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Centro Universitário Positivo - UnicenP Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas – NCET
Engenharia da Computação Marco Aurélio Rutes
Sistema de Monitoramento e Controle de um Veículo Movido a Célula a Combustível Reversível
Curitiba 2006
ii
Centro Universitário Positivo - UnicenP Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas – NCET
Engenharia da Computação Marco Aurélio Rutes
Sistema de Monitoramento e Controle de um Veículo
Movido a Célula a Combustível Reversível
Monografia apresentada à
disciplina de Projeto Final, como
requisito parcial à conclusão do
Curso de Engenharia da
Computação. Orientador: Prof.
Nestor Saavedra
Curitiba 2006
iii
TERMO DE APROVAÇÃO
Marco Aurélio Rutes
Sistema de Monitoramento e Controle de um Veículo Movido a Célula Combustível Reversível
Monografia aprovada como requisito parcial à conclusão do curso de
Engenharia da Computação do Centro Universitário Positivo, pela seguinte banca
examinadora:
Prof. Nestor Saavedra (Orientador)
Prof. José Carlos da Cunha
Prof. Alessandro Zimmer
Curitiba, 29 de novembro de 2006.
iv
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus primeiramente pelos anos de batalhas e conquistas;
A minha esposa Vanessa que me apoiou e teve muita paciência ao longo
deste tempo;
Ao professor e amigo Nestor Saavedra pela orientação;
A professora Sandra e ao Mauricio Cantão do LacTec, pelo empréstimo do kit
do veículo movido a célula combustível;
Ao meu amigo Alexandre Leal pelo apoio e amizade;
Ao meu amigo Helton Marques pelo empréstimo dos transceptores;
Ao meu amigo Alfonso Márquez pela amostras dos microcontroladores.
v
SUMÁRIO
1. Introdução ............................................................................................................1
1.1. Histórico ........................................................................................................1
1.2. Objetivo.........................................................................................................2
1.3. Motivação......................................................................................................3
2. Fundamentação Teórica ......................................................................................4
2.1. Célula Fotovoltaica........................................................................................4
2.1.1. Características .......................................................................................6
2.1.2. Eficiência ...............................................................................................7
2.2. Célula Combustível .......................................................................................8
2.2.1. Princípio da Célula Combustível ............................................................8
2.2.2. Célula a Combustível Tipo PEM ..........................................................11
2.2.3. Termodinâmica da Célula Combustível ...............................................12
2.2.4. Análise Eletroquímica ..........................................................................15
2.2.5. Célula a Combustível Reversível .........................................................16
2.2.6. Estequiometria da Célula Combustível ................................................18
3. Especificação Técnica........................................................................................20
3.1. Especificação do Hardware ........................................................................20
3.1.1. Módulo RF-232 ....................................................................................21
3.1.1.1. Componentes ...............................................................................21
3.1.1.2. Diagrama em Blocos ....................................................................22
3.1.2. Módulo ADeC (Aquisição Dados e Controle) .......................................23
3.1.2.1. Componentes ...............................................................................24
3.1.2.2. Diagrama em Blocos ....................................................................25
3.1.3. Ambiente de Desenvolvimento ............................................................26
3.1.4. Requisitos ............................................................................................26
3.2. Especificação do Software..........................................................................26
3.2.1. Funções ...............................................................................................26
3.2.2. Ambiente de Desenvolvimento ............................................................27
3.2.3. Requisitos ............................................................................................27
3.2.4. Fluxograma..........................................................................................28
3.2.5. Protótipos de tela da Interface .............................................................32
3.3. Calibração...................................................................................................35
vi
3.4. Validação ....................................................................................................37
3.5. Resultados ..................................................................................................38
4. Projeto................................................................................................................39
4.1. Projeto de Hardware ...................................................................................39
4.1.1. Sinais de Interface ...............................................................................39
4.1.2. Lista de Materiais.................................................................................40
4.2. Projeto de Software.....................................................................................41
4.2.1. Lógica ..................................................................................................41
4.2.1.1. Diagrama de Casos de Uso..........................................................41
4.2.1.2. Diagramas de Seqüência .............................................................42
4.2.1.3. Diagrama de Classes ...................................................................46
4.2.2. Firmware ..............................................................................................48
4.2.2.1. Fluxograma do Módulo RF-232 ....................................................48
4.2.2.2. Fluxogramas do Módulo ADeC.....................................................49
5. Cronograma de Desenvolvimento......................................................................51
6. Estudo de Viabilidade Técnico-Econômica ........................................................52
7. Conclusão ..........................................................................................................53
8. Referências bibliográficas ..................................................................................54
9. Anexos ..................................................................Erro! Indicador não definido. 9.1. Esquemáticos ................................................Erro! Indicador não definido. 9.2. Placa de circuito impresso .............................Erro! Indicador não definido. 9.3. Lista de componentes ....................................Erro! Indicador não definido. 9.4. Artigo cientifico...............................................Erro! Indicador não definido.
vii
Lista de figuras
Figura 1 - Corte Transversal de uma Célula Fotovoltaica ..........................................4
Figura 2 - Efeito Fotovoltaico na Junção PN ...............................................................6
Figura 3 - Curva Característica da Célula Fotovoltaica ...............................................7
Figura 4 - Esquema de uma Célula a Combustível ....................................................9
Figura 5 - Tabela de tipos de Células a Combustível................................................10
Figura 6 - Esquema de Funcionamento de uma Célula tipo PEM.............................11
Figura 7 - Representação do Desempenho da Célula a Combustível.......................16
Figura 8 - Diagrama em Blocos do Hardware do Sistema .......................................20
Figura 9 - Microntrolador PIC18F1320 ......................................................................21
Figura 10 - Transceptor TRF-2.4G ...........................................................................22
Figura 11 - Diagrama em Blocos do Módulo RF-232 ................................................23
Figura 12 - Microntrolador PIC18F458 ......................................................................24
Figura 13 - Sensor Temperatura LM35 .....................................................................25
Figura 14 - Diagrama em Blocos do Módulo ADeC...................................................25
Figura 15 - Fluxograma Geral do Software HySoft....................................................28
Figura 16 - Fluxograma Geral do Software HySoft....................................................29
Figura 17 - Tela Inicial do Software...........................................................................32
Figura 18 - Opção Porta...........................................................................................33
Figura 19 - Opção Dados ..........................................................................................33
Figura 20 - Opção Sobre...........................................................................................33
Figura 21 - Tela Principal Software - Aba Geração H2 .............................................34
Figura 22 - Tela Principal do Software - Aba Resumo ..............................................34
Figura 23 - Fonte Externa HP6631C .........................................................................35
Figura 24 - Resumo Gerado pelo Software ...............................................................37
Figura 25 - Diagrama de Caso de uso ......................................................................41
Figura 26 - Diagrama de Seqüência “Ligar Motor CF” ..............................................42
Figura 27 - Diagrama de Seqüência “Ligar Motor CCR” ...........................................43
Figura 28 - Diagrama de Seqüência “Eletrólise”........................................................43
Figura 29 - Diagrama de Seqüência “Medir Irradiação" ............................................43
Figura 30 - Diagrama de Seqüência “Desligar processo”..........................................44
Figura 31 - Diagrama de Seqüência “Alterar porta”...................................................44
Figura 32 - Diagrama de Seqüência “Consultar dados” ............................................45
Figura 33 - Diagrama de Seqüência “Salvar Dados”.................................................45
viii
Figura 34 - Diagrama de Seqüência “Enviar ping” ....................................................46
Figura 35 - Diagrama de Classes..............................................................................47
Figura 36 - Fluxograma do Firmware Módulo RF-232...............................................48
Figura 37 - Fluxograma do Firmware Módulo ADeC.................................................49
Figura 38 - Fluxograma da Interrupção Timer1 .........................................................50
Figura 39 - Fluxograma da Interrupção Externa 0.....................................................50
Figura 40 - Fluxograma da Interrupção Externa 1.....................................................50
Figura 41 - Cronograma ............................................................................................51
Figura 42 - Esquemático em Blocos do Módulo ADeC Erro! Indicador não definido. Figura 43 - Esquemático dos Atuadores/Shunt - Módulo ADeCErro! Indicador não
definido. Figura 44 - Esquemático da Fonte Alimentação Interna - Módulo ADeC ............. Erro!
Indicador não definido. Figura 45 - Esquemático do Transceptor - Módulo ADeCErro! Indicador não
definido. Figura 46 - Esquemático da Unidade de Processamento - Módulo ADeC........... Erro!
