análise energética do módulo de transporte do maglev

Universidade Federal do Rio de Janeiro
ANÁLISE ENERGÉTICA DO MÓDULO DE TRANSPORTE DO
MAGLEV-COBRA
Vinicius Rodrigues de Moura
2016
ANÁLISE ENERGÉTICA DO MÓDULO DE TRANSPORTE DO
MAGLEV-COBRA
Vinicius Rodrigues de Moura
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia
Elétrica
da
Escola
Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Engenheiro.
Orientador:
Rio de Janeiro
Abril, 2016
Elkin Ferney Rodriguez Velandia
ANÁLISE ENERGÉTICA DO MÓDULO DE TRANSPORTE DO
MAGLEV-COBRA
Vinicius Rodrigues de Moura
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE
ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL
DO
NECESSÁRIOS
RIO
PARA
DE
A
JANEIRO
COMO
OBTENÇÃO
DO
PARTE
DOS
GRAU
DE
REQUISITOS
ENGENHEIRO
ELETRICISTA.
Examinada por:
________________________________________
Prof. Elkin Ferney Rodriguez Velandia, D.Sc.
(Orientador)
________________________________________
Prof. Richard Magdalena Stephan, Dr.-Ing.
________________________________________
Prof. Walter Issamu Suemitsu, Dr. Ing.
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
Abril de 2016
iii
ANÁLISE ENERGÉTICA DO MÓDULO DE TRANSPORTE DO
MAGLEV-COBRA
Moura, Vinicius Rodrigues
Análise Energética do Módulo de Transporte do MaglevCobra / Vinicius Rodrigues de Moura. – Rio de Janeiro: UFRJ/
Escola Politécnica, 2016.
XIII, 91 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Elkin Ferney Rodriguez Velandia
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de
Engenharia Elétrica, 2016.
Referências Bibliográficas: p 62.
1. Introdução. 2. Energia Solar Fotovoltaica. 3. Sistema
Fotovoltaico Instalado. 4. Dimensionamento de Energia do trem
Maglev-Cobra. 5. Resultados Experimentais. 6. Conclusão e
Trabalhos Futuros.
I. Velandia, Elkin Ferney Rodriguez. II.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso
de Engenharia Elétrica. III. Análise Energética do Módulo de
Transporte do Maglev-Cobra.
iv
AGRADECIMENTOS
Em primeiro lugar ao meu avô Gilberto Rodrigues (in memorian) que em toda sua
vida me ajudou, amou e apoiou incondicionalmente. Infelizmente não será possível te
abraçar e agradecer por tudo no dia da minha formatura, sei o quanto isto significava.
Tenho certeza que estará me guiando para o resto de minha vida. Não existe palavras
para descrever tanta gratidão, por isso, “bença vô”.
À minha avó Eunice Soares Rodrigues, que continua me ajudando de todas as
formas possíveis e inimagináveis, com muito amor e carinho. Espero um dia poder
retribuir por tudo.
À minha namorada Soraya por todo amor, compreensão e apoio nos momentos
mais difíceis e os mais felizes de minha vida. Guiando-me para conquistar meus
objetivos.
Aos meus amigos da Engenharia Elétrica, que tive a honra de conhecer e estudar
juntos como o meu amigo Lucas Sampaio, Tiago, Rodrigo, Débora, Nathalia, Lucas
Vieira, Ricardo, Pedro, Beatriz, Vinicius e muitos outros que me ajudaram direta ou
indiretamente como o meu amigo João Melo que mesmo não fazendo engenharia me
ajudou a me tornar um engenheiro.
Ao Professor Elkin pela ajuda, paciência, compreensão e apoio fornecido mesmo
antes de ser o meu orientador, este trabalho não estaria pronto sem a sua orientação.
A toda equipe do Laboratório de Máquinas e do Laboratório de Aplicação de
Supercondutores, em especial ao Richard, Sérgio, André, Jorge e ao Roberto por toda
ajuda, ao Edeval, Renato, Felipe, Flávio, Vina, e meus amigos Hugo e Jonathan.
v
Resumo do Projeto de Graduação apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica
da Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do
grau de Engenheiro Eletricista.
