CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM SISTEMAS ELETRÔNICOS FÁBIO CABRAL PACHECO MAYARA DE SOUSA WILLIAN HENRIQUE PROJETO INTEGRADOR II Florianópolis, 2011. Relatório apresentado ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina, como parte dos requisitos para conclusão da disciplina Projeto Integrador II. Prof. Marco Valério Miorim Villaça, Dr. Prof. Muriel Bittencourt de Liz, Dr. Florianópolis, 2011. RESUMO O sol é uma fonte inesgotável de energia limpa que tem sido muito difundida globalmente devido à busca pela redução de gases poluentes. O avanço da tecnologia das células fotovoltaicas permite eficiência de conversão de energia solar para energia elétrica superior a 16%. Este trabalho objetiva o desenvolvimento de um dispositivo de ajuste automático de um painel solar para a posição de maior luminosidade e monitoração do ponto de máxima potência. Para vislumbrar este objetivo, foi desenvolvido um protótipo integrando um carregador para bateria, um mostrador com os estado de carga da bateria, um driver de corrente para motores de passo e um módulo de controle para o painel fotovoltaico. Ao final, foram feitas sugestões de trabalhos futuros utilizando o protótipo desenvolvido como plataforma base de expansão, tais como o acionamento dos motores de passo de modo mais eficiente, a comunicação entre blocos de painéis solares, o armazenamento das informações pertinentes ao processo através de mídias de alta capacidade e a disponibilização das informações na “nuvem” através do uso de um módulo Ethernet. Palavras-Chave: Painel solar. Carregador de baterias. Motores de passo. I LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 - Evolução da eficiência dos painéis fotovoltaicos .................................................... 1 Figura 2 - Produção de energia solar com painéis fotovoltaicos nos últimos anos ................... 2 Figura 3 – Painel Solar ........................................................................................................... 2 Figura 4 - Motor de passo, MODELO AK57H3-1.8. .............................................................. 5 Figura 5 – Diagrama esquemático do circuito amplificador de corrente. ................................. 5 Figura 6 – Regulador de tensão LM317. ................................................................................. 6 Figura 7 – Diagrama esquemático do circuito abaixador de tensão. ........................................ 6 Figura 8 – Layout da placa de circuito impresso integrando os circuitos abaixador de tensão e driver de motores. .................................................................................................................. 7 Figura 9 – Microcontrolador AT90USB646 da Atmel. ........................................................... 8 Figura 10 – Diagramas esquemáticos do (a) microcontrolador, (b) RTC e (c) LCD. ............. 10 Figura 11 – Conectores de expansão para (a) módulo de comunicação ZigBee, (b) módulo de comunicação Ethernet e (c) cartão SD. ................................................................................. 11 Figura 12 – Layout da placa de circuito impresso, sendo (a) a camada superior (top layer) e (b) a camada inferior (bottom layer). .................................................................................... 12 Figura 13 – Bateria AJAX utilizada no projeto. .................................................................... 13 Figura 14 – Diagramas esquemáticos do carregador de bateria. ............................................ 14 Figura 15 – Layout da placa de circuito impresso do carregador de bateria. .......................... 15 Figura 16 – Ponto de máxima potência de operação do painel. ............................................. 18 Figura 17 - Diagrama de blocos do projeto. .......................................................................... 20 II LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Estimativa de custos............................................................................................ 16 III SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 1 1.1 OBJETIVO ................................................................................................................. 