Indicador não definido. Figura 47 - Esquemático do Módulo RF-232................Erro! Indicador não definido. Figura 48 - Placa de Circuito Impresso - Módulo RF-232Erro! Indicador não
definido. Figura 49 - Placa de Circuito Impresso - Módulo ADeCErro! Indicador não
definido.
ix
Lista de tabelas
Tabela 1 - Medição da Irradiação Solar ....................................................................36
Tabela 2 - Sinais Digitais de Interface Módulo RS-232 .............................................39
Tabela 3 - Sinais Digitais de Interface Módulo ADeC................................................39
Tabela 4 - Sinais Analógicos de Interface Módulo ADeC..........................................40
Tabela 5 - Estudo de Viabilidade Técnico-Econômica ..............................................52
Tabela 6 - Descrição dos Conectores - Módulo RF-232Erro! Indicador não definido.
Tabela 7 - Descrição dos Conectores - Módulo ADeC.Erro! Indicador não definido.
x
Lista de Símbolos
A/D: Conversão Analógico Digital.
CCR: Célula Combustível Reversível.
CF: Célula Fotovoltaica.
CMOS: (Complementary Metal Oxide Semiconductor) Semicondutor de Metal Óxido
Complementar.
DIP: (Dual in Package) Encapsulamento de Circuitos integrados com distribuição de
pinagens em linha dupla. EEPROM: (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory).
FLASH: Tipo de memória baseado no EEPROM.
LVP: (Low Voltage Programmer).
MIPS: Milhões de Instruções por Segundo.
mA: miliampére. OTP: One-Time Programmable.
PC: (Personal Computer). PEM: (Próton Exchange Membrane). RF: Rádio Freqüência. SOIC: (Small Outline Integrated Circuit). USART: (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter).
RISC: (Reduced Instruction Set Computer).
xi
RESUMO
Este trabalho detalha a construção de um sistema de monitoramento e
controle de um veículo didático movido à célula combustível reversível. O sistema é
composto por hardware e software que integrados possibilitam o levantamento da
eficiência da célula.
O hardware basicamente é composto por dois transceptores, dois
microcontroladores e um veículo didático movido à célula combustível reversível. O
veículo didático apresenta um painel fotovoltaico que realiza a eletrólise da água na
própria célula combustível, gerando hidrogênio e oxigênio e que são armazenados
em dois pequenos cilindros presentes no veiculo. Após o término da eletrólise, a
célula combustível fornece energia elétrica ao motor do veículo. O microcontrolador
presente no veículo gerencia a aquisição dos dados como temperatura, distância
percorrida do veículo, tensão e corrente elétrica presentes na célula combustível
reversível e no painel fotovoltaico.
Através dos transceptores e dos microcontroladores, os dados são
transmitidos para o microcomputador, que executa um software desenvolvido
especialmente para lê-los e tratá-los. Como resposta, é gerado um resumo do
processo da eletrólise e da geração energia elétrica, bem como a eficiência da célula
combustível.
Palavras-chave: Célula combustível, célula fotovoltaica, hidrogênio, eletrólise,
eficiência.
xii
ABSTRACT
This work details a construction of a system that monitor and control a didactic
reversible fuel cell vehicle. The system is the composed hardware and software that
integrated, make possible the survey of its efficiency of the reversible fuel cell.
The hardware basically is composed for two transceivers, two microcontrollers
and a didactic reversible fuel cell vehicle. The didactic vehicle contains a solar cell
that carries through the electrolysis of the water in the proper fuel cell, generating
hydrogen and oxygen that are stored in two gas tanks. After the ending of
electrolysis, the fuel cell supplies electric energy to vehicle is engine. The
microcontroller in the vehicle manages the acquisition of the data as temperature,
covered distance by the vehicle, voltage and current electric supplied by the
reversible fuel cell.
After acquisition by transceivers and of the microcontrollers, the data are
transmitted to the microcomputer, which executes a software developed especially to
read and treat them. As a reply, a summary of the electrolysis process, the electric
energy generated and the efficiency of the reversible fuel cell.
Keywords: fuel cell, solar cell, hydrogen, electrolysis, efficiency.
1
1. INTRODUÇÃO
A célula combustível é uma das grandes promessas na geração de energia
para os veículos no futuro, através da substituição dos motores a combustão que
utilizam o petróleo como combustível por motores elétricos alimentados por células
combustíveis.
A reserva mundial de petróleo deverá se esgotar por volta de 2050. No Brasil,
a sua reserva deverá durar até 2025 (NETO, 2005). Devido a este fato, estudos de
células combustíveis estão sendo realizados em todo mundo, para minimizar os
custos de fabricação, tornando-a mais acessível e para descobertas de técnicas de
geração e armazenagem do hidrogênio através de processos eficientes e não
poluentes.
A célula combustível é uma tecnologia que utiliza a combinação química entre
os gases oxigênio (02) e hidrogênio (H2) para gerar energia elétrica, energia térmica
(calor) e água (NETO, 2005).
Há diversos processos para obtenção do hidrogênio, entre eles temos a
eletrólise da água, que juntamente com uma fonte renovável de energia primaria
como a solar, podemos obter hidrogênio de uma maneira ecologicamente correta.
Sabendo disso, este trabalho visa pesquisar a eficiência da célula combustível
reversível utilizando como fonte primaria a energia solar para obtenção do
hidrogênio através da eletrólise da água, aplicado em um veículo didático.
1.1. Histórico
O século XIX foi o século das descobertas e dos experimentos com a
eletricidade. Alessandro Volta apresentou a pilha à Royal Society of London em
1800. William Nicholson e Sir Anthony Carlisle descobriram a obtenção dos gases
hidrogênio e oxigênio através da passagem de eletricidade na água, primeira
demonstração do princípio da eletrólise.
A primeira célula a combustível foi desenvolvida em 1839 por um físico inglês
chamado William Grove. Ele tentou fazer o processo reverso da eletrólise,
combinando hidrogênio e oxigênio para produzir eletricidade e água. A experiência
teve sucesso, mas sua invenção chamada por ele de “bateria a gás”, não tinha muita
2
aplicação prática naquela época. No mesmo ano de 1839, Edmund Becquerel
descobriu o efeito fotovoltaico em determinados materiais, expondo-os a luz
geravam energia elétrica. Anos depois, em 1889, o nome “célula a combustível” foi
criado por dois cientistas, Ludwig Mond e Charles Langer, mas não tiveram muito
êxito.
A célula combustível só começou a ganhar vida no final dos anos 30, quando
o inglês Francis Thomas Bacon desenvolveu células combustível de eletrólito
alcalino. Em 1959, ele demonstrou um sistema de célula combustível de 5kW para
fazer funcionar uma máquina de solda. No entanto, somente com a Agência
Espacial dos EUA, a NASA, a célula combustível começou a ser aplicada na prática,
com a utilização nos projetos Gemini e Apollo. A NASA precisava de um
equipamento que pudesse gerar energia com eficiência, e que utilizasse um
combustível leve e com grande densidade de energia: o hidrogênio.
1.2. Objetivo
O objetivo deste projeto é pesquisar a eficiência de um sistema de célula
combustível reversível tipo PEM aplicado em um veículo didático, através do
desenvolvimento de um sistema de monitoramento e controle conforme descrito
abaixo.
O projeto consiste basicamente em monitorarmos o processo de eletrólise da
água na CCR para geração de H2 e O2 através da tensão e corrente elétrica
fornecida por um painel fotovoltaico presente no veículo em um período de tempo,
determinando assim a energia gasta na geração do combustível H2. Após o término
do processo da eletrólise, o sistema é capaz de monitorar a tensão e corrente
elétrica gerada pela CCR ao motor elétrico do veículo em um período de tempo,
determinando assim a energia fornecida pela CCR.
A razão entre a energia fornecida pela CCR e a energia gasta na geração do
combustível H2 é a eficiência da CCR.
O projeto possui um sensor de temperatura e um de distância percorrida pelo
veiculo que são utilizados como informações estatísticas. Todos os dados são
transmitidos via RF do veiculo ao PC e vice-versa. O software apresenta em tempo
real informações do veiculo, como corrente e tensões elétricas dos processos de
eletrólise e de geração de energia pela CCR, temperatura e distância percorrida.
3
Podemos através do software iniciar/parar o processo de eletrólise ou ligar/desligar o
motor do veículo.