ANÁLISE ENERGÉTICA DO MÓDULO DE TRANSPORTE DO
MAGLEV-COBRA
Vinicius Rodrigues de Moura
Abril, 2016
Orientador: Elkin Ferney Rodriguez Velandia
Curso: Engenharia Elétrica
Este trabalho documenta e analisa o consumo energético necessário ao
funcionamento da linha de teste do trem de levitação magnética, desenvolvido na UFRJ,
denominado Maglev-Cobra.
Módulos fotovoltaicos, com a finalidade de suprir a necessidade energética do
veículo, foram anteriormente instalados no local, com base em estimativas de consumo.
Neste projeto de fim de curso, foram coletados dados de geração referentes aos painéis,
utilizando um medidor de energia. Esses dados foram analisados e comparados com os
fornecidos pelo fabricante, considerando o local e o método de instalação dos módulos
fotovoltaicos.
Com o auxílio de um instrumento de medição de qualidade de potência, foram
realizados testes durante a operação do protótipo funcional, inclusive nos períodos de
visitação ao público. Desta forma, foram obtidas as demandas de potência exigidas para
determinadas variações de carga em ambientes e trajetos reais.
A partir dos dados obtidos, tanto do trem, quanto do sistema fotovoltaico, foi
possível estabelecer a relação de consumo com a capacidade de geração energética das
placas fotovoltaicas utilizadas. Essa informação ajudará na tomada de decisões de uma
futura expansão do projeto, tornando-o autossustentável. O trabalho conclui indicando a
necessidade adicional de placas solares para a operação da linha de teste do veículo
MagLev-Cobra durante 8 horas diárias.
vi
Palavras-chave: geração fotovoltaica, veículos de levitação magnética (MagLev),
consumo energético
Abstract of Undergraduate Project presented to the Department of Electrical Engineering
of POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Engineer.
ENERGY ANALISYS OF THE TRANSPORTATION MODULE MAGLEV-COBRA
Vinicius Rodrigues de Moura
Março/2016
Advisor: Elkin Ferney Rodriguez Velandia
Course: Eletrical Engineering
This project documents and analyzes the energy consumption needed to operate
the test line of the magnetic levitation train developed at UFRJ, called Maglev-Cobra.
In order to meet the energy needs of the vehicle, photovoltaic modules had
previously been installed in place, based on estimated consumption. In this project,
generation data of the panels were collected using a power meter. These data were
analyzed and compared with the information provided by the manufacturer, taking into
account the location and installation method of the photovoltaic modules.
With the aid of a power quality measuring instrument, tests were conducted during
operation of the working prototype, including public visitations periods. Thus, the power
demands required for certain load variations in practical settings and paths were obtained.
From the data obtained from both the train and the photovoltaic system, it was
possible to establish the consumption compared with the capacity of power generation of
the photovoltaic panels used. This information will help in making decisions about future
expansions of the project, making it self-sustaining. The project concludes indicating the
need for additional solar panels to operate the test line MagLev-Cobra vehicle for 8 hours
daily.
Keywords: photovoltaix generation, magnetic levitation vehicles (MagLev), energy
consumption.
vii
Sumário
Listas de Figuras ........................................................................................................ x
Lista de Tabelas ....................................................................................................... xiii
1.
2.
Introdução ............................................................................................................ 1
1.1.
Motivação e objetivos ................................................................................................... 1
1.2.
Organização do trabalho ............................................................................................... 3
Energia solar fotovoltaica ................................................................................... 5
2.1.
Radiação solar ............................................................................................................... 5
2.2.
Célula fotovoltaica......................................................................................................... 8
2.3.
Módulos fotovoltaicos .................................................................................................. 9
2.3.1.
Características elétricas do módulo .................................................................... 10
2.3.2.
Temperatura das células ..................................................................................... 13
2.3.3.
Intensidade luminosa .......................................................................................... 14
2.4.
Sistemas fotovoltaicos ................................................................................................ 15
2.4.1.
