribuindo os valores do projeto à Equação (15):
36
𝐴 = 3;𝑅𝑎 = 𝑅;𝑉𝑠1 = 9;𝑉𝑠2 = 9;
chega-se a
𝑉0 = 27𝑅
𝑅 + 2𝑅𝑥(
4𝑅 + 5𝑅𝑥
4𝑅 + 5𝑅𝑦− 1) (16)
Com esse resultado em mãos, pode-se observar através de (8) e (14)
que ambos possuem uma influência diferente na tensão de saída V0. Existe
uma influência do sensor Ry na queda de tensão V1 e consequentemente em
V0, o que produzirá um offset no verdadeiro valor de V1. Conclui-se então que
essa configuração não é a ideal para esse tipo de aplicação.
4.2.3 Software de simulação
Após a mudança descrita foi feito uma tentativa de simulação pelo PSIM,
entretanto a versão do software utilizada não possui uma vasta seleção de
componentes reais. Os amplificadores de potência e os transistores são
apenas os ideais e o motor DC, cujo nome no software é mechanical load,
requer o conhecimento dos parâmetros e um circuito de controle. Com base na
falta de recursos desse software, foi feito uma busca por outro programa que
pudesse simular com componentes reais o circuito do seguidor solar, e o
escolhido foi o software Proteus. Ele possui uma vasta biblioteca de
componentes eletrônicos, incluindo transistores BJT, amplificadores, o motor
DC, componentes lógicos, entre outros. Dentre esses fatos, esse programa foi
escolhido para realizar a simulação do projeto, conforme ilustrado na Figura 21.
37
Figura 21 - Diagrama do projeto no software Proteus (Fonte: elaboração própria).
4.2.4 Amplificadores de potência
Após receber e analisar os componentes no protoboard foi constatado que
os amplificadores de potência utilizados originalmente foram do modelo UA741.
Esse é um amplificador de uso genérico, de baixo custo, que possui
características para aplicações que necessitem de baixa corrente. Para o
propósito desse projeto alguns dos itens impedem a sua utilização:
1) Segundo o seu datasheet, a corrente máxima em curto é de 40 mA,
então na prática a corrente de carga na saída é muito menor. Diante do
fato do motor necessitar de 1 A em 12 V e a corrente de base nos
transistores (2N3055 e MJ2955) necessitar de 100 mA, os
amplificadores não iriam conseguir suprir esse valor.
2) Fato constatado na simulação. Os amplificadores, mais especificamente
o inversor, não conseguiram manter a tensão de saída. Seria necessário
trocar esses amplificadores para um de maior potência. Mesmo
colocando a tensão de alimentação do motor em 9 V, os amplificadores
não funcionam adequadamente.
A solução é utilizar um amplificador de potência de alta corrente como
OPA552PA. Esse elemento é capaz fornecer uma corrente de até 380 mA de
38
curto-circuito e 200 mA de corrente DC contínua, portanto é uma solução para
substituir os amplificadores anteriores. Na simulação essa solução também se
mostrou eficiente.
Outra questão é o projeto do ganho no amplificador diferencial que
compara as tensões nos sensores. Como qualquer componente real, os
amplificadores possuem uma tensão de saída máxima que conseguem prover.
No datasheet do amplificador OPA552PA a tensão máxima e mínima de saída
quando a corrente é de 200 mA são
𝑉𝑜𝑚𝑎𝑥 = 𝑉𝐶𝐶+ − 3
𝑉𝑜𝑚í𝑛 = 𝑉𝐶𝐶− + 3
portanto, alimentadas com uma bateria de 9V, a tensão máxima de saída será
6 V. Isso limita o ganho no amplificador e não poderá ter ganho 10 como
estipulado no projeto original. Em face disso, foi estimado por simulação que o
ganho máximo seria de 3 e assim os valores dos resistores deverão ser re-
ajustados.
4.2.5 Ponte H a transistores
O objetivo de se ter uma ponte H no circuito é controlar o sentido de
rotação do motor. Para que funcione adequadamente, os transistores devem
operar na região limítrofe de saturação (na junção entre a parte linear e a
saturação) para que não haja dissipação desnecessária de energia. Essa
região corresponde à invariância na corrente que o emissor pode entregar
mesmo havendo um incremento na corrente na base, ou seja, o emissor
entrega a corrente máxima para a carga. Então, é necessário projetar a
39
resistência na base dos transistores para limitar a corrente de base, assim
como o modelo dos transistores.
No design original, a ponte H estava configurada conforme a Figura 22a.
Essa configuração não é a correta, pois dessa forma está polarizando a base
dos transistores NPN (2N3055) e PNP (MJ2955) de maneira que force que a
tensão na base de ambos seja igual, o que não ocorre na configuração correta
como da Figura 22b. Os transistores PNP terão cerca de 8.3 V de tensão na
base enquanto o transistor NPN ou estará cortado e terá a tensão base-
emissor (Vbe) igual à tensão do amplificador de potência, ou estará saturado e
terá essa tensão aproximadamente igual à 0.7 V.