3 1.2 REQUISITOS DO PROJETO ..................................................................................... 3 1.3 MÓDULOS PROPOSTOS .......................................................................................... 4 2 DRIVER PARA OS MOTORES .................................................................................. 5 3 MÓDULO DE CONTROLE........................................................................................ 8 4 MÓDULO DE CARREGAMENTO DE BATERIA ................................................. 13 5 ESTIMATIVA DE CUSTOS ..................................................................................... 16 6 SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS ........................................................... 17 6.1 BANCO DE BATERIAS .......................................................................................... 17 6.2 CARREGADOR DE BATERIAS ............................................................................. 18 6.3 ACIONAMENTO DOS MOTORES DE PASSO ...................................................... 19 6.4 DETECÇÃO DO PONTO DE MÁXIMA INCIDÊNCIA DE SOLAR ...................... 19 6.5 GERENCIAMENTO DE INFORMAÇÕES .............................................................. 19 6.6 INTERFACE COM USUÁRIO ................................................................................. 20 7 CONCLUSÃO ............................................................................................................ 21 REFERÊNCIAS ................................................................................................................. 22 ANEXO 1............................................................................................................................ 23 IV ANEXO 2............................................................................................................................ 25 V 1 INTRODUÇÃO A utilização de fontes alternativas de energia está muito difundida globalmente, devido busca pela redução de gases poluentes; O sol é uma fonte inesgotável de energia e, quando falamos em sustentabilidade, em economia de recursos, de energia e da redução da emissão de gás carbônico na atmosfera, nada mais natural do que pensarmos numa maneira mais eficiente de utilizar a energia solar. Esta energia é totalmente limpa. A avançada tecnologia de processamento da célula fotovoltaica evoluiu muito nas ultimas décadas (Figura 1), permitindo alta eficiência de conversão de energia solar para energia elétrica, superior a 16%. Figura 1 - Evolução da eficiência dos painéis fotovoltaicos Fonte: COELHO, 2007 Para ser utilizada por nós, a energia solar deve ser transformada e, para isto, há duas maneiras principais de realizarmos essa transformação: • painéis fotovoltaicos; • aquecedores solares. 1 Dessas maneiras a primeira delas foi o foco do presente projeto, tendo um crescimento significativo no seu uso nos últimos anos, como observado na Figura 2. Figura 2 - Produção de energia solar com painéis fotovoltaicos nos últimos anos Fonte: COELHO, 2007 As características técnicas do painel solar de 60 watts (Figura 3) podem ser visualizadas no Anexo 1. Figura 3 – Painel Solar Fonte: BRASILED, 2011 2 1.1 OBJETIVO O objetivo do projeto é o desenvolvimento de um Dispositivo de Ajuste Automático de um Painel Solar para a Posição de maior Luminosidade e Monitoração do Ponto de Máxima Potência. 1.2 REQUISITOS DO PROJETO O projeto proposto possui os seguintes requisitos a serem cumpridos: • O protótipo deverá incorporar um circuito de medição de carregamento da bateria, informando sobre suas condições de carga e de descarga, bem como de armazenamento; • as informações devem ser visualizadas através de um display de cristal líquido (LCD), de 2x16 caracteres com iluminação de fundo; • os elementos de potência deverão se alojados em dissipadores de calor, em área da base que evite a contaminação de outras partes do protótipo pelo calor produzido; • as conexões entre o painel solar e o protótipo, assim como entre o protótipo e os motores, bem como entre o protótipo e a carga deverá ser realizada mediante conectores