Sistemas isolados (SFVI) ...................................................................................... 15
2.4.2.
Sistema conectado à rede elétrica (SFCR) ........................................................... 16
2.5.
Inversor ....................................................................................................................... 17
2.5.1.
2.6.
3.
4.
Seguidor do ponto de máxima potência (SPMP) ................................................ 19
Regulamentação da geração fotovoltaica no Brasil .................................................... 20
Sistema fotovoltaico instalado ......................................................................... 22
3.1.
Espaço físico da instalação .......................................................................................... 22
3.2.
Nível de radiação solar ................................................................................................ 23
3.3.
Especificações do módulo ........................................................................................... 24
3.3.1.
Registro no INMETRO .......................................................................................... 26
3.3.2.
Estrutura de suporte dos módulos ...................................................................... 27
3.3.3.
Arranjo dos módulos ........................................................................................... 28
3.3.4.
Geração fotovoltaica esperada ........................................................................... 29
Dimensionamento de energia do trem Maglev-Cobra ..................................... 31
4.1.
Potência para o veículo ............................................................................................... 31
4.1.1.
Aspectos do veículo ............................................................................................. 32
4.1.2.
Aspectos da via .................................................................................................... 33
4.1.3.
Velocidade e aceleração...................................................................................... 34
4.2.
Simulação de operação ............................................................................................... 35
4.3.
Equipamentos embarcados no trem ........................................................................... 39
viii
5.
Resultados experimentais................................................................................. 41
5.1.
Dados do Mavowatt 30 ............................................................................................... 41
5.1.1.
Procedimentos experimentais ............................................................................ 42
5.1.2.
Energia consumida pelo Maglev-Cobra da estação CT1 à estação CT2 .............. 45
5.1.3.
Energia consumida pelo Maglev-Cobra da estação CT2 à estação CT1 .............. 46
5.1.4.
Energia consumida pelo Maglev-Cobra............................................................... 48
5.2.
Dados elétricos dos painéis fotovoltaicos instalados.................................................. 57
5.2.1.
5.3.
6.
7.
Energia fornecida pelos painéis fotovoltaicos .................................................... 57
Comparação entre a geração fotovoltaica com o consumo do Maglev-Cobra........... 58
Conclusão e trabalhos futuros ......................................................................... 60
6.1.
Conclusões................................................................................................................... 60
6.2.
Trabalhos Futuros........................................................................................................ 61
Referências bibliográficas ................................................................................ 62
ANEXO I – Diagrama multifilar indicando a localização do multimedidor Mult-K 65
ANEXO II – Dados do Módulo Fotovoltaico fornecido pelo fabricante ................. 66
ANEXO III – Projeto Inicial de Fixação do Módulos Fotovoltaicos no CT 2 .......... 67
Apêndice A – Associação de células fotovoltaicas................................................ 68
Apêndice B – Relações entre os parâmetros característicos dos módulos
fotovoltaicos ............................................................................................................. 70
Apêndice C - Características técnicas do Mult-K ................................................... 73
C.1 - Fixação do Mult-K ....................................................................................................... 73
C.2 - Alimentação Externa ................................................................................................... 74
C.3 - Esquema de Ligação .................................................................................................... 74
C.4 - Interface homem máquina (IHM) ............................................................................... 76
C.5 - Modo Funções (FUn) ................................................................................................... 77
Apêndice D – Guia prático de manuseio do analisador de qualidade de energia
Mavowatt 30 [34] ....................................................................................................... 79