Por fim, é necessário também inserir diodos Schottky na ponte. A
característica dos diodos Schottky é ter uma velocidade de comutação mais
rápida e menor queda de tensão direta do que um diodo normal, entre 0.3 e
0.5V [22]. Nesse projeto, a finalidade desses diodos é descarregar a energia
nas bobinas do motor, fazendo assim um caminho para a corrente circular.
Sem esse mecanismo, podem ocorrer picos de tensão, fazendo que os
transistores queimem. Assim, é recomendável inseri-los do projeto de maneira
a proteger os componentes. Por consequência, o circuito da ponte H irá se
assemelhar com a da Figura 23. Os modelos dos transistores do projeto
anterior foram mantidos porque atendem às condições de carga.
(a) (b)
Figura 22 - (a) configuração original da ponte H; (b) nova configuração (Fonte: elaboração
própria).
40
Figura 23 - Ponte H com diodos Schottky (Fonte: elaboração própria).
4.2.6 Sensores LDR
Os Light dependent resistors são componentes que variam inversamente
seu valor de resistência com a intensidade de luz sob a superfície desses,
medida em lux. Esses sensores no projeto foram inseridos de maneira a
detectarem o desequilíbrio da luminosidade no painel, fazendo assim que a
placa siga a trajetória do Sol.
A curva característica da relação resistência vs. luminosidade está ilustrada
na Figura 24. Pode-se analisar que na região de baixa luminosidade qualquer
incremento de luz faz que a resistência diminua acentuadamente. Por outro
lado, em regiões de alta incidência solar o valor da resistência diminui de forma
mais suave. Devido a esse fato na região de cerca de 10,000 lx (bastante
iluminado) a variação queda de tensão no LDR poderá não ser suficiente de
maneira que faça acionar o motor. Pela simulação, o motor irá apenas
começar a girar quando o valor da diferença de tensão entre os sensores for de
5.11 V quando ambos os resistores em série com os sensores forem de 500 Ω
e ganho 3 no amplificador.
41
Figura 24 - Curva característica do LDR (Fonte: da Costa, Macêdo e Pedroso [26]).
Por isso, antes de montar o circuito do seguidor solar é necessário traçar
a curva característica para cada sensor a ser utilizado para efeito de
calibragem e conhecer os pontos de operação do sistema ao longo do dia.
Tipicamente sob alta luminosidade o valor da resistência dos sensores deve
ficar abaixo de 1 kΩ. Por consequência é necessário projetar adequadamente
os resistores em série com os sensores para regular a tensão de saída no
amplificador. Levando em consideração também o peso da estrutura e a inércia
do motor, vai existir um valor de tensão no amplificador que fará com que o
módulo entre na iminência de movimento, portanto é necessário conhecer
esses parâmetros para análise de eficiência do projeto.
Outra questão é analisar a vida útil dos sensores sob o Sol. Ao passar do
tempo, a película de plástico que protege o LDR vai se deteriorando e vai
ficando opaco. A resistência de pouca luz também muda e esses fatores
afetam a eficiência e dinâmica do circuito. Outro exemplo de incerteza é
quando houver dias nublados, com pouco Sol ou com bastante nuvem. Em dias
nublados a diferença de iluminação sobre os sensores pode não ser grande o
suficiente para ativar o sinal de controle ao motor, comprometendo ainda mais
a eficiência do sistema. Para dissertar melhor o comportamento do sistema sob
diferentes insolações, terá que ser feito um trabalho de pesquisa sobre um
protótipo.
42
4.2.7 Motor DC
Um motor a corrente contínua é um aparelho que transforma a potência
elétrica de corrente contínua em potência mecânica através da rotação do seu
eixo. Segundo Chapman [27], os motores DC possuem duas partes: o estator,
o qual dá o suporte físico através da carcaça, peças polares que propiciam um
caminho para o fluxo magnético e um mecanismo de criar um campo
magnético de referência (enrolamentos de campo ou ímã permanente); e o
rotor, o qual é a parte girante da máquina e é constituída de enrolamentos de
armadura, a qual é alimentada por uma fonte DC. A corrente DC no
enrolamento de armadura assim produzirá um campo magnético que irá seguir
o campo magnético do estator, produzindo movimento.
Em pequenos motores é mais comum serem de ímã permanente, o que
faz que possam ter seu tamanho reduzido e serem mais eficientes. O motor DC
utilizado no projeto original corresponde ao da Figura 25. Ele possui uma alta
rotação em sua tensão nominal de 12 V e 1.1 A de corrente nominal.