apropriados ao fim, considerando a conexão entre as partes, devidamente posicionados e identificados, de forma a garantir ao usuário segurança, visibilidade e manuseio ergonômico; 3 • a fiação entre os componentes e as partes deverá ser estruturada mediante a constituição de um chicote de fios, presos por cinta plástica; • não se aceitará no protótipo a presença de nenhum componente que não esteja devidamente afixado e alojado, segundo requisitos necessários ao seu uso. 1.3 MÓDULOS PROPOSTOS Para contemplar o objetivo e os requisitos do projeto, o mesmo foi desenvolvido possuindo os seguintes módulos e componentes: • um carregador para bateria; • um mostrador com os estado de carga da bateria; • driver de corrente para os 2 motores de passo; • display de cristal líquido; • módulo de controle para o painel fotovoltaico. 4 2 DRIVER PARA OS MOTORES O driver dos motores de passo foi desenvolvido para suprir corrente necessária de alimentação das bobinas dos motores de passo adquiridos (Figura 4), a partir do sinal de controle do microcontrolador. Figura 4 - Motor de passo, MODELO AK57H3-1.8. Fonte: AKIYAMA, 2011. O acionamento de cada bobina dos motores é realizado por um circuito amplificador de corrente (Figura 5), composto por três resistores e dois transistores. Ao todo, foram necessários oito circuitos, sendo quatro para cada motor. Figura 5 – Diagrama esquemático do circuito amplificador de corrente. 5 Uma vez que o motor utilizado requer alimentação de 0,7 V para torque mínimo,vale lembrar que para obter torque máximo do motor é necessário de 3 V e 3 A,utilizou-se nesse projeto torque mínino pois a estrutura onde localizam-se os motores possui uma redução de 1 para75, então foi utilizado um regulador de tensão LM317 em configuração regulador de tensão fixo (Figura 6), de modo a implementar uma fonte abaixadora da tensão, da bateria (12 V). Figura 6 – Regulador de tensão LM317. Fonte: ST MICROELECTRONICS, 2011. O circuito da fonte abaixadora de tensão pode ser observado na Figura 7. Figura 7 – Diagrama esquemático do circuito abaixador de tensão. Baseado nos diagramas esquemáticos apresentados nas Figura 5 e Figura 7, foi desenhado o layout da placa de circuito impresso, mostrado na Figura 8. Esta placa foi 6 projetada em camada simples, sem a necessidade de conexões de trilhas por fios (jumpers). A placa foi confeccionada em fenolite com 1,6 mm de espessura e 1 oz/ft 2 de espessura de cobre, desta forma, foi utilizado o método da corrosão em percloreto de ferro no Laboratório de Protótipo do Departamento Acadêmico de Eletrônica (DAELN) do campus Florianópolis do IF-SC. Figura 8 – Layout da placa de circuito impresso integrando os circuitos abaixador de tensão e driver de motores. 7 3 MÓDULO DE CONTROLE Com o objetivo de atender as diretrizes do projeto estabelecidas, fez-se necessário projetar e implementar um módulo de controle, responsável pelo gerenciamento dos diversos periféricos que compõe o sistema. Para que esse gerenciamento fosse possível optou-se pela utilização de um microcontrolador que atendesse às necessidades, tais como, conversor analógico-digital, temporizadores, interfaces de comunicação I2C, sete ports de I/O (entradas e saídas) e Programação In-System, além de velocidade de processamento adequado à aplicação, levando dessa forma a escolha de um microcontrolador da família AVR, o AT90USB646 (Figura 9). Figura 9 – Microcontrolador AT90USB646 da Atmel. Fonte: ATMEL, 2011. O firmware utilizado neste módulo foi todo implementado em ANSI C, utilizando a técnica de máquina de estados, que possibilitou manter a coesão dos algoritmos implementados, apesar da relativa complexidade das tarefas. 8 Além do microcontrolador, a placa do módulo de controle possui um display LCD e um módulo RTC (Figura 10). O display LCD é o responsável pela interface com o usuário, permitindo a visualização da função em execução no momento, bem como informações sobre o sistema, tais como o estado de carga da bateria. O módulo RTC, no entanto, disponibiliza uma fonte confiável de informação de data e hora; utilizada para determinar os períodos onde é necessária a movimentação do painel. Externamente a placa do módulo, o sistema possui diversos periféricos conectados; um teclado matricial, responsável pela entrada de dados partindo do usuário; um sensor composto por quatro LDRs, responsáveis pela transdução da incidência solar em sinal elétrico proporcional; um driver de corrente, responsável pelo acionamento dos motores de passo; além do circuito responsável pelo carregamento da bateria. Tais periféricos serão apresentados com maiores detalhes no decorrer do trabalho. 9 (a) (b) (c) Figura 10 – Diagramas esquemáticos do (a) microcontrolador, (b) RTC e (c) LCD. 10 Ressalta-se que a placa do módulo de controle prevê a expansão futura do sistema, possuindo conexões para utilização de módulos de comunicação sem fio de baixo consumo (ZigBee – Figura 11(a)), de comunicação Ethernet (Figura 11(b)) e de cartão SD (Secure Digital Card – Figura 11(c)). A disponibilização de conexões desse tipo ocorreu devido à confirmação da viabilidade prática do uso dessas tecnologias. (a) (b) (c) Figura 11 – Conectores de expansão para (a) módulo de comunicação ZigBee, (b) módulo de comunicação Ethernet e (c) cartão SD. Objetivando otimizar a utilização do espaço necessário para o alojamento do protótipo, optamos pela utilização de uma placa dupla face, o que culminou na elaboração do layout de circuito impresso apresentado na Figura 12. O projeto da placa em camada dupla, além da utilização de componentes de montagem de superfície (SMD), demanda especial atenção. Assim sendo, a placa foi confeccionada em fibra com 1,6 mm de espessura e 1 oz/ft 2 de espessura de cobre, confeccionada em parceria com a empresa DIGICART. 11 (a) (b) Figura 12 – Layout da placa de circuito impresso, sendo (a) a camada superior (top layer) e (b) a camada inferior (bottom layer). 12 4 MÓDULO DE CARREGAMENTO DE BATERIA A bateria disponibilizada (Figura 13) possui tais características: • Tensão de flutuação: 13,5 - 13,8 V; • Cíclico: 14,4 – 15,0 V; • Corrente inicial: 1,5 A máx.; • Carga: 7,2 A.h; • Tensão de saída: 12 V. Utilizando o método de carga, uso cíclico, o fabricante da bateria recomenda que a corrente de carga máxima seja de 25% da capacidade nominal da bateria, a tensão de carga neste caso é de 14,4 a 15,0 V. Figura 13 – Bateria AJAX utilizada no projeto. Fonte: AJAX, 2011. Para o módulo de carregamento da bateria foi utilizado um regulador de tensão LM317 em configuração de corrente fixa de 800 mA como pode ser observado na Figura 14, obedecendo às orientações do fabricante.O carregador é ativado através do sinal proveniente 13 do microcontrolador a partir do momento que a bateria atinge 14,4 V ou ao comando do usuário por necessidade de alguma aplicação específica. Figura 14 – Diagramas esquemáticos do carregador de bateria. No layout da placa o carregador de bateria (Figura 14) foram utilizados blocos terminais parafusáveis, facilitando assim, as ligações, como por exemplo, a de entrada do painel, saída para a bateria e a saída de tensão 12 V para o restante do circuito. Devido ao aquecimento natural do componente LM317, o mesmo foi fixado em um dissipador de calor adequado a aplicação. 14 Figura 15 – Layout da placa de circuito impresso do carregador de bateria. 15 5 ESTIMATIVA DE CUSTOS Uma estimativa dos custos do projeto pode ser visualizada na Tabela 1. Tabela 1 – Estimativa de custos. Item Cabos, fios e termoretrátil Cooler Conectores – bloco terminal, barras de pinos e soquete barra Display LCD Dissipador de calor Espaçadores, parafusos e ferragens Gabinete, tinta e pés de silicone LDR Módulo RTC Microcontrolador Regulador de tensão Teclado matricial Transistores Componentes diversos – resistor, capacitor, cristal, diodo, LED e trimpot TOTAL Quantidade Valor Estimado Recursos - R$ 10,00 Próprios 1 R$ 8,00 Sucata - R$ 30,00 Próprios 1 2 R$ 20,00 R$ 50,00 Próprios Sucata - R$ 20,00 Próprios - R$ 30,00 Próprios 4 1 1 3 1 18 R$ 6,00 R$ 35,00 R$ 27,00 R$ 9,00 R$ 19,00 R$ 27,00 Próprios Próprios Próprios Próprios Sucata Próprios - R$ 25,00 – 50,00 Próprios R$ 315,00 – 340,00 As imagens do protótipo com todos os módulos integrados estão disponíveis no Anexo 2. 16 6 6.1 SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS BANCO DE BATERIAS Seria interessante a utilização de uma bateria mais apropriada para aplicação, que possuísse as seguintes características: • maior corrente de saída, pois a atual tem uma corrente máxima de saída de 1,5A, que mal consegue fornecer a corrente necessária para movimentação do painel; • maior corrente de carga, ou aumento do banco de baterias, possibilitando um melhor aproveitamento da corrente fornecida pelo painel; • tensão do banco de baterias maior que a tensão máxima de saída do painel, facilitando o projeto e controle de um conversor boost; • maior tolerância a descarga profunda (Depth of Discharge - DOD) ou aumento da capacidade do banco de baterias, permitindo a autonomia do sistema durante períodos com baixa incidência de Sol; • maior limite de ciclos de carga e descarga. Sugestão de baterias: • YUASA - NP SERIES - NP18-12; • YUASA - NP SERIES - NP7-12. • 17 6.2 CARREGADOR DE BATERIAS Buscando uma melhor eficiência no processo de transferência de potência do painel para o banco de baterias, julga-se interessante a utilização de um banco composto por uma total de doze baterias, com um agrupamento em quatro séries de três baterias, com o gerenciamento da conexão entre carregador e o mesmo. Tal gerenciamento deve de acordo com a corrente fornecida pelo painel, carregar uma, duas, três ou quatro séries por vez e alternar entre elas de forma de manter o banco igualmente carregado. Aliado ao gerenciamento da conexão com banco de baterias sugerimos a implementação de um conversor boost com algoritmo de MPPT (Maximum Power Point Tracking), possibilitando a operação do painel no ponto onde ele fornece a maior potência (Figura 16). Figura 16 – Ponto de máxima potência de operação do painel. Fonte: COELHO, 2007 18 6.3 ACIONAMENTO DOS MOTORES DE PASSO Devido à tensão de acionamento dos motores de passo ser muito inferior a do banco de baterias, sugerimos o estudo da possível utilização de um sinal PWM no acionamento dos motores ao invés de um regulador linear, reduzindo drasticamente as perdas. Obs.: Recomendado utilizar fusíveis nas bobinas dos motores de passo. 6.4 DETECÇÃO DO PONTO DE MÁXIMA INCIDÊNCIA DE SOLAR Sugere-se a utilização de um sistema miniaturizado que faça a varredura prévia da incidência solar, e somente após encontrar o ponto de máxima seja feita a movimentação do painel, possibilitando a análise do custo benefício da movimentação do mesmo, evitando assim a movimentação desnecessária do painel de dias com baixa incidência solar. 6.5 GERENCIAMENTO DE INFORMAÇÕES Sugere-se implementar comunicação sem fio de baixo consumo de energia, comunicação Ethernet, além do armazenamento em mídia de grande capacidade (cartão SD – Secure Digital Card), para que seja possível a troca de informações como tensão, corrente e potência entre painéis, o armazenamento das mesmas, bem como a disponibilização dessas 19 em uma interface amigável. É de fundamental importância lembrar que o hardware doado a autarquia prevê a implementação das sugestões citadas (Figura 17) e que as mesmas se mostraram funcionais em testes práticos. Figura 17 - Diagrama de blocos do projeto. 6.6 INTERFACE COM USUÁRIO A fim de reduzir o consumo de energia, sugerimos remover qualquer tipo de interface junto ao painel, e utilizar uma interface remota, que se comunique com o painel através de comunicação sem fio de baixo consumo, possibilitando assim o gerenciamento sob demanda, de múltiplos painéis por meio de uma única interface. 20 7 CONCLUSÃO Foi desenvolvido um sistema que realiza o ajuste automático de um painel solar, encontrando o ponto de maior luminosidade e consequentemente, de maior produção de energia elétrica. O protótipo realiza a medição do carregamento da bateria e informa ao usuário através de um display de cristal líquido de 2x16 caracteres com iluminação de fundo. Foram utilizados dois dissipadores de calor e um cooler para o resfriamento dos elementos de potência do circuito. Todos os componentes e circuitos eletrônicos foram posicionados em placas separadas segundo a finalidade e foram devidamente alojados no interior do gabinete, sendo fixadas por parafusos e elementos espaçadores. As conexões entre o painel solar, a bateria e os motores foram feitas com fios flexíveis e garras jacaré, sendo suas soldas isoladas através de termoretrátil e identificadas através da cor do fio e de etiquetas auto-adesivas. Estes fios conectam-se ao protótipo através de blocos terminais parafusáveis. As conexões entre as placas dentro do protótipo foram feitas utilizando-se cabos “flat”, barras de pinos e soquetes barra, também com suas soldas isoladas utilizando-se termoretrátil. Desta forma, verifica-se que os requisitos do projeto foram amplamente atendidos no esenvolvimento deste protótipo. É importante salientar que o protótipo apresenta-se como uma plataforma que possibilite o desenvolvimento de trabalhos que integrem eletrônica de potência e comunicação de dados. 21 REFERÊNCIAS AJAX Disponível em <http://www.ajax.com.br> . Acessado em 10 de set. de 2011. AKIYAMA Disponível em <http://www.motores.akiyama.com.br> . Acessado em 15 de out. de 2011. ATMEL Disponível em <http://www.atmel.com> . Acessado em 14 de ago. de 2011. BARBI, I.. Eletrônica de potência. 3. ed. Florianopolis: Ed. do autor, 2000. BARBI, I. Conversores CC-CC Básicos Não-Isolados. Florianopolis: Ed. do autor. BARBI, I. Eletrônica de potência: projetos de fontes chaveadas. Florianopolis: Ed. do autor, 2001. BRASILED Disponível em <http://www.brasiled.com.br/707425/Painel-Solar-60-Watts> . Acessado em 23 de set. de 2011. COELHO, R. F . Estudo dos conversores buck e boost aplicados ao rastreamento de máxima potência de sistemas solares fotovoltaicos. 2008 177 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Curso de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2007. LIMA, C. B.; Técnicas de Projetos Eletrônicos com os Microcontroladores AVR. 1ª Edição, 2010. ST MICROELECTRONICS Disponível em <http://www.st.com> . Acessado em 23 de set. de 2011. 22 ANEXO 1 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DO PAINEL SOLAR DE 60 WATTS Potência Máxima: 60 W Voltagem Máxima na Melhor Potência(Vmp): 17,4 V Corrente Máxima na Melhor Potência(Imp): 3,44 A Voltagem de Circuito Aberto(Voc) : 21 V Corrente de Curto Circuito(Isc): 3,78 A Células Solares: 150x80 Numero de Células (pcs): 4x9 Tamanho do Módulo: A = 794 mm; L = 660 mm; e E = 35 mm Espessura do Vidro Frontal: 3,2 mm Coeficiente de Temperatura de Corrente de Curto Circuito Isc(%)℃: +0,04 Coeficiente de Temperatura de Tensão de Circuito Aberto Voc(%)℃: -0,38 Coeficiente de Temperatura de Potência Máxima Pm(%)℃: -0,47 Coeficiente de Temperatura de Corrente Máxima Im(%)℃: +0.04 Coeficiente de Temperatura de Tensão Máxima Vm(%)℃: -0,38 Temperatura de Operação: -40oC a +85 °C Tolerância Potência(e.g.+/-5%): ±5% Carga Máxima na superfície: 2400 Pa Máxima Resistência a Impacto de Granizo: 23 m/s/ 7,53 g Peso do Módulo: 6,3 kg Tipo de Caixa de Junção Conf. Certif. TUV Tipo de Cabo e Conector Conf. Certif. TUV 23 Eficiência das Células (%): 14,13% Eficiência do Módulo (%): 12,54% Valor Diodo Bypass: 10 A Espessura do Quadro: 35# Material Traseiro TPT Garantia de Geração de Energia 90% em 10 anos, 80% em 25 anos Condição de Teste Padrão AM 1,5 1000 W/m2 25 +-2 °C FF (%): 70-76% Modulo Solar FG, fabricado com materiais de alta qualidade para prover módulos solares de alta qualidade: Células Solares da Jetion Cells Vidros da Suoèr de Nanjing EVA da Duba dos EUA ou Fust da China TPT da DNP do Japão ou Jolywood da China Caixa de Junção e Conectores da GZX ou Renhe da China Silica Gel da Tianshan de Pequim – China 24 ANEXO 2 IMAGENS DO PROTÓTIPO Vista lateral do protótipo com a etiqueta de identificação Vista lateral do protótipo com a saída de ventilação e fios para o painel solar e bateria 25 Vista lateral do protótipo com a saída para as chaves fim de curso e motores Vista frontal do protótipo conectado à bateria 26 Vista superior do gabinete aberto Detalhe do posicionamento do dissipador do circuito de acionamento dos motores 27 Detalhe do cooler para ventilação do sistema Detalhe do arranjo em torre do módulo de controle e do módulo de carregamento da bateria 28 Vista lateral do arranjo de sensores que deve ser fixado ao painel para determinar o ponto de máxima intensidade luminosa Vista superior do arranjo de sensores que deve ser fixado ao painel para determinar o ponto de máxima intensidade luminosa 29