D.1 - Tela Inicial ....................................................................................................................... 80
D.2 - Iniciar/Configuração (Start/Setup) ................................................................................. 80
D.3 - Configuração Automática ............................................................................................... 81
D.4 - Assistente de configuração ............................................................................................. 82
D.15 - Parar monitoramento (Stop) ........................................................................................ 90
ix
Listas de Figuras
Figura 1 - Linha de teste operacional ligando o CT1 ao CT2 [4] ..................................... 2
Figura 2- Estrutura de instalação de painel solar .............................................................. 6
Figura 3- Radiação solar distribuída na atmosfera ........................................................... 7
Figura 4 - Representação da célula fotovoltaica ............................................................... 9
Figura 5 - Símbolo de painel fotovoltaico ...................................................................... 10
Figura 6- Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica alimentando uma carga Z ... 11
Figura 7 - Curva característica IxV ................................................................................ 12
Figura 8- Gráfico da IxV indicando o ponto de máxima potência ................................. 13
Figura 9- Gráfico da IxV indicando o ponto de máxima potência ................................. 14
Figura 10- Curva caraterística IxV variando a radiação solar ........................................ 15
Figura 11- Sistema fotovoltaico conectado à rede.......................................................... 17
Figura 12- Símbolo elétrico de um inversor ................................................................... 19
Figura 13- Parâmetros para realizar o SPMP ................................................................. 20
Figura 14- Localização das placas fotovoltaicas instaladas [19] .................................... 23
Figura 15- Painel Riosolar 270 CA [21]......................................................................... 25
Figura 16- Visão da superfície posterior do Módulo [21] .............................................. 25
Figura 17- Visão da superfície posterior do Módulo [29] .............................................. 26
Figura 18 - Estrutura de instalação de painel solar no CT2 (Projeto Hojannes modificado)
[18] ................................................................................................................................. 27
Figura 19 - Arranjo inicial dos módulos fotovoltaicos – (Projeto Hojannes modificado)
[18] ................................................................................................................................. 28
Figura 20 - Diagrama Multifilar dos painéis fotovoltaicos ............................................ 28
Figura 21- Módulos fotovoltaicos de 270 W instalados ................................................. 29
Figura 22- Vista Isométrica do trem Maglev-Cobra ...................................................... 32
Figura 23 - Via ligando o CT1 ao CT2........................................................................... 33
Figura 24 - Característica da velocidade x tempo no deslocamento do trem [25] ......... 34
Figura 25 - Gráfico de potência em relação ao tempo com massa de 2565 kg .............. 35
Figura 26 - Gráfico de energia vs. tempo com massa de 2565 kg .................................. 35
Figura 27 - Gráfico de potência em relação ao tempo com massa de 2660 kg .............. 36
Figura 28 - Gráfico de energia vs. tempo com massa de 2660 kg.................................. 36
Figura 29 - Gráfico de potência em relação ao tempo com massa de 3030 kg .............. 37
Figura 30 - Gráfico de energia vs. tempo com massa de 3030 kg .................................. 37
x
Figura 31 - Equipamentos presentes no interior do veículo do Maglev-Cobra .............. 39
Figura 32 - Diagrama multifilar resumido do circuito - Adaptado [43] ......................... 41
Figura 33 - Sistema de ligação do Mavowatt 30 ............................................................ 42
Figura 34 - Chave seccionadora Tripolar, RSW250-3 ................................................... 43
Figura 35 - Disjuntor motor 3 polos ............................................................................... 43
Figura 36 - Fusível tipo faca ........................................................................................... 44
Figura 37 - Módulo conversor, CFW11-105-RB ........................................................... 44
Figura 38 - Potência elétrica necessária para o trem se deslocar da estação do CT1 ao CT2
........................................................................................................................................ 45
Figura 39 - Potência demanda pelo trem da estação CT2 ao CT1, sem acionamento
contínuo .......................................................................................................................... 46
Figura 40 - Potência demandada pelo trem da estação CT2 ao CT1, com acionamento
contínuo .......................................................................................................................... 47