1.3. Motivação
São vários os motivos que levaram ao desenvolvimento deste projeto:
1. Por não existir no mercado nacional nenhum produto semelhante
aplicado a CCR;
2. Divulgar a CCR como uma alternativa de energia para o futuro;
3. Poder utilizar energia primária e renovável como a do Sol para
gerar energia elétrica;
4. A possibilidade de poder monitorar e controlar em tempo real e
sem fio o veículo movido CCR ;
5. Em aplicar os conhecimentos adquiridos durante o curso de
graduação.
.
4
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1. Célula Fotovoltaica
A célula fotovoltaica, também chamada de célula solar, é um dispositivo
utilizado como gerador de energia elétrica, obtida diretamente da conversão da
energia luminosa provavelmente oriunda do sol.
Fisicamente, uma célula solar nada mais é do que um diodo cuja junção PN é
exposta à luz. As células solares são fabricadas, na sua grande maioria, usando o
silício (Si) e podendo ser constituída de cristais monocristalinos, policristalinos ou
silício amorfo.
Seus átomos se caracterizam por possuírem quatro elétrons que se ligam aos
vizinhos, formando uma rede cristalina. Ao adicionarem-se átomos com cinco
elétrons de ligação, como o fósforo, por exemplo, haverá um elétron em excesso que
não poderá ser emparelhado e que ficará "sobrando", fracamente ligado a seu átomo
de origem. Isto faz com que, com pouca energia térmica, este elétron fique livre, indo
para a banda de condução. Diz-se assim, que o fósforo é um dopante doador de
elétrons e denomina-se dopante n ou impureza n.
Na Figura 1 temos o corte transversal de uma célula fotovoltaica.
Figura 1 - Corte Transversal de uma Célula Fotovoltaica
Fonte: http://www.cresesb.cepel.br/tutorial/solar/apstenergiasolar.htm (2006).
5
Se, por outro lado, introduzem-se átomos com apenas três elétrons de
ligação, como é o caso do boro, haverá uma falta de um elétron para satisfazer as
ligações com os átomos de silício da rede. Esta falta de elétron é denominado
buraco ou lacuna e ocorre que, com pouca energia térmica, um elétron de um lugar
vizinho pode passar a esta posição, fazendo com que o buraco se desloque. Diz-se,
portanto, que o boro é um aceitador de elétrons ou um dopante p.
Se, partindo de um silício puro, forem introduzidos átomos de boro em uma
metade e de fósforo na outra, será formado o que se chama junção PN. O que
ocorre nesta junção é que elétrons livres do lado ‘n’ passam ao lado ‘p’ onde
encontram os buracos que os capturam; isto faz com que haja um acúmulo de
elétrons no lado ‘p’, tornando-o negativamente carregado e uma redução de elétrons
do lado ‘n’, que o torna eletricamente positivo. Estas cargas aprisionadas dão
origem a um campo elétrico permanente que dificulta a passagem de mais elétrons
do lado ‘n’ para o lado ‘p’; este processo alcança um equilíbrio quando o campo
elétrico forma uma barreira capaz de barrar os elétrons livres remanescentes no lado
‘n’.
Conforme Figura 2, se uma junção PN for exposta a fótons com energia maior
que o gap, ocorrerá a geração de pares elétron-lacuna; se isto acontecer na região
onde o campo elétrico é diferente de zero, as cargas serão aceleradas, gerando
assim, uma corrente através da junção; este deslocamento de cargas dá origem a
uma diferença de potencial ao qual chamamos de Efeito Fotovoltaico. Se as duas
extremidades do "pedaço" de silício forem conectadas por um fio, haverá uma
circulação de elétrons. Esta é à base do funcionamento das células fotovoltaicas.
6
Figura 2 - Efeito Fotovoltaico na Junção PN
Fonte: http://www.cresesb.cepel.br/tutorial/solar/apstenergiasolar.htm (2006).
2.1.1. Características
As principais características das células fotovoltaicas são:
• Tensão de circuito aberto (Vnl);
• Corrente de curto circuito (Isc);
• Potência máxima (Mmp);
• Tensão de potência máxima (Vmmp);
• Corrente de potência máxima (Immp).
A condição padrão para obter estas curvas características da célula
fotovoltaica, é definida pela radiação de 1000W/m2 (radiação padrão recebida na
superfície da Terra em dia claro, ao meio-dia), e temperatura de 25Co na célula (a
eficiência da célula é reduzida com o aumento da temperatura). A Figura 3
apresenta a curva característica da célula fotovoltaica com a variação da radiação
recebida (FENTON, 2004).
7
Figura 3 - Curva Característica da Célula Fotovoltaica
Fonte: (FENTON, 2004).
2.1.2. Eficiência
A eficiência (εsolar) indica que fração da radiação recebida na célula
fotovoltaica será convertida em energia elétrica, quando operada no ponto de
máxima potência (Mmp), conforme equação (1).
IN
OUTSOLAR P
P=ε (1)
Onde:
Pout = potência elétrica fornecida pela célula fotovoltaica
Pin = potência recebida pela radiação do Sol
A eficiência da célula fotovoltaica está entre 15%-30% e depende do
tipo de material utilizado em sua fabricação (FENTON, 2004).
8
2.2. Célula Combustível
2.2.1. Princípio da Célula Combustível
A Célula Combustível é um processo eletroquímico de conversão de energia,
que transforma energia química em energia elétrica.
A estrutura básica de uma célula a combustível consiste de três partes: ânodo,
cátodo e um eletrólito. O combustível básico de uma célula a combustível é o
hidrogênio, que reage com o oxigênio produzindo água e eletricidade através de
duas reações eletroquímicas, mostradas nas equações (2) e (3).
.
O hidrogênio é oxidado no ânodo:
−+ +→ eHH 222 (2)
O oxigênio é reduzido no cátodo:
OHeHO 22 2221 →++ −+ (3)
A reação total da célula a combustível, conforme equação (4), é:
OHHO 22221 →+ (4)
Uma representação esquemática de uma célula a combustível com os
reagentes, produtos e as direções dos fluxos de condução de íons através da célula
é mostrada na Figura 4.
9
Figura 4 - Esquema de uma Célula a Combustível
Fonte: adaptado de http://celulasdecombustivel.planetaclix.pt (2006).
O mecanismo pelo qual as reações ocorrem pode ser descrito da seguinte
maneira. No ânodo ocorre a oxidação do hidrogênio. Já no cátodo ocorre a redução
do oxigênio. O hidrogênio é um átomo formado por um próton e um elétron. Com a
oxidação do hidrogênio, este tem seu elétron liberado. Esse elétron livre percorre o
circuito elétrico até o outro pólo da célula. O próton remanescente da oxidação do
hidrogênio percorre o eletrólito até o outro lado da célula. Quando os dois (elétron e
próton) atingem o lado oposto da célula eles se combinam com o oxigênio lá
presente formando água.
Existem vários tipos de células a combustível, classificada segundo o
eletrólito que utilizam, o qual define a temperatura de operação, mostrada na Figura
5.
Todas apresentam o mesmo princípio de funcionamento. Neste projeto,
utilizaremos a tecnologia de membrana polimérica de condução de prótons ou PEM.
10
Tipo Eletrólito T (°C) Vantagens Desvantagens Aplicações
PEM
Polímero
condutor de
prótons.
20-120
Alta densidade
de potência
Operação
flexível
Mobilidade.
Custo da
membrana.
Contaminação
do catalisador
com CO.
Veículos,
Espaçonaves,
Unidades
estacionarias,
pequena potência.
PAFC
Ácido
Fosfórico
90-100%
(H3PO4).
160-
220
Maior
desenvolvimento
tecnológico.
Tolerância a CO
(até 1%).
Vida útil
limitada pela
corrosão.
Unidades
estacionárias.
AFC KOH
concentrado. 70-80
Cinética de
redução de
oxigênio
favorável.
Vida útil
limitada por
contaminação
do eletrólito
com CO2.
Unidades
estacionárias.
Veículos.
MCFC
Carbonatos
fundidos
(CO32-).
550-
660
Tolerância a
CO/CO2
Eletrodos à base
de Ni. Reforma
interna.
Corrosão do
cátodo.
Interface
trifásica de
difícil controle
Unidades
estacionárias
Cogeração de
eletricidade / calor.
SOFC
ZrO2
(zircônia
dopado).
850-
1000
Alta eficiência
(cinética
favorável).
Reforma interna.
Problemas de
materiais.
Expansão
térmica.
Unidades
estacionárias
Cogeração de
eletricidade / calor.
Veículos.
Figura 5 - Tabela de tipos de Células a Combustível
Fonte: adaptado www.eletrocell.com.br (2006).
11
2.2.2. Célula a Combustível Tipo PEM
Uma célula do tipo PEM funciona da mesma maneira descrita anteriormente,
sendo o seu combustível mais comum também o hidrogênio que pode ser o gás
propriamente dito ou proveniente da reforma de um combustível fóssil ou vegetal.
Um esquema, bem específico pode ser visto na Figura 6 a seguir.
Figura 6 - Esquema de Funcionamento de uma Célula tipo PEM
Fonte: (BRANDÃO,2002).
O hidrogênio é admitido no ânodo. Ao encontrar a camada de catalisador ele
se oxida, se dividindo em próton e elétron. A membrana polimérica é uma membrana
ácida que tem a característica de conduzir prótons. Os prótons então são
conduzidos através da membrana e assim chegam ao outro lado da célula, no
cátodo.
Juntamente com a camada de catalisador existe um coletor metálico para
captar os elétrons. O elétron é conduzido por esse coletor até um fio metálico. Tem-
se assim a corrente elétrica. O elétron continua seu caminho atingindo o outro lado
da célula, que também tem um contato metálico, fechando assim o circuito da célula.
No outro lado, o cátodo da célula, existe admissão de oxigênio. Este
encontrando também a camada de catalisador se reduz recebendo os elétrons
12
provenientes do condutor, e combina-se com os prótons provenientes da membrana.
Com essa combinação tem-se a formação de água.
2.2.3. Termodinâmica da Célula Combustível
A análise se faz a partir das equações gerais de uma célula a combustível PEM
que utilize oxigênio e hidrogênio como reagentes.
)(2)(2)(221
lgg OHHO →+ (5)
Aplicando a 1ª Lei da Termodinâmica (ATKINS, 1999), desprezando os termos
referentes à variação de energia potencial e cinética tem-se.
wqU +=∆ (6)
onde U∆ é a variação da energia interna do sistema, w representa o trabalho
do sistema sobre a vizinhança e q , a quantidade de energia na forma de calor que
flui da vizinhança para o sistema.
A entalpia do sistema é dada por
pVUH += (7)
onde U é energia interna, p é pressão e V o volume.
Numa transformação geral temos
VdppdVdUdH ++= (8)
Se fizermos agora wqdU += , vem:
VdppdVdwdqdH +++= (9)
Com a 2º Lei da Termodinâmica
TdSdq = (10)
onde dq é o calor trocado entre o sistema e o meio ambiente, T é a
temperatura e dS é a entropia.
13
A energia livre de Gibbs é
TdSdHdG −= (11)
O processo é considerado reversível, assim, revdwdw = e TdSdqdq rev ==
então a Energia de Gibbs será:
TdSpVddwTdSdG rev −++= )( (12)
)( pVddwdG rev += (13)
Considerando o processo for à pressão e temperatura constante, temos:
revdwdG = (14)
Como as equações são eletroquímicas, o trabalho mencionado na equação
(14) é referente ao trabalho de expansão dos gases e nesta análise, temos somente
o trabalho elétrico devido ao transporte das cargas elétricas. Logo,
eldwdG = (15)
A equação (15) mostra que o trabalho máximo obtido por uma célula a
combustível é igual à energia livre de Gibbs através da reação global, equação (5).
A eficiência de uma célula a combustível é definida como a razão entre o
trabalho elétrico produzido por ela e toda a energia contida na reação isobárica
reversível. Sendo assim ela será:
HST
HG
termo ∆∆−=
∆∆= 1η (16)
Através do calor de formação se pode estabelecer, o valor de ∆G , ∆H e,
conseqüentemente o valor de η termo.
molkJkJH HOOHOf g
/83,285)0()0(21)83,285(
2)(22−=+−−=∆ (17)
1134,163))68,130()14,205(21()91,69(
2)(22
−−−=+−=∆ molJKS HOOHOf g
(18)
Com os valores de OfH∆ e O
fS∆ , em temperatura a 25ºC (298K) a 1 atm,
encontraremos OfG∆
14
molkJSTHG Of
Of
Of /13,237)34,163(2981083,285 3 −=−−×−=∆−∆=∆ (19)
Com Ο∆ fG < 0, a célula combustível é um processo com reação
termodinamicamente espontânea. (RUSSELL, 1994).
Aplicando a equação (16), obtemos a eficiência termodinâmica da célula a
combustível:
83,083,28513,237 =
−−=
∆∆=
HG
termoη
15
2.2.4. Análise Eletroquímica
A variação de energia de Gibbs ( Ο∆G ) de uma reação redox relaciona-se com a
diferença de potencial da célula ( ΟcellE ), conforme equação (20):
ΟΟ −=∆ cellf nFEG (20)
sendo n o número de elétrons envolvidos na reação, F a constante de Faraday e ΟcellE o potencial termodinâmico de equilíbrio (na ausência de fluxo de corrente; para
reagentes e produtos em seus estados-padrão). Para a reação global dada pela
equação (5) a 25°C, molkJG f /13,237−=∆ Ο .
Portanto, o potencial termodinâmico de equilíbrio da célula a combustível
(para reagentes e produtos em seus estados-padrão) é
VnFG
E fcell 229,1
485.9621013,237 3
=×
×−−=∆
−=Ο
Ο (21)
valor que corresponde à diferença dos potenciais de equilíbrio do catodo ( ΟcE ) e do
anodo ( ΟaE )
ΟΟΟ −= accell EEE (22)
O termo ΟcellE se refere à diferença de potencial do circuito aberto. Devido a
fatores relativos à cinética da conversão eletroquímica, a diferença de potencial
diminui conforme a corrente aumenta. Através da Curva Tensão x Densidade
Corrente, mostrada da Figura 7, se pode escolher a melhor faixa de operação de um
sistema de células, tendo assim a variação da diferença de potencial, na faixa
ôhmica da curva. Fazendo uma aproximação dessa faixa por um valor médio ( cellE )
pode-se calcular a eficiência elétrica, que é expressa como
Ocell
cellel E
E=η (23)
16
Figura 7 - Representação do Desempenho da Célula a Combustível
Fonte: (FENTON, 2004).
A eficiência prática, ou efetiva de uma célula a combustível é o produto entre
a eficiência termodinâmica de ηtermo e a eficiência elétrica de ηel.
eltermoeffet ηηη ×= (24)
Segundo DeHoff (1993), a máxima tensão elétrica de uma célula tipo PEM
operando a 25° 1atm é ΟcellE = 1,229V . Sendo assim:
cellcell
Ocell
celltermoeffet E
EEE
×=×=×= 675,0229,1
83,0ηη (25)
As células de alta eficiência operam com tensões elétricas nas células
unitárias em torno de 0,67V na faixa ôhmica o que resulta em eficiência em torno de
45 % (BRANDÃO,2002).
2.2.5. Célula a Combustível Reversível
As células a combustível reversível (RFC), fazem uso total da eletrólise da água
e têm a vantagem de ser uma forma de energia completamente limpa. Produzem
hidrogênio através de água e de energia elétrica proveniente de fontes renováveis,
evitando as emissões de dióxido de carbono associadas à reformação de
combustíveis fósseis. O hidrogênio assim produzido é armazenado e posteriormente
17
utilizado como combustível numa célula a combustível. A água, enquanto
subproduto da produção elétrica da célula a combustível poderá ser novamente
utilizada para a eletrólise.
Em princípio, qualquer pilha (célula) pode ser convertida em célula eletrolítica
aplicando-se uma tensão externa oponente superior à tensão produzida pela pilha
(RUSSELL, 1994).
Na eletrólise da água, temos a seguinte reação química: −+ ++→ eHOOHânodo 222
1: 22 (26)
222: HeHcátodo →+ −+ (27)
Assim, a reação global:
222 21 HOOH +→ (28)
Portanto, o calor de formação equações (29) e (30) para a reação global
equação (28), em temperatura de 25ºC (298K) a 1 atm, a energia livre de Gibbs
( Ο∆ cellG ):
molkJkJH OHHOOf g
/83,285)83,285()0()0(21
22)(2=−−+=∆ (29)
1134,163)91,69()68,130()14,205(21
22)(2
−−=−+=∆ molJKkJkJkJS OHHOOf g
(30)
molkJSTHG Of
Of
Ocell /13,237)34,163(2981083,285 3 =−×=∆−∆=∆ (31)
Portanto, o potencial termodinâmico de equilíbrio da célula eletrolítica (para
reagentes e produtos em seus estados-padrão) é:
VnFG
E fcell 229,1
485.9621013,237 3
−=×
×−=∆
−=Ο
Ο (32)
Com Ο∆ cellG > 0, a eletrólise da água é um processo com reação
termodinamicamente não-espontânea que é forçada a ocorrer pelo fornecimento de
energia de uma fonte externa. (RUSSELL, 1994).
Assim, deveremos aplicar uma tensão superior a 1,229V para iniciar o processo
de eletrólise da água para obter a decomposição e formar os seus elementos.
18
2.2.6. Estequiometria da Célula Combustível
A estequiometria é um estudo quantitativo da composição de substâncias
químicas (compostos, fórmulas, estequiometria) e das substâncias consumidas e
formadas em reações químicas (reação, equação, estequiometria).(RUSSEL, 1994).
Existe relação direta entre a passagem de corrente elétrica (consumida ou
gerada) com a quantidade do produto formado ou reagente consumido em uma
reação eletroquímica. A relação é descrita pela Lei de Faraday, conforme equação
abaixo (FENTON, 2004):
)(AsMtmnFI = assim, )/( timemol
nFI
Mtm = (33)
onde I(A) é a corrente elétrica, m(g) é a massa do produto formado (ou do
reagente consumido), n (equiv/mol) é o número de elétrons que participam da
reação, F é a constante de Faraday (96.485 coulombs/equiv), s é o coeficiente de
estequiometria do produto ou reagente, M (g/mol) é a massa atômica ou molecular
do produto ou reagente, t(s) é o tempo decorrido do processo. No processo de
eletrólise da água, a corrente consumida é diretamente proporcional ao volume de
H2 e O2 gerado. Conseqüentemente, na célula combustível, a corrente gerada é
diretamente relacionada com o H2 e O2 consumido (FENTON, 2004).
Abaixo segue um exemplo do cálculo do volume de consumo do H2 e O2 em
uma célula combustível utilizando a Lei de Faraday e dos Gases Ideais:
Lei de Faraday: )/( timemolnFI
Mtm = (34)
Consumo de hidrogênio na célula combustível = I/(2F) mol/time
Consumo de oxigênio na célula combustível = I/(4F) mol/time
Para produzir a corrente de I=1A, o consumo de H2 é:
smolFI /1018,5
9648521
26−×=
×== (35)
min/1011,3 4 mol−×= (36)
Conforme a Lei dos Gases Ideais: nRTpV = (37)
19
onde p(atm) é a pressão, V(l) é o volume, n (mol) o número de moléculas do
gás, T(K) a temperatura do gás e R a constante universal dos gases que é 0,082
atm.l/mol.k.
Considerando uma temperatura de 80ºC e uma pressão de 1atm, então temos:
mol
lp
nRTnV 29
1)8015273(082,0 =+××== (38)
Então para 1A, o consumo de H2 é: VH2 = 9,0 ml/min
consumo de O2 é: VO2 = 4,5 ml/min
20
3. ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA
Este capítulo tem por objetivo discutir os principais componentes, as
funcionalidades e a aplicabilidade do hardware e do software que compõe o projeto.
3.1. Especificação do Hardware
O sistema Hardware é divido em dois módulos, mostrado na Figura 8:
MóduloADeC
MóduloRF-232
RS
-232
PC
Cel
ula
Com
bust
ível
Cél
ula
Foto
volta
ica
Sens
orde
sloc
amen
to
Mot
orE
létri
co
Sens
orTe
mpe
ratu
ra
Veículo didático movido a CCR
Figura 8 - Diagrama em Blocos do Hardware do Sistema
21
3.1.1. Módulo RF-232
As principais funções do módulo são:
• Receber as informações via RF do módulo ADeC;
• Transmiti-los serialmente ao microcomputador;
• Receber as informações serialmente do microcomputador;
• Transmiti-los via RF ao módulo ADeC;
• Regular as tensões elétricas para alimentação dos circuitos como o
transceptor e o microcontrolador.
3.1.1.1. Componentes
Os principais componentes do módulo são:
• Microcontrolador PIC18F1320 da Microchip, para o gerenciamento do
módulo (Figura 9);
• Transceptor TRF-2.4G da Laipac Tech, para transmissão e recepção
via RF dos dados ao módulo ADeC (Figura 10);
• Interface serial para comunicação dos dados com o microcontrolador e
o microcomputador.
Figura 9 - Microntrolador PIC18F1320
Fonte: (www.microchip.com, 2006).
22
Figura 10 - Transceptor TRF-2.4G
Fonte: (www.laipac.com, 2006).
3.1.1.2. Diagrama em Blocos
A Figura 11 ilustra o diagrama em blocos do módulo. O bloco PC corresponde
ao microcomputador.
A operação do módulo, tendo como base o diagrama em blocos é a seguinte:
1. O transceptor recebe um dado em seu buffer e informa ao
microcontrolador através de uma interrupção externa;
2. O microcontrolador lê o dado, encapsula e transmite ao através
da interface serial;
3. Quando o microcomputador envia um dado pela serial ao
módulo, o microcontrolador recebe uma interrupção interna;
4. O microcontrolador lê o dado de seu buffer interno e transmite
via RF através do transceptor.
.
23
TransceptorTRF-2.4G
MicrocontroladorPIC13F1320
InterfaceSerial
PC
DA
DO
SIN
AL
DIG
ITA
LS
INA
L D
IGIT
AL
Figura 11 - Diagrama em Blocos do Módulo RF-232
3.1.2. Módulo ADeC (Aquisição Dados e Controle)
As principais funções do módulo são:
• Condicionar e converter os sinais elétricos referentes a corrente e
tensão elétrica, temperatura de analógicos para digitais;
• Medir a distância percorrida do veículo;
• Transmitir as informações acima via RF ao módulo RF-232;
• Receber via RF e interpretar comandos do módulo RF-232;
• Acionar o motor elétrico e o processo de eletrólise;
• Regular as tensões elétricas para alimentação dos circuitos como
transceptor e o microcontrolador;
• Parar o veículo na falha de comunicação com o microcomputador.
24
3.1.2.1. Componentes
Os principais componentes do módulo são:
• Microcontrolador PIC18F458, da Microchip, para o gerenciamento do
módulo e conversão do sinal analógico para digital (Figura 12);
• Transceptor TRF-2.4G da Laipac Tech, para transmissão e recepção
via RF dos dados ao módulo RF-232 (Figura 10);
• Sensor de temperatura LM35 da National, para medição da
temperatura da célula combustível (Figura 13);
• Resistor shunt de 0,015 ohms com precisão 1%, para medição de
corrente elétrica;
• Amplificador operacional LM324 da National, para o condicionamento
do sinal da corrente elétrica;
• Micro relé TX2SA-5V da NAIS, para o acionamento do motor elétrico e
da célula combustível;
• Fotodiodo e led infravermelho para medição do deslocamento do
veículo.
Figura 12 - Microntrolador PIC18F458
Fonte: (www.microchip.com, 2006).
25
Figura 13 - Sensor Temperatura LM35
Fonte: (www.national.com, 2006).
3.1.2.2. Diagrama em Blocos
A operação do módulo é gerenciada pelo microcontrolador, que tem duas
funções básicas:
- receber comandos via RF e executá-los;
- converter a cada um segundo os sinais analógicos do sensor temperatura, de
corrente e de tensão elétrica da CCR e da fotovoltaica, concatená-los com a
informação do deslocamento do veículo, criando assim um pacote de dados,
que é transmitido através do transceptor ao módulo RF-232 e
conseqüentemente ao microcomputador.
A Figura 14 ilustra o diagrama em blocos do módulo.
CÉLULA COMBUSTÍVEL
REVERSÍVEL
CÉLULA FOTOVOLTAICA
MOTOR DC
ATUADORESE
SENSOR DE CORRENTE
MICROCONTROLADORPIC18F458
SENSOR TEMPERATURA
SENSORDESLOCAMENTO
SINALANALÓGICO
SINALANALÓGICO
SINAL
ANALÓGICO
SINALANALÓGICO
SINAL
DIGITAL
CONTR
OLE
TRANSCEPTORTRF-2.4G
SIN
AL
ANALÓ
GIC
O
SIN
AL
DIG
ITAL
Figura 14 - Diagrama em Blocos do Módulo ADeC
26
3.1.3. Ambiente de Desenvolvimento
O firmware foi desenvolvimento com o software PCWH Compiler, da Custom
Computer Service, utilizando-se a linguagem C de programação.
O desenvolvimento dos diagramas esquemáticos e das placas de circuito
impresso foi utilizado o software Proteus 6.7, da LabCenter Electronics.
3.1.4. Requisitos
• O sensor de corrente deve ser calibrado de modo a garantir medições
corretas de corrente elétrica;
• Para alimentação do módulo RF-232 deve ser usada uma fonte de energia
externa que forneça tensão de no mínimo 9V e com corrente de 100mA;
• Para alimentação do módulo ADeC deve ser usada um conjunto de seis
baterias AA Ni-Cd de 1,2V e corrente de 800mA.
3.2. Especificação do Software
3.2.1. Funções
O software HySoft para o sistema deverá ser capaz de realizar as seguintes
funções:
• Armazenar as informações do veículo em arquivo texto;
• Ler as informações geradas pelo veículo;
• Transmitir comandos para o veículo;
• Gerar e apresentar a eficiência do sistema;
• Apresentar na tela as informações coletadas do veículo.
27
3.2.2. Ambiente de Desenvolvimento
O software é desenvolvido em linguagem C++ com a ferramenta C++ Builder
versão 6, da Borland.
3.2.3. Requisitos
• A interface com o usuário dever ser simples e de fácil utilização;
• Possibilitar o usuário controlar a Eletrólise da Água;
• Possibilitar o usuário controlar o acionamento do motor elétrico;
• Possibilitar o usuário medir a irradiação solar;
• Possibilitar o usuário interromper qualquer processo em andamento, como
eletrólise ou a geração de energia elétrica pela CCR;
• Informar ao usuário o resumo dos processos e a eficiência do sistema;
• Possibilitar o usuário selecionar a armazenagem das informações em arquivo
texto.
28
3.2.4. Fluxograma
Nas Figura 15 e Figura 16 apresentam uma visão geral do funcionamento do
software HySoft.
INÍCIO
Sobre Sair
Fecha Aplicativo
FIM
Porta
Abrir Porta defaultCOM1
Porta OK?Erro NÃO
Dados
Alterar Porta
SIM
Abre janela Sobre
capturar=True
Opção Capturarselecionado?
IniciaTimer1
Cria athreadTRead
SIM
NÃO
capturar=False
Porta encontra-se Aberta?
NÃO
Abrir Porta
Fechar TRead eTimer1
SIM
Figura 15 - Fluxograma Geral do Software HySoft
29
A porta estáaberta e existe
comunicação comveículo?
NÃO
Eletrólise Medirirradiação CCR
SIM
Enviar comandoeletrolise
para veículo
Erro?
Ler dados
NÃO
Capturar =True?
Atualizar telaresumo
NÃO
Salvar
SIM
Salvar Dados emArquivo
Enviar comandomedir irradiaçãopara o veículo
Erro?
Ler dados
NÃO
Cancelar
CF
Enviar comandoCCR
para o veículo
Enviar comandoCF
para o veículo
Erro?Erro?
SIMSIMSIM
SIM
Ler dados
Capturar =True?SIM
NÃO
Ler dados
NÃO
Figura 16 - Fluxograma Geral do Software HySoft
30
Quando o software é iniciado, automaticamente é aberta a comunicação pela
porta serial COM1 do microcomputador com o veículo via módulo RF-232. Caso
não consiga abrir a porta, é informada na barra de status, na parte inferior da tela
principal, o erro ocorrido. O mesmo acontece quando o software não consegue
estabelecer a comunicação com o veículo. Quando estabelecida a comunicação,
são habilitados os instrumentos de medida, bem como os botões para acionamento
da eletrólise, medição da irradiação solar, acionamento do veículo através da célula
combustível e através da célula fotovoltaica.
Abaixo, cada uma das opções existentes no menu do software é explicada em
detalhes:
• Sair
Todas as janelas são fechadas e o programa é encerrado.
• Porta
Esta opção permite o usuário escolher a porta e comunicação serial a
se usada no microcomputador.
• Dados
Esta opção permite o usuário informar ao sistema que é necessário
armazenar os dados em arquivo.
• Sobre
É apresentada uma janela com informações sobre o software.
Na tela principal há três abas, conforme segue abaixo:
• Aba Veículo
Mostra as informações da CCR como tensão, corrente e potência
elétrica, fornecidas para o motor. Há também informações sobre a
temperatura da CCR, o odômetro, velocímetro do veículo e do tempo de
execução do processo CCR.
Para o início ou término do processo CCR, é utilizado o botão CCR, que
permite a alimentação do motor através da CCR. Ao término do processo, é
gerado um resumo e apresentado na aba Resumo. Caso a opção capturar do
31
menu Dados estiver marcado, será solicitado o nome do arquivo para
armazenagem dos dados. No estado CCR, são bloqueados os botões “CF”
desta aba e “Eletrólise” e “Medir Irradiação” da aba Geração H2.
O botão CF permite que o motor seja alimentado pelo painel fotovoltaico.
No estado CF, são bloqueados os botões “CCR” desta aba, “Eletrólise” e
“Medir irradiação” da aba Geração H2. Não serão geradas informações para
serem apresentadas na aba e para gravação em arquivo.
• Aba Geração H2
Apresenta as informações da célula fotovoltaica como tensão, corrente
e potência elétrica, fornecidas para a CCR durante o processo eletrólise. Há
também a informação do volume de hidrogênio gerado e do tempo de
execução do processo. Pode-se medir a irradiação solar recebida no painel
fotovoltaico, através do botão “Medir”. Para o início ou término do processo
eletrólise é utilizado o botão “Eletrólise”. Ao término do processo, é gerado um
resumo e apresentado na aba Resumo. Caso a opção capturar do menu
Dados estiver marcado, será solicitado o nome do arquivo para armazenagem
dos dados. No estado Eletrólise, são bloqueados os botões “Medir irradiação”
desta aba, “CCR” e “CF” da aba Veículo. No estado Medir irradiação, são
bloqueados os botões “Eletrólise” desta aba, “CCR” e “CF” da aba Veículo.
• Aba Resumo
Apresenta os resumos dos processos Eletrólise e CCR, bem como a
eficiência da CCR. Nesta aba, podemos salvar em arquivo as informações
presentes na aba, através do botão “Gravar”. Há dois botões que permitem
limpar os campos dos processos Eletrólise ou CCR.
32
3.2.5. Protótipos de tela da Interface
A tela principal do software é mostrada na Figura 17. No canto superior
esquerdo temos o menu com suas opções e no centro as abas Veículo, Geração H2
e o Resumo. No rodapé existe uma barra de status, que apresenta informações
sobre a porta serial e a comunicação com o veículo. A aba Veículo é apresenta
como default toda vez da inicialização do software.
Figura 17 - Tela Inicial do Software
33
A Figura 18 mostra as opções disponíveis para selecionar a porta serial de
comunicação.
Figura 18 - Opção Porta
A Figura 19 mostra a opção disponível para marcar a captura dos dados.
Figura 19 - Opção Dados
A Figura 20 mostra a tela Sobre.
Figura 20 - Opção Sobre
34
A Figura 21 mostra a aba Geração H2 com os respectivos instrumentos.
Figura 21 - Tela Principal Software - Aba Geração H2
A Figura 22 é mostrado a aba Resumo com seu parâmetros.
Figura 22 - Tela Principal do Software - Aba Resumo
35
3.3. Calibração
O sensor de corrente do módulo ADeC foi calibrado através da utilização de
uma fonte externa regulável marca HP modelo 6613C (Figura 23), aplicada na
entrada CF do módulo simulando o painel fotovoltaico. No processo eletrólise a
CCR funciona como uma carga. Foi utilizado um resistor de 10 Ω com precisão de
5% na entrada CCR do módulo para simulá-la. Como a máxima corrente elétrica
fornecida pelo painel fotovoltaico é de 500mA e conforme a Lei de Ohm, temos:
(THAMES & KOSMOS,2002).
VmAVRIV 510500 =Ω×=∴×= (39)
Assim, variou-se a tensão de 0 a 5V na entrada CF para obter a variação de 0 a
500mA sobre a saída CCR. Os valores foram comparados entre o apresentado na
tela do software com o do display da fonte HP6631C. O ajuste da corrente foi feito
através do potenciômetro RV1 do módulo ADeC.
Figura 23 - Fonte Externa HP6631C
36
Para aferição da leitura da tensão da CCR e da CF no software variou-se a
tensão de 0 a 5V na entradas CCR e CF do módulo. Não há ajuste da leitura de
tensão no hardware, devido à tensão de cada entrada estar conectada diretamente
às portas do microcontrolador.
A temperatura foi aferida através da comparação do valor apresentado na tela
do software com o valor do termômetro de infravermelho da marca Raytek modelo
Mini Temp. Não há ajuste no hardware da leitura de temperatura, devido à
utilização do LM35 diretamente a uma porta AD do microcontrolador.
A medição da radiação solar foi calibrada através de três medições de corrente
em curto circuito do CF: a primeira exposta a uma lâmpada incandescente de 60W a
uma distância de 10cm da CF, que corresponde a uma radiação aproximadamente
de 300W/m2; a segunda exposta a luz do Sol ao meio-dia, que no inverno
corresponde a uma radiação de 800W/m2 e no verão 1000 W/m2.; a terceira é no
escuro que corresponde 0W/m2 (THAMES & KOSMOS,2002). Na Tabela 1 são
mostradas as três medições encontradas:
Tabela 1 - Medição da Irradiação Solar
Data: 02/09/2006 mA W/m2
Meio-dia, exposto ao Sol 270 800
10cm da lâmpada 60W 100 300
Escuro 0 0
Assim, encontramos uma variação de 2,94W/mA. Este valor é utilizado para o
cálculo da irradiação que é apresentado na tela do software. O valor apresentado
da irradiação solar é apenas um valor aproximado e para fins educacionais.
A distância percorrida é definida por cada rotação da roda do veículo, capturada
pelo sensor óptico, que equivale ao perímetro da circunferência da roda, que é
14cm.
A informação do volume de hidrogênio gerado é calculada conforme a
Estequiometria da Célula Combustível mostrado no capítulo 2.
37
3.4. Validação
A validação do projeto foi baseada na comparação da eficiência da célula
combustível em torno de 45 %, conforme descrito na Análise Eletroquímica no
capítulo 2 e com cálculo de eficiência apresentado no manual do veículo movido a
CCR (THAMES & KOSMOS, 2002), conforme equação abaixo:
róliseTensãoEletaçãoTensãoOper
FuelCell =η (40)
onde TensãoOperação é a tensão elétrica fornecida pela CCR ao motor elétrico
e TensãoEletrólise é a tensão elétrica utilizada durante a eletrólise.
Na Figura 24 mostra o resumo gerado durante o teste.
Figura 24 - Resumo Gerado pelo Software
38
O software encontrou a eficiência de 0,44 através do seguinte da equação:
sumidaEnergiaConadaEnergiaGer
FuelCell =η (41)
onde EnergiaGerada é o valor da energia gerada pela CCR ao motor elétrico,
EnergiaConsumida é o valor da energia consumida pela CCR na geração do
hidrogênio e conforme os dados da Figura 24 acima temos:
44,052,20061,88 ==FuelCellη (42)
Utilizando a Equação (40) fornecida pelo manual temos:
44,076,178,0 ==FuelCellη (44)
3.5. Resultados
A eficiência de 44% encontrada pelo sistema apresentou, de modo geral,
comportamento compatível com a Equação (40) fornecida pelo manual do veículo
movido a CCR e com o valor de 45% apresentado no capítulo 2. Assim, 46% da
energia é convertida em calor.
O sistema mostrou estável e confiável através da utilização dos transceptores
que tiveram o alcance de 100m outdoor e 20m indoor.
O veículo teve a autonomia de mais de 200m com 24ml de hidrogênio.
39
4. PROJETO
4.1. Projeto de Hardware
Os esquemáticos relativos ao diagrama em blocos ilustrado na Figura 8 bem
como projeto da placa de circuito impresso e a lista de componentes utilizados são
mostrados no Anexos deste documento. Abaixo estão:
Tabela 2, Tabela 3 e a Tabela 4 que relacionam os sinais de interface entre
blocos de hardware.
4.1.1. Sinais de Interface
Tabela 2 - Sinais Digitais de Interface Módulo RS-232
ANEXO RÓTULO TIPO DE
BARRAMENTOLOGICA DE OPERAÇÃO
FUNÇÃO
8.1 RX Dados 0/1 Receber dados
serialmente
8.1 TX Dados 0/1 Transmitir dados
serialmente
Tabela 3 - Sinais Digitais de Interface Módulo ADeC
ANEXO RÓTULO TIPO DE
BARRAMENTOLOGICA DE OPERAÇÃO
FUNÇÃO
8.1 DIST Controle ↑
Pulso indicando
deslocamento do
veiculo
40
Tabela 4 - Sinais Analógicos de Interface Módulo ADeC
ANEXO RÓTULO TIPO DE
BARRAMENTOAMPLITUDE FUNÇÃO
2 +M,-M Dado 0-0.9V Saída alimentação Motor
elétrico
2 +CCR,
-CCR Dado 0-2V
Entrada e Saída Célula
Combustível Reversível
2 +CF,-CF Dado 0-2V Entrada Painel
Fotovoltaico
4.1.2. Lista de Materiais
A lista de materiais utilizados para implementação dos esquemáticos está na
seção de anexos deste documento.
41
4.2. Projeto de Software
A seguir, são apresentados os diagramas relativos à lógica e aos dados do
software que é executado no microcomputador. Na seção Firmware são
apresentados os diagramas relativos ao código que é programado diretamente no
microcontrolador.
4.2.1. Lógica
4.2.1.1. Diagrama de Casos de Uso
Os casos de uso capturam os requisitos da aplicação através da representação
dos atores que usam ou são usados pelo sistema e suas possíveis ações. Eles são
descritos sob o ponto de vista do usuário: o que ele pode fazer e como ele interage
com o sistema.
Os casos de uso são representados na forma de diagrama UML, conforme
mostrada na Figura 25.
Hysoft
Veículo
consultar dados
Ligar motor CF
medir irradiação
Usuárioiniciar eletrólise
alterar porta
Ligar motor CCR
desligar processo
salvar dados
armazenar dados«extends»
enviar ping
Figura 25 - Diagrama de Caso de uso
42
Segue uma breve descrição dos casos de uso ilustrados na figura acima.
• Consultar dados: lê e trata os dados recebidos do veículo a serem
apresentados na tela do software;
• Enviar ping: o sistema envia um comando a cada 5 segundos ao veículo
para sinalizar a comunicação estabelecida com o software;
• Armazenar dados: armazena os dados recebidos na memória;
• Alterar porta: é definida uma nova porta serial de comunicação do sistema;
• Ligar motor CF: envia comando ao veículo para o acionamento do motor
via célula fotovoltaica;
• Ligar motor CCR: envia comando ao veículo para o acionamento do motor
via célula combustível reversível;
• Iniciar eletrólise: envia comando ao veículo para o início do processo
eletrólise;
• Medir irradiação: envia comando ao veículo para a medição da irradiação;
• Desligar processo: envia comando ao veículo para desligamento do motor
ou finalização da eletrólise ou da medição de irradiação;
• Salvar dados: grava em arquivo dados armazenados em memória.
4.2.1.2. Diagramas de Seqüência
Os diagramas de seqüência abaixo ilustram a ordem das interações dos atores
externos ou processos com o sistema e os eventos que eles geram.
A Figura 26 mostra o diagrama de seqüência do caso de uso “Ligar motor CF”.
:Sistema
ligaMotorCF()Usuário
Figura 26 - Diagrama de Seqüência “Ligar Motor CF”
43
A Figura 27 mostra o diagrama de seqüência do caso de uso “Ligar Motor CCR”.
O Usuário inicia o processo CCR.
Usuário
:Sistema
ligaMotorCCR()
Figura 27 - Diagrama de Seqüência “Ligar Motor CCR”
A Figura 28 mostra o diagrama de seqüência do caso de uso “Eletrólise”. O
Usuário inicia o processo Eletrólise.
Usuário
:Sistema
eletrolise()
Figura 28 - Diagrama de Seqüência “Eletrólise”
A Figura 29 mostra o diagrama de seqüência do caso de uso “Medir
irradiação”.
Usuário
:Sistema
medeIrrad()
Figura 29 - Diagrama de Seqüência “Medir Irradiação"
44
A Figura 30 mostra o diagrama de seqüência do caso de uso “Desligar
processo”.
Usuário
:Sistema
idle()
Figura 30 - Diagrama de Seqüência “Desligar processo”
A Figura 31 mostra o diagrama de seqüência do caso de uso “Alterar porta”.
O Usuário pode selecionar qual a porta de comunicação serial será usada pelo
sistema.
Usuário
:Sistema
fechaComm()
abreComm(porta:String)
Figura 31 - Diagrama de Seqüência “Alterar porta”
45
A Figura 32 mostra o diagrama de seqüência do caso de uso “Consultar
dados”. A interface atualizará as informações na tela a cada um segundo através do
controlador. Caso a opção “Capturar” do menu dados estiver marcado, os dados
serão armazenados na memória.
:interface :cCtrlCellFuel
atualizaDados()
armazenaDados(Dados:String)
Figura 32 - Diagrama de Seqüência “Consultar dados”
A Figura 33 mostra o diagrama de seqüência do caso de uso “Salvar dados”.
É solicitado ao Usuário que especifique o caminho e nome do arquivo no qual será
salvo.
Usuário
:Sistema
salvar(Arquivo:String)
Figura 33 - Diagrama de Seqüência “Salvar Dados”
46
A Figura 34 mostra o diagrama de seqüência do caso de uso “Enviar ping”.
:interface :cCtrlCellFuel
ping()
Figura 34 - Diagrama de Seqüência “Enviar ping”
4.2.1.3. Diagrama de Classes
Um diagrama de classe ilustra as especificações de software para classes e
interfaces do sistema. A Figura 35 ilustra o diagrama de classes do software. As
classes que compõem o software são as seguintes:
• TFrmMain: Tela principal;
• TFrmSobre: Tela sobre informação do software;
• cCtrlCellFuell: classe controlador, faz interface com a tela principal e a
classe cCellFuel;
• cPersistência: classe que realiza a gravação dos dados em arquivo;
• TRead: thread de leitura dos dados enviados pelo veículo;
• cCellFuell: Classe que contém as funções de transmitir os comandos
para o veículo, armazenar os dados e fazer a interface entre o
controlador e a classe TRead e cPersistência.
47
Figura 35 - Diagrama de Classes
48
4.2.2. Firmware
4.2.2.1. Fluxograma do Módulo RF-232
Na Figura 36 temos o fluxograma do firmware do módulo.
Início
InicializaTransceptorTRF-2.4G
Há dados no buffer paraenviar via RF ?
Há dados recebidos na serial do microcontrolador? Grava no bufferSim
Não
Transmite viaRF Sim
Há dados no recebidos via RF?
Não
Transmite viaserial do microcontroladorsim
Não
Figura 36 - Fluxograma do Firmware Módulo RF-232
49
4.2.2.2. Fluxogramas do Módulo ADeC
Abaixo, na Figura 37, temos o fluxograma da rotina principal do firmware do
módulo:
Início
Inicializa interrupções domicrontrolador e o transceptor
TRF-2.4G
Recebeucomando via RF?
Eletrolise?
Sim
SimAtiva rele eletrólise
Não
CCR?
Não
CF?
mede irradiação?
Ativa rele do motoralimentado pela
CCRSim
Não
Ativa rele do motoralimentado pela CF Sim
Ativa rele paramedição dairradiação
Sim
idle?
Não
desativa todos osreles Sim
Não
Figura 37 - Fluxograma do Firmware Módulo ADeC
50
A Figura 38 mostra o fluxograma referente a interrupção de tempo do
microcontrolador. Esta interrupção está programada a cada um segundo.
Ler correntes etensões eletricas da
CF e da CCR,distância percorrida,estados dos reles,
temperatura
Transmitir via RF
InterrupçãoTimer1
Figura 38 - Fluxograma da Interrupção Timer1
A Figura 39 mostra o fluxograma referente a interrupção externa 0 gerada pelo
transceptor, que indica a presença de dados recebidos no buffer do mesmo, e que
eles estão prontos para serem lidos pelo microcontrolador .
comando recebido viaRF = Sim
InterrupçãoExterna 0
Figura 39 - Fluxograma da Interrupção Externa 0
A Figura 40 mostra o fluxograma referente a interrupção externa 1 gerada pelo
sensor óptico existente na roda do veículo, a cada rotação é incrementada a
distância percorrida.
distância++
InterrupçãoExterna 1
Figura 40 - Fluxograma da Interrupção Externa 1
51
5. CRONOGRAMA DE DESENVOLVIMENTO
A Figura 41 ilustra o cronograma do projeto.
Figura 41 - Cronograma
52
6. ESTUDO DE VIABILIDADE TÉCNICO-ECONÔMICA
A Tabela 5 mostra uma estimativa de custos para o projeto. O custo da
utilização da infra-estrutura foi calculado com base no preço da mensalidade no
valor de R$ 940,50, assim o custo será de R$ 13,43/h. Nesta hora de utilização
inclui-se o preço de licenças de cada software e o preço de equipamentos da infra-
estrutura. O veículo movido a CCR não esta contabilizado nos custos, devido ser
empréstimo do LacTec.
Tabela 5 - Estudo de Viabilidade Técnico-Econômica
COMPONENTE QUANTIDADE CUSTO EM R$ TOTAL PARCIAL EM R$
18F458 1 36,00 36,00
18F1320 1 16,00 16,00
Regulador de tensão 4 1,20 4,80
TRW-24G 2 60,00 120,00
Reles 2 11,40 22,80
LM324 1 0,70 0,70
MAX232 1 2,14 2,14
Cristal 16MHz 2 1,40 2,80
PCB 2 100,00 200,00
Componentes Discretos 80 100,00 100,00
Hora Técnica 550 4,00 2.200,00
Infra-Estrutura 300 13,43 4.029,00
Total: 6.734,24
53
7. CONCLUSÃO
O projeto atendeu os objetivos esperados, por mostrar a eficiência da célula a
combustível reversível de uma maneira prática e amigável na tela do
microcomputador.
Os resultados encontrados mostram que a célula combustível é um dispositivo
promissor na geração de energia, devido a sua eficiência apresentada e por não
gerar nenhum componente nocivo ao meio ambiente.
O estudo feito neste projeto mostra que é possível obtermos hidrogênio através
da eletrólise da água utilizando a célula fotovoltaica e o Sol como fonte primaria de
energia. Com isso, podemos projetar sistemas que durante o dia controlaria a
geração de hidrogênio através da eletrolise da água e a noite o fornecimento de
energia elétrica para uma casa a partir do hidrogênio armazenado, determinando
para o usuário a autonomia e eficiência do sistema em tempo real.
Este projeto pode ser estendido para outras aplicações como, por exemplo,
monitorar a diferença de tensão de cada elemento em uma pilha de células
combustíveis. A diferença de tensão no elemento pode indicar que a membrana
esta muito úmida ou seca, contaminada, danificada ou degradada com o tempo de
uso, auxiliando a análise do defeito ao fabricante da célula a combustível ou ao
cliente final.
54
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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McGraw-Hill,2004.
NETO, Emilio H. G. Hidrogênio, Evoluir Sem Poluir: a era do hidrogênio, da energias
renováveis e das células a combustível. Curitiba, Brasil H2 Fuel Cell Energy, 2005.
RUSSELL, John B. Química Geral Volume 1 e 2. 2.ed. São Paulo, Makron Books,
1994.
ATKINS, P. W. Físico-Química Volume 1. 6.ed. Rio de Janeiro, LTC, 1999.
TOCCI, R.; WIDMER N. Sistemas Digitais Princípios e Aplicações. 8.ed. São Paulo,
Pearson,2004.
SOMMERVILLE, Ian. Engenharia de Software. 6.ed. São Paulo, Pearson, 2003.
LARMAN, Graig. Utilizando UML e Padrões. 2.ed. São Paulo, Artmed, 2002.
EG&G TECHNICAL SERVICES,INC. Fuel Cell Handbook. 6.ed. West Virginia,
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FENTON, S;RAMANI,V;FENTON,J.M. Active Learning of Chemical Engineering
Principles Using a Solar Panel / Water Electrolyzer / Fuel Cell System. Illinois,
American Society for Engineering Education, 2004.
THAMES & KOSMOS. Fuel Cell Car & Experiment Kit Lab Manual.2.ed. Newport,
Thames & Kosmos,2002.
BRANDÃO, M.O, Almeida. Termodinâmica e Simulação de Sistemas de Células a
Combustível, Potencial Gerador Elétrico para Aplicações Estacionárias e
Automotivas. Rio de Janeiro, COPPE/UFRJ,2002.