Justamente devido ao seu alto torque nominal, para fazer um ajuste fino
na posição do módulo solar seria necessário alimentar o motor a uma tensão
mais abaixo e introduzir um controle PID (proporcional, integral e derivativo) de
posição. Esse controle emprega um recurso de feedback ou controle de malha
fechada para gerar o sinal de erro. Caso não tivesse esse tipo de controle o
motor correria o risco de ou ficar oscilando entre posições que não
correspondem ao ponto ótimo de posição, ou ter um overshoot, ou seja, parar
num posição posterior ao ideal. Como as baterias externas são de 9 V e são
fáceis de serem encontradas, foi utilizada nas simulações essa alimentação
para a o motor.
43
Figura 25 - Motor DC do projeto original (Fonte: elaboração própria).
Existem duas maneiras de se fazer um controlador PID: 1) digital, onde o
Arduino é o responsável pelo pulso PWM de controle de posição do motor; (2)
analógico, utilizando amplificadores operacionais, resistores e capacitores.
Dessa maneira, a melhor forma de fazer o controle de posição desse motor DC
seria por via de controle PID analógico para consolidar o sistema analógico.
Figura 26 – Estrutura de um controlador PID (Fonte: Portal Microcontrolado).
4.2.8 Efeito da temperatura
44
Componentes eletrônicos como os transistores e resistores estão
sujeitos a mudanças em suas propriedades de acordo com a temperatura. Em
ambientes em que as condições de temperatura sejam muito elevadas, é
necessário que se estude e desenvolva um mecanismo de manutenção de
temperatura ambiente, afim de que as propriedades físicas e elétricas desses
componentes operem de forma linear e prevista.
Em resistores, o aumento da temperatura faz que as partículas que
compõe o material vibrem com mais intensidade, aumentando assim
a probabilidade de haver um choque entre as partículas desse
material e os elétrons na corrente. Assim, com o aumento da
temperatura o valor da resistência também aumenta;
Nos transistores de potência, de acordo com Sedra e Smith [22], a
temperatura da junção coletor-base não pode exceder um valor
especificado pelo fabricante ou poderá sofrer danos irreversíveis. O
aumento da temperatura também influencia na diminuição da
dissipação de potência, aumenta o ganho β de corrente e diminui a
tensão base-emissor.
No datasheet do transistor 2N3055 (Figura 27) a temperatura de junção
máxima deve ser de 200 ºC. O sistema sob insolação, num dia de 40 ºC deve
atingir cerca de 50 ºC, portanto os transistores suportariam a temperatura
ambiente.
45
Figura 27 - Encapsulamento do transistor 2N3055 (fonte: Portal Baú da eletrônica).
Diante desses fatos, para consolidar esse sistema em um ambiente
ensolarado e numa zona tropical, seria essencial criar um meio de
arrefecimento para essa parte do circuito, assim mantendo a temperatura à
aproximadamente 30 ºC ou outra temperatura projetada, assim impossibilitando
que o sistema mude o seu ponto de operação. Um exemplo desse sistema
seria colocar o sistema de seguidor solar dentro de uma caixa feita de isolante
térmico, que seja arrefecido por dois pequenos ventiladores nos extremos da
caixa: um para jogar o ar para dentro e o outro para fora. No entanto, esses
ventiladores teriam que ser alimentados pela saída do módulo fotovoltaico,
diminuindo a eficiência energética. Os transistores utilizados deverão ser
encapsulados.
4.3 ANÁLISE DE VIABILIDADE
O circuito final proposto do rastreador analógico está ilustrado na Figura
28. Com a tecnologia à disposição no momento da escrita desse trabalho e
pelos diversos fatores apresentados ao decorrer desse capítulo, é condizente
falar que o projeto do rastreador analógico não é viável tecnicamente pelos
seguintes motivos:
46
1) Dificuldades na elaboração do projeto. É preciso ter conhecimento de
operação e seleção de transistores, amplificadores de potência, estimar
o ponto de operação do motor, dimensionar os resistores, projeto da
ponte H e conhecimento na área de controle PID analógico;
2) Baixa eficiência. Haverá dissipação de energia nos sensores, resistores,
amplificadores de potência, transistores e no motor. Também haverá no
sistema de compensação de temperatura, caso haja. Existe a
possibilidade de ou alimentar o circuito através da tensão de saída da
placa solar ou através do uso de baterias. No caso das baterias a perda
de energia pelos componentes não entraria no cálculo final de eficiência,
porém teria que relevar o custo das baterias e a manutenção no cálculo
financeiro. Com a inclusão de um sistema de arrefecimento a eficiência
ficaria ainda menor;
3) Baixa eficácia. A sensibilidade do movimento dependerá fortemente da
saída do amplificador diferencial, a qual está associada aos cálculos da
queda de tensão nos sensores e no fator de movimentar todo o aparato
(módulo fotovoltaico + estrutura). O motor pode ou girar muito pouco ao
longo do dia ou pode ficar oscilando na posição ideal. Para isso haverá
necessidade de testar diferentes níveis de tensão para o motor. Em
tempos nublados o equipamento não conseguirá rastrear o Sol.
4) Em comparação com os projetos que utilizem o Arduino, é possível que
esse sistema custe mais e forneça de menos. Com o Arduino, é mais
fácil de estabelecer a sensibilidade do motor, além de inclusive poder
mudar o tipo de motor para um de passo, assim sendo possível controlar
sua posição. Outros componentes, como a ponte H podem ser trocados
por outros componentes que foram projetados para usar com o Arduino,
chamados de módulos. Ao passo que o trigger do sinal de controle pode
ser usado em código C++, mais fácil e confiável que usar amplificadores.
Em suma, o projeto não é viável porque há melhores opções e tecnologias
no mercado que facilitariam o projeto e apresentariam melhores resultados.
Como alternativa, sugere-se a substituição da rede de amplificadores de
potência pelo Arduino e umas das seguintes opções: (1) caso use o motor DC,
47
substituir a ponte H a transistores pode ser substituída pelo módulo L298, que
é um módulo de ponte H pronto para Arduino e adicionar um controle PID de
posição; ou (2) caso troque o motor, utilizar o servomotor 9g SG90. Assim, o
sistema poderá ser facilmente ajustado de forma a atender o objetivo de seguir
a trajetória do Sol.
48
Figura 28 - Diagrama final do circuito (Fonte: elaboração própria).
49
5 SEGUIDOR SOLAR DIGITAL
Nesse circuito será utilizado o microprocessador Arduino Uno, que irá
substituir a necessidade do uso dos comparadores e o servomotor 9g. Assim, o
nome digital foi dado a esse tipo de rastreador porque as leituras da queda de
tensão nos LDRs serão convertidas de Volts para bits no Arduino através de
suas portas A/D, tornando possível estabelecer um parâmetro de tolerância
razoável, da ordem de dezenas de mV, para o sinal de controle. É de se
esperar que esse tipo aumente a eficiência do sistema fotovoltaico porque a
todo o momento o controlador ajustará a posição do sistema de modo que os
raios solares incidam perpendicularmente sobre a superfície das placas
fotovoltaicas.
Serão feitos dois experimentos: o primeiro será para definir as
características elétricas do sistema fotovoltaico e estabelecer a carga cujo esse
sistema entrega a maior potência. Já o segundo terá fim de obter e comparar a
variação da potência ao longo do dia entre o sistema de eixo fixo e o sistema
com rastreador solar vertical de um eixo.
5.1 PROTÓTIPO DO SEGUIDOR DIGITAL A UM EIXO
A proposta de adicionar o Arduino é permitir um controle maior sobre o
monitoramento dos sensores. Esse microprocessador requer, no entanto, uma
fonte de alimentação externa entre 7 V e 12 V. O diagrama dos componentes
para esse protótipo está descrito na Figura 29. O protótipo irá girar em um eixo,
no sentido vertical, como melhoria do rastreador analógico também de eixo
vertical previamente discutido.
Nesse tipo de rastreamento, como discutido no Capítulo 3, um dos eixos
estará livre para rotação, enquanto que o outro estará fixo. Pode-se girar a
estrutura tanto no sentido horizontal quanto no sentido polar. Para esse projeto,
foi determinado que o eixo girasse no sentido horizontal. O protótipo foi feito
50
com uma barra de alumínio dividida em duas partes: a base de alumínio reta,
com um furo de fixação do motor, e uma parte inclinada em aproximadamente
23,9º, que corresponde à latitude do Rio de Janeiro. Nele foi utilizado rebite
para fixar três fitas metálicas que irão sustentar os mini-painéis solares, os
quais serão fixados por fitas de dupla face, e os sensores, os quais serão
fixados por cola quente. O motor é o servomotor 9g S90, que gira até 180º e é
bastante fácil de ser integrado com o Arduino, pois ele possui uma contagem
de passos de cerca de 1º, permitindo assim um giro preciso e que atende as
demandas do projeto e requer baixa corrente para ser acionado.
Figura 29 - Diagrama de blocos do seguidor de um eixo (Fonte: elaboração própria).
5.2 COMPONENTES UTILIZADOS E MONTAGEM
Para a montagem do protótipo foram utilizados:
Duas placas solares de 6 V e 1 W;
Arduino Uno R3;
Protoboard de 830 pontos;
Fios diversos;
Dois resistores de 10kΩ;
Um servomotor 9g S90;
Dois LDRs de 10mm;
Barra de alumínio;
Fita dupla face;
51
Fita metálica.
A barra de alumínio foi dobrada com um ângulo aproximado de 22.9° e
furada no centro de forma que fique equilibrada no eixo do servomotor. As fitas
metálicas foram cortadas em três pedaços, sendo a fita central mais alongada
para a colocação dos sensores, e fixadas na barra de alumínio por meio de
rebite. Fitas de dupla face foram dispostas ao longo da fita metálica para a
fixação das placas solares e os sensores dispostos nos furos extremos da fita
central. Por último, a base de alumínio foi fixada com o eixo do servomotor por
meio de um parafuso. A vista da base do protótipo final pode ser visto na
Figura 30, que está destacado o servomotor. Já na Figura 31 é a vista superior
do protótipo onde estão destacados os sensores e as placas solares.
Figura 30 – Vista da base do protótipo (Fonte: elaboração própria).
52
Figura 31 - Vista frontal do protótipo (Fonte: elaboração própria).
Já a integração entre os componentes e a ligação nas portas do
microprocessador está ilustrada na Figura 32. Cada sensor está em série com
um resistor de 10 kΩ para limitar a corrente que sai do Arduino. Assim, foi
conectado nas portas analógicas A0 e A5 os fios para o Arduino. Daí os valores
da queda de tensão se convertem em bits, de 0 a 1023. Então o código irá
monitorar esses valores e então, caso necessário, o microprocessador irá
mandar o sinal de controle para o servomotor através do sinal PWM na porta 9
de saída.
53
Figura 32 - Circuito de ligação com o Arduino (Fonte: elaboração própria).
5.3 MECANISMO DE PROGRAMAÇÃO UTILIZADO COM O
ARDUINO
Um código de programação é uma série de instruções que o usuário digita e
que serão executados pelo microcontrolador e é uma forma de comunicação
entre o humano e a máquina. O arquivo gerado por esse conjunto de
instruções se chama código-fonte. O código é escrito em um ambiente
chamado compilador, o qual traduzirá o código de uma linguagem para outra,
geralmente para a linguagem da máquina (código binário). Existem dois tipos
de linguagem: (i) a linguagem de baixo nível é a que possui pouco nível de
abstração, portanto é mais próxima da linguagem da máquina. O Assembly é
um exemplo desse grupo; (ii) a linguagem de alto nível é uma linguagem que
permite a escritura do código em palavras comuns ao ser humano, geralmente
em inglês. Devido a esse fato, são mais fáceis de aprender e são as mais
amplamente utilizadas. Alguns exemplos de linguagens de alto nível são
Python, Java e C++.
A linguagem do código no Arduino é feito na linguagem C++, em sua
própria IDE disponibilizada em seu site oficial. Os detalhes do código se
encontram no Apêndice A e o fluxograma do funcionamento está ilustrado na
Figura 33. O Arduino ficará monitorando o valor da tensão nos sensores, e se a
diferença entre eles passar do intervalo de tolerância, o sinal PWM de controle
54
irá acionar o motor para girar no sentido do sensor com maior luminosidade, a
um passo de cada vez, sempre monitorando a diferença de tensão. Caso fique
menor que a tolerância, o motor irá parar de girar, tendo alcançado o seu
objetivo e retornando ao estado inicial.
Figura 33 - Diagrama de blocos ilustrando o funcionamento do código (Fonte: elaboração
própria).
O valor da tolerância é especificado de forma que o motor consiga
rastrear com eficiência a fonte de luz. No entanto, diferentes fontes de luz
requerem diferentes valores de tolerância, pois a luminosidade incidente nos
sensores irá depender da intensidade da fonte e da distância dela do protótipo.
Por exemplo, foi feito um teste de simulação da trajetória do Sol utilizando uma
fonte LED de um celular, a 40º de inclinação e cerca de 75 cm de distância do
protótipo e foi verificado que o valor recomendado para essa configuração é de
80. Para valores mais baixos, o protótipo irá oscilar seu giro em certas
posições. Já para o Sol, como a diferença da incidência de raios solares entre
os sensores são menores, o valor da tolerância deverá ser menor.
5.4 DETERMINAÇÃO DA CARGA DE MÁXIMA POTÊNCIA
Esse experimento tem como objetivo determinar a carga de máxima
potência a partir das características elétricas do módulo fotovoltaico. Esse
ensaio foi feito em um dia ensolarado e foram utilizados:
Resistor 0.22 Ω/5 W;
Resistor 20 Ω/0.25 W;
55
Resistor 150 Ω/0.25 W;
Resistor 220 Ω/0.25 W;
Resistor 330 Ω/0.25 W;
Resistor 470 Ω/0.25 W;
Resistor 560 Ω/0.25 W;
Resistor 620 Ω/0.25 W;
Resistor 1 kΩ/0.25 W;
Resistor 10 kΩ/0.25 W;
Resistor 220 kΩ/0.25 W;
Multímetro digital;
Protótipo do rastreador;
Protoboard.
A metodologia utilizada foi colocar resistores em série com o sistema e
medir a tensão e corrente neles utilizando o multímetro digital. Com isso foram
obtidas as curvas das Figuras 34 e 35. Os resultados desse experimento estão
descritos no Apêndice B desse documento.
Figura 34 - Características elétricas do sistema fotovoltaico.
56
Figura 35 - Curva potência x tensão do sistema fotovoltaico.
Mediante essas curvas, é plausível afirmar que na Figura 34 entre 0 e 11.7
V o sistema se comporta como fonte de corrente. Dessa maneira a carga que
extrairá a maior potência do sistema corresponde à região limítrofe de fonte de
corrente, que pela Figura 35 é próximo de 11.8 V. Concluindo então, a melhor
carga está entre 200 e 300 Ω. Pode-se utilizar um resistor de 220 Ω para o
próximo experimento, pois é um valor comercial.
5.5 VARIAÇÃO DIÁRIA DA POTÊNCIA GERADA SOB
CARGA
O objetivo do teste em campo é obter dados e relatar o desempenho do
sistema de rastreamento solar em comparação com um sistema de eixo fixo. O
desempenho será dado pela diferença de potência entregue a uma carga de
220 Ω ao longo de um dia, das 7h até 18h.
O experimento foi realizado com os seguintes materiais:
Protótipo rastreador solar;
Protoboard;
Multímetro digital;
Resistor 220 Ω;
57
Notebook;
O local da montagem e realização de testes foi em uma área no bairro
da Barra da Tijuca, na cidade do Rio de Janeiro (Figura 36), sendo mostrada a
montagem na Figura 37. A amostragem dos dados de corrente e tensão na
carga foi de aproximadamente 20 minutos. Para coletar os dados de painel fixo,
os fios de alimentação foram desconectados e o sistema posicionado voltado
para o Norte. O dia estava parcialmente nublado e com temperatura de 30º C.
Figura 36 - Local do experimento destacado em vermelho (Fonte: Google Maps, adaptado).
Figura 37 – Protótipo no local do experimento.
58
Após a obtenção dos dados, foi traçado o gráfico da potência de saída
dos painéis solares em relação ao horário das medidas, como ilustrado na
Figura 38. Nota-se que o maior ganho de potência provido pelo rastreamento
solar se dá na parte da manhã (7h às 10h) e no fim da tarde (14h às 18h),
quando o Sol está nascendo e se pondo. Os dados obtidos durante esse
experimento estão inseridos no Apêndice C.
Figura 38 - Amostragem da potência gerada pelo módulo solar nas configurações de painel fixo
e com rastreamento.
Deseja-se calcular o ganho de desempenho durante esse tempo. Para
tal, utiliza-se a Equação (17) primeiramente para calcular o valor médio de
cada curva e em seguida com esses resultados utiliza-se a Equação (18) para
calcular o ganho de eficiência. Como são duas placas de 6 V e 1 W ligadas em
série, a potência nominal do sistema será de 2 W, sendo esse valor
correspondente ao ymáximo na Equação (18).
𝑘 =∑ 𝑓𝑘(𝑖)𝑁
𝑖=0
𝑁𝑘 (17)
59
𝜂𝑘(%) =𝑘
𝑦𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜. 100 (18)
Tabela 3 - Valor médio de potência e eficiência para cada tipo de eixo
Tipo de eixo Valor médio de
potência (mW) Eficiência (%)
Fixo 408.84 20.44
Móvel com rastreador 511.80 25.59
Fonte: elaboração própria
Pela Tabela 3 o sistema com rastreador apresentou uma diferença de
desempenho de 5.15% a mais de potência gerada do que o sistema de eixo
fixo em relação à potência nominal e um aumento de 25.18% quando se
compara a variação entre ambos os sistemas. Esse resultado ficou dentro do
esperado uma vez que em comparação com o sistema de dois eixos, realizado
por Gustavo de Faria Duarte [28] em seu projeto, apresentou ganho de 8.44%.
Portanto, esse resultado reforça o argumento que o sistema de rastreamento
solar a um eixo é capaz de aumentar razoavelmente a geração de potência e
energia no sistema fotovoltaico em relação ao sistema de eixo fixo.
É preciso ressaltar que o Arduino Uno precisa de uma corrente de consumo
para o seu chiptset ATMEGA328P para funcionar. No modo de espera essa
corrente é cerca de 30 mA, portanto para placas com baixa potência é
necessário avaliar o custo-benefício em se acrescentar rastreamento solar.
60
6 CONCLUSÕES
O objetivo desse trabalho foi primeiramente analisar a viabilidade de
construção de um protótipo de rastreamento solar analógico, usando
puramente componentes eletrônicos como comparadores, sensores de luz e
amplificadores. Utilizando ferramentas de análise de circuitos (softwares) e
bibliografia utilizadas nas disciplinas do curso de Engenharia Elétrica, o circuito
original foi refeito e pode-se concluir que esse tipo de rastreador é possível de
se realizar, porém seria pouco eficiente devido à sua alta complexidade de
elaboração. Então, foi proposta a substituição de tal sistema por um protótipo
digital, utilizando o microprocessador Arduino para realizar o controle de
posição pela diferença de valores entre os sensores. Os dados relativos aos
dois sistemas de captação solar (eixo fixo e rastreado) foram coletados no
mesmo dia, alternadamente, utilizando o mesmo multímetro.
Algumas dificuldades foram encontradas, como a tentativa de se fazer um
protótipo do rastreador solar à base de acrílico, que não se apresentou como
boa solução, sendo substituído por uma estrutura de alumínio. Outro obstáculo
foi assimilar as condições climáticas na análise dos dados. O dia do
experimento foi de um dia parcialmente nublado no local e após as 16h a
potência do sistema apresentou altas variações durante a tomada de dados.
Foi preciso esperar que cenários de condições parecidas entre os dois
sistemas e fazer uma rápida tomada de dados, ou seja, que os dados de
corrente e tensão na carga fossem medidos de forma que a insolação nos
painéis fosse semelhante.
O objetivo principal do projeto de construir um protótipo de rastreador solar
capaz de movimentar seu eixo acompanhando a trajetória do Sol foi
plenamente alcançado, tendo o dispositivo se mostrado capaz de seguir a
variação da posição do Sol durante o dia. Além disso, ainda foi mostrado o
efeito da melhoria do rendimento na captação da energia solar como resultado
do rastreamento.
61
Pelo resultado obtido o ganho de 5.15% no experimento de alimentação de
uma carga ao longo do dia, pode-se concluir que, mesmo o sistema de
rastreamento solar a um eixo já melhora bastante a eficiência energética do
sistema de captação fotovoltaica, portanto sendo uma solução mais vantajosa
que o de eixo fixo. É importante ressaltar que é crucial fazer uma análise de
insolação do local a ser instalado o sistema fotovoltaico, além da análise do
incremento nos custos do sistema com a adição do rastreador, quando
comparado ao ganho da geração e a análise de custo-benefício ao se introduzir
um rastreador para sistemas fotovoltaicos de pequeno porte.
Ao decorrer desse projeto, várias práticas habituais de engenharia tiveram
que ser utilizadas como a análise de circuitos, dimensionamento de
componentes eletrônicos por aspectos de engenharia e aspectos econômicos,
busca por soluções de construção do protótipo que se adéquem ao orçamento
e ao dimensionamento dos componentes eletrônicos. Tudo isso trouxe mais
experiência e conhecimento para serem utilizados em projetos futuros tanto no
âmbito acadêmico como profissional.
Como forma de melhorar esse sistema para futuros projetos, recomenda-se
utilizar o rastreamento horizontal, assim o sistema apresentará melhores
resultados para a entrega de potência. Outro ponto é substituir a protoboard e
os fios jumpers por uma placa impressa de PCB e fios de 1.5 mm² para uma
melhor inserção e evitar que os fios se desconectem durante o movimento de
rotação. Por fim, fazer a análise do sistema com carga apresentaria resultados
mais próximos da realidade, e assim recomenda-se integrar o sistema de
minipainéis com uma carga, medindo o MPPT (Maximum Power Point
Tracking) e medindo a potência máxima gerada. Outra possibilidade futura é o
condicionamento melhor do sinal dos LDRs através de um amplificador
operacional antes de usar seu sinal pelo Arduino.
62
REFERÊNCIAS
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[27] CHAPMAN, S. Tradução Anatólio Laschuk. Fundamentos de Máquinas
Elétricas. 5ª ed, Porto Alegre, AMGH, 2013.
65
[28] DUARTE, G. “Desenvolvimento de um protótipo biaxial”, Universidade
Federal do Rio de Janeiro, 2019.
66
APÊNDICE A – Código do rastreador solar a um eixo
#include <Servo.h> //biblioteca das funções relacionadas ao servo motor
Servo motor_horizontal; //instanciar o servo motor
const int ldr1Pin = A0; //onde o LDR1 está conectado no Arduino
const int ldr2Pin = A5; //onde o LDR2 está conectado no Arduino
int servo_pos = 90; //posição inicial do servo
int servo_pos_max = 180; //posição máxima que o servo pode girar;
int servo_pos_min = 3; //posição mínima que o servo pode girar;
const int tolerancia = 15; //tolerância estimada de valores de tensão entre os
LDRs
void setup() //irá rodar uma vez
pinMode(ldr1Pin, INPUT); //definir o pino do LDR1 como entrada de
informação
pinMode(ldr2Pin, INPUT); //definir o pino do LDR2 como entrada de
informação
motor_horizontal.attach(9); //onde o motor está conectado no Arduino
motor_horizontal.write(90); //quando inicializar o programa, mover o motor
para a posição neutra
void loop() //irá rodar indefinitivamente
67
//Cálculo da diferença de tensão nos LDRs:
int ldr1status = analogRead(ldr1Pin); //ler o valor de tensão no LDR1
int ldr2status = analogRead(ldr2Pin); //ler o valor de tensão no LDR2
int diff_ldr = ldr1status - ldr2status; //calcular a diferença de tensão nos LDRs
//Código da rotação do servo motor
if (diff_ldr > tolerancia && servo_pos < servo_pos_max) //Vldr1 > Vldr2;
Executar se a diferença passar da tolerância e não estiver na posição máxima
servo_pos = ++servo_pos; //girar num sentido
motor_horizontal.write(servo_pos); //atualizar a posição
if (diff_ldr < -1*tolerancia && servo_pos > servo_pos_min) //Vldr1 < Vldr2;
Executar se a diferença passar da tolerância e não estiver na posição mínima
servo_pos = --servo_pos; //girar no outro sentido
motor_horizontal.write(servo_pos); //atualizar a posição
68
APÊNDICE B – Resultados obtidos na realização do
experimento de determinação da carga
Tabela - Dados do experimento de determinação da carga
Resistor (Ω) Tensão (V) Corrente (mA) Potência (mW)
0.00 0.00 61.50 0.00
0.22 0.01 61.30 0.82
20.00 1.20 60.30 72.36
73.00 3.62 59.30 214.67
92.80 5.48 57.80 316.74
112.20 6.28 56.70 356.08
144.00 8.09 56.50 457.09
165.50 9.10 56.30 512.33
213.00 11.80 55.40 653.72
320.00 12.55 39.20 491.96
459.00 12.71 27.60 350.80
550.00 12.83 23.10 296.37
604.00 12.84 21.10 270.92
1100.00 12.84 11.40 146.38
4940.00 13.03 2.50 32.58
9810.00 13.03 1.31 17.07
219000.00 13.04 0.06 0.76
Infinito 13.05 0.00 0.00
69
APÊNDICE C – Resultados obtidos na realização do
experimento de variação diária da potência gerada sob
carga
Tabela - Dados de painel fixo (continua)
Hora Tensão (V) Corrente (mA) Potência (mW)
7:00 0.87 4.05 3.52
7:22 1.05 4.86 5.10
7:38 4.80 21.70 104.16
7:45 5.47 25.00 136.75
8:05 7.22 33.90 244.76
8:23 8.06 37.30 300.64
8:40 8.99 42.00 377.58
8:58 10.13 47.90 485.23
9:10 10.88 51.00 554.88
9:30 12.13 57.10 692.62
9:45 12.18 57.20 696.70
10:07 12.13 56.80 688.98
10:26 12.35 58.10 717.54
10:45 12.42 58.30 724.09
11:01 12.46 59.40 740.12
11:21 12.40 59.00 731.60
11:39 12.58 59.30 745.99
12:01 12.66 59.80 757.07
12:24 12.55 58.70 736.69
12:38 12.56 59.20 743.55
13:15 12.59 59.10 744.07
14:01 12.48 58.60 731.33
70
Tabela - Dados de painel fixo (conclusão)
Hora Tensão (V) Corrente (mA) Potência (mW)
14:24 12.25 57.60 705.60
14:46 11.65 54.40 633.76
15:10 10.50 51.00 535.50
15:27 9.91 45.50 450.91
15:44 7.81 35.20 274.91
16:02 6.54 31.10 203.39
16:21 3.68 18.10 66.61
16:37 4.81 21.00 101.01
16:54 2.42 10.80 26.14
17:18 2.36 10.80 25.49
17:28 1.61 7.30 11.75
17:42 1.76 8.00 14.08
17:53 0.94 4.33 4.07
18:06 0.66 3.11 2.05
Tabela - Dados de rastreador (continua)
Hora Tensão (V) Corrente (mA) Potência (mW)
7:04 1.01 4.65 4.70
7:21 1.19 5.54 6.59
7:37 9.00 40.80 367.20
7:44 9.86 46.40 457.50
8:04 10.96 52.20 572.11
8:22 12.04 56.50 680.26
8:39 12.10 56.70 686.07
8:57 12.27 57.80 709.21
9:09 12.31 58.10 715.21
9:29 12.34 58.40 720.66
71
Tabela - Dados de rastreador (conclusão)
Hora Tensão (V) Corrente (mA) Potência (mW)
9:44 12.54 58.40 732.34
10:06 12.42 58.20 722.84
10:25 12.52 58.90 737.43
10:44 12.54 59.20 742.37
11:00 12.85 60.10 772.29
11:20 12.54 59.20 742.37
11:38 12.58 59.10 743.48
12:00 12.66 59.80 757.07
12:24 12.55 58.70 736.69
12:38 12.56 59.20 743.55
13:14 12.73 59.80 761.25
14:00 12.72 59.90 761.93
14:23 12.63 59.50 751.49
14:45 12.66 59.50 753.27