Figura 41 - Potência demandada pelo trem em um ciclo ............................................... 49
Figura 42 - Potência demandada em três ciclos com massa de 2565 kg ........................ 49
Figura 43 - Potência demandada pelo trem em três viagens do CT1 - CT2 ................... 50
Figura 44 - Potência demandada pelo trem em três viagens do CT2 - CT1 ................... 50
Figura 45 - Potência demandada em três ciclos com massa de 2660 kg ........................ 52
Figura 46 - Potência demandada pelo trem em três viagens do CT1 - CT2, com massa de
2660kg ............................................................................................................................ 53
Figura 47 - Potência demandada pelo trem em três viagens do CT2 - CT1, com massa de
2660kg ............................................................................................................................ 53
Figura 48 - Potência demandada em três ciclos com massa de 2660 kg ........................ 54
Figura 49 - Potência demandada pelo trem em três viagens do CT1 - CT2, com massa de
3030 kg ........................................................................................................................... 55
Figura 50 - Potência demandada pelo trem em três viagens do CT2 - CT1, com massa de
3030 kg ........................................................................................................................... 55
Figura A - 1 - Associação em série de módulos.............................................................................68
Figura A - 2 - Associação em paralelo...........................................................................................68
Figura A - 3 - Arranjo série-paralelo.............................................................................................69
Figura C - 1 - Quadro de Medição (QDM) onde se encontra o Mult-K..........................................73
Figura C - 2 - Tipo de alimentação externa do Mult-K, na esquerda para 120 e na direita para 220
Vca [32]........................................................................................................................................74
xi
Figura C - 3 - Diagrama Multifilar de conexão com o Mult-K – Adaptado [32]............................75
Figura C - 4 - Painel Frontal do Mult-K.........................................................................................76
Figura D - 1 - Tela inicial ao ligar o MAVOWATT 30..................................................................80
Figura D - 2 - Tela do Menu Iniciar...............................................................................................81
Figura D - 3 - Tela de Configuração automática............................................................................82
Figura D - 4 - Ponteira de corrente.................................................................................................83
Figura D - 5 - Seleção de ponteiras de corrente..............................................................................83
Figura D - 6 - Escolha da relação de transformação.......................................................................84
Figura D - 7- Escolha do tipo de circuito.......................................................................................85
Figura D - 8 - Tela dos Valores Nominais.....................................................................................85
Figura D - 9 - Tela de Rastreamento da frequência........................................................................86
Figura D - 10 - Tela do Modo de Operação...................................................................................87
Figura D - 11 - Modo de Monitoramento......................................................................................88
Figura D - 12 - Tela das Opções avançadas...................................................................................88
Figura D - 13 - Opção de caracterização........................................................................................89
Figura D - 14 - Tela mostrando o cartão de memória.....................................................................89
Figura D - 15 - Tela do Menu de Monitoramento..........................................................................90
Figura D - 16 - Tela principal realizando monitoramento.............................................................91
Figura D - 17- Menu de parada de monitoramento .......................................................................91
xii
Lista de Tabelas
Tabela 1 - Irradiação solar diária média mensal – Estação Penha Rio [20] ................... 24
Tabela 2 - Dados do Módulo Instalado [21] ................................................................... 26
Tabela 3 - Área total do módulo e do Arranjo dos painéis fotovoltaicos ....................... 29
Tabela 4 - Geração Estimada Total ................................................................................ 30
Tabela 5 - Energia consumida pelo veículo para determinadas massas ......................... 38
Tabela 6 – Variáveis utilizadas para cada simulação ..................................................... 38
Tabela 7- Energia consumida diariamente nas simulações ............................................ 39
Tabela 8 - Equipamentos energizados pela fonte auxiliar .............................................. 40
Tabela 9 - Energia consumida pelo trem da estação CT1 à estação CT2 ....................... 45
Tabela 10 - Energia consumida pelo trem da estação CT2 à estação CT1 sem acionamento
contínuo .......................................................................................................................... 47
Tabela 11 - Energia consumida pelo trem da estação CT2 à estação CT1 com acionamento
contínuo .......................................................................................................................... 48
Tabela 12 - Energia consumida do CT1 - CT2 e do CT2 - CT1 .................................... 49
Tabela 13 - Energia média consumida pelo trem do CT1-CT2 e do CT2-CT1 ............. 51
Tabela 14 - Energia média consumida pelo trem em repouso ........................................ 51
Tabela 15 - Energia consumida pelo veículo para uma massa de 2565 kg .................... 52
Tabela 16 - Energia média consumida pelo trem do CT1 - CT2 e do CT2 - CT1 ......... 54
Tabela 17 - Energia consumida pelo veículo para uma massa de 2660 kg .................... 54
Tabela 18 - Energia média consumida pelo trem do CT1 - CT2 e do CT2 - CT1 ......... 56
Tabela 19 - Energia consumida pelo veículo para uma massa de 3030 kg .................... 56
Tabela 20 - Energia total consumida pelo veículo para diferentes massas .................... 56
Tabela 22 - Energia diária média e total no período de 230 dias ................................... 57
Tabela 23 - Comparação entre energia fornecida e esperada dos painéis fotovoltaicos 58
Tabela 24 - Comparação entre energia fornecida e esperada com perdas dos painéis
fotovoltaicos ................................................................................................................... 58
Tabela 25 – Consumo total médio de energia semanalmente ........................................ 59
Tabela 26 – Energia média fornecida pelos painéis semanalmente ............................... 59
Tabela C - 1 - Referência dos números nos terminais com sua nomenclatura [33]...........76
Tabela C - 2 - Funções do Modo FUn [33]........................................................................77
Tabela C - 3 - Parametrização do Mult-K.........................................................................78
xiii
1. Introdução
1.1. Motivação e objetivos
Com o aumento demográfico das cidades e visando uma alternativa ao automóvel
individual no seu uso diário, um meio de transporte coletivo urbano de qualidade se
torna necessário, proporcionando uma redução na emissão de poluentes, com a
diminuição da utilização de combustíveis fósseis, de investimentos em obras viárias
caras, assim como a redução de congestionamentos que diminuem a produtividade e a
qualidade de vida da sociedade.
Os congestionamentos nas grandes cidades estão relacionados tanto a perdas
econômicas como a perdas na saúde da população. Disfunções respiratórias devido aos
gases emitidos por veículos a combustão são de amplo conhecimento da sociedade
residente nas grandes metrópoles, contudo, outros problemas de saúde não são
relacionados diretamente a este fato, por exemplo: o barulho próximo às vias rodoviárias
pode provocar distúrbios psicológicos, entre outros. Na cidade do Rio de Janeiro, o nível
de ruído registrado é em média de 80,4 decibéis de acordo com uma pesquisa realizada
em parceria com a Sociedade Brasileira de Otologia (SBO). Segundo a Organização
Mundial de Saúde (OMS), o desejável seria um limite de 55 decibéis, considerado que
a exposição constante de barulhos acima de 85 decibéis ocasiona danos irreversíveis à
audição [1]. A partir das constatações de tantos prejuízos à população, uma alternativa
ao transporte utilizado atualmente se faz indispensável para atender às necessidades
da saúde da população.
Buscando solucionar esses problemas de forma eficiente, contemplando a
viabilidade técnica e econômica de forma sustentável, foi concebido o trem MaglevCobra no Laboratório de Aplicações de Supercondutores (LASUP).
A tecnologia do MagLev-Cobra propõe um veículo de levitação magnética
baseado nas propriedades diamagnéticas dos supercondutores de elevada temperatura
crítica, como por exemplo, o óxido de ítrio-bário-cobre (YBa2Cu3O7), e do campo
magnético dos ímãs Neodímio-Ferro-Boro (NdFeB).
Devido a sua estrutura física e seu princípio de funcionamento, o veículo utiliza
um sistema de tração por meio de motores de indução linear, possibilitando que o
veículo de transporte seja articulado. Isto admite a realização de curvas com raios de
50 metros e ultrapassagem de declives de até 15% [2], permitindo sua implantação com
1
maior liberdade em ambientes urbanos, podendo ser utilizado em vias elevadas de
levitação magnética ou simplesmente por meio da adaptação de vias existentes. Isso
resulta em grande economia de implantação, sabendo que cerca de 70% do custo total
advém dessa etapa [3].
O MagLev-Cobra se locomove sem contato mecânico entre as partes do veículo
e trilhos, o que juntamente com o sistema de tração utilizado, torna-o um veículo
silencioso. Esse ainda demanda um consumo de energia inferior a outros meios de
transportes equivalentes, o que justifica a sua utilização em ambientes com amplo
número de pessoas.
Este trabalho proporciona um estudo da demanda energética solicitada pelo trem
durante a operação em sua linha de teste operacional. As medições foram realizadas
por meio de um instrumento analisador da qualidade de energia (Mavowatt 30), que foi
testado em laboratório de forma a garantir seu adequado uso durante os testes
operacionais do trem.
A linha de teste do protótipo funcional em escala real do trem está indicada na
Figura 1, compreendendo uma distância total de 190,14 metros [4], e conectando os
edifícios do Centro de Tecnologia, CT1 e CT2.
CT1
CT2
Figura 1 - Linha de teste operacional ligando o CT1 ao CT2 [4]
2
Visando a sustentabilidade, o MagLev-Cobra utiliza um sistema de painéis
fotovoltaicos para suprir a energia utilizada durante seu funcionamento na linha de
testes CT1-CT2. Como parte da análise energética do módulo de transporte do MagLevCobra, foram coletados os dados de geração do sistema fotovoltaico instalado, com a
utilização de um medidor Mult-K da Kron, possibilitando o aferimento dos valores
fornecidos pelo fabricante, considerando o local de sua instalação, e a demanda total
produzida.
Com os dados coletados, tanto da energia consumida pelo trem durante sua
operação como a energia fornecida pelos painéis fotovoltaicos, será possível
dimensionar o estado atual do fluxo energético do módulo de transporte, informação que
possibilitará uma estimativa coerente de uma possível expansão da linha de levitação
ou o aumento do sistema modular aplicado ao trem. Essa estimativa permitirá um
adequado dimensionamento da fonte geradora com a necessidade de energia
demandada, tornando o sistema autossuficiente.
1.2. Organização do trabalho
Este trabalho possui a seguinte estrutura:
Capítulo 1: “Introdução”, onde são apresentados a motivação e os objetivos deste
trabalho.
Capítulo 2: “Energia solar fotovoltaica”, apresenta a base e o conceito da geração de
energia elétrica através da tecnologia de energia solar.
Capítulo 3: “Sistema fotovoltaico instalado”, apresenta as características e os métodos
adotados à obtenção dos dados.
Capítulo 4: “Dimensionamento de energia do trem Maglev-Cobra”, aponta os conceitos
e cálculos de energia em função de seu arrasto aerodinâmico, aceleração e aclive
existente. Informando consumo dos equipamentos eletrônicos embarcados no veículo.
Capítulo 5: “Resultados experimentais”, serão apresentados os dados encontrados
durante a operação do trem de levitação magnética e dos dados das placas
fotovoltaicas.
Capítulo 6: "Conclusão e trabalhos futuros ”, serão apresentadas as conclusões
referentes às análises de energia utilizada pelo trem e a energia gerada efetivamente
3
pelas placas, assim como as propostas de trabalhos futuros visando a diminuição do
consumo de energia exigido pelo trem.
Capítulo 7: “Referências bibliográficas”, contém as listagens dos livros, artigos e
conteúdos necessários à produção deste trabalho.
Além disso, o projeto é complementado com Anexos, que apresentam folhas de
dados, e Apêndices, com detalhamento de cálculos necessários ao entendimento dos
métodos utilizados neste trabalho, conforme descrito a seguir.
Anexo I: “Diagrama multifilar indicando a localização do multimedidor Mult-K”,
localização do medidor de energia.
Anexo II: “Dados do Módulo Fotovoltaico fornecido pelo fabricante”, mostra informações
das características do módulo fotovoltaico.
Anexo III: “Projeto Inicial de Fixação do Módulos Fotovoltaicos no CT 2”, apresenta
detalhes da instalação do sistema fotovoltaico.
Apêndice A: “Associação de células fotovoltaicas”, apresenta métodos utilizados para
associar células fotovoltaicas.
Apêndice B: “Relações entre os parâmetros característicos dos módulos fotovoltaicos”,
apresenta cálculos necessários para determinar a potência de um módulo.
Apêndice C: “Características técnicas do Mult-K”, contém características necessárias
para utilização do medidor.
Apêndice D: “Guia prático de manuseio do analisador de qualidade de energia
Mavowatt 30”, apresenta um guia prático de utilização do equipamento.
4
2. Energia solar fotovoltaica
Considerado que o Brasil dispõe de um dos maiores potenciais em energia solar
no mundo [5], o estudo e investimento nessa área se torna essencial ao
desenvolvimento social e econômico do país buscando meios ecologicamente corretos
de crescimento energético.
2.1. Radiação solar
No movimento de translação da Terra, no qual esta gira em torno do sol, é
desenvolvido em relação à linha do equador uma trajetória elíptica cuja inclinação é de
23,5º (precisamente 23º27’08”). Isso faz com que haja uma diferença na posição do sol,
considerando o mesmo horário, dependendo da sua posição ao longo do ano,
ocasionando as estações do ano [6].
Isso faz com que haja uma variação na duração solar do dia, mudando o período
de claridade do Sol, o qual irá depender da sua localização geográfica e período do ano.
Este período é determinado em (3), utilizando as equações (1) e (2) [7]:
Considerando a declinação solar (∂), como sendo:
360 ∗ (284 + 𝐽)
𝜕 = 23,45 sin [
]
365
(1)
Onde J → dia juliano, variando de 1 até 365.
Obtém-se o ângulo horário (𝐻), pela expressão:
𝐻 = cos −1(− tan ∅ + tan 𝜕)
(2)
Onde ∅ → latitude local.
Assim, com as devidas substituições, encontra-se a duração solar do dia (𝐷):
𝐷=
2∗𝐻
15
(3)
5
Valores precisos da duração solar dos dias em horas, para diferentes latitude e
períodos do ano são publicados no anuário astronômico [7].
Esse dado é particularmente importante quando se trata de aumentar o
aproveitamento proveniente da radiação solar, podendo estabelecer um sistema de
“perseguição” de máxima energia, fazendo com que a instalação do painel solar seja de
tal forma a se ajustar de acordo com a latitude do local e do período do ano.
Tal metodologia pode ser a ideal para implementação de sistemas fotovoltaicos,
mas exige uma maior complexidade tanto na estrutura como no sistema de monitoração
e movimentação. Nos concentraremos em um sistema fixo de captação solar que pode
ser planejado orientando o painel fotovoltaico para o norte e considerar o ângulo de
inclinação de acordo com a latitude local, conforme Figura 2.
Figura 2- Estrutura de instalação de painel solar
Outro fator que interfere na radiação solar em um determinado ponto é o
movimento elíptico em torno do sol que altera a distância entre o Sol e a Terra durante
o ano. No periélio, o momento em que a Terra se encontra mais próxima do sol, sua
distância média é de 146 milhões de quilômetros, enquanto que no seu Afélio (maior
distância entre o Sol e a Terra) esse valor chega a 152 milhões de quilômetros [7].
Considerando tal fenômeno, podemos dizer que a variação da distância entre a
terra e o sol é diretamente proporcional à radiação solar, que varia de 1.325W/m² até
1.412W/m². Assim, temos o valor médio dessa radiação, que é 𝐸0 = 1.367 𝑊/𝑚²,
denominada de constante solar [8].
Contudo, a radiação solar que incide na superfície da Terra é reduzida devido à
absorção, reflexão e dispersão ao entrar na atmosfera, representada na Figura 3 de
forma simplificada. A porcentagem que incide no solo é constituída por sua componente
direta e sua componente difusa, definidas como:
6
A luz solar incidente na superfície terrestre sem dispersão é denominada
radiação direta, variando de acordo com as condições climáticas locais.
A radiação difusa é representada pela componente dispersa e reduzida da luz
devido às reflexões que ocorrem ao entrar na atmosfera. Contudo, se a superfície onde
incide a radiação estiver inclinada em relação à horizontal, surge uma terceira
componente decorrente da reflexão pelo ambiente ao redor, esta é denominada de
Albedo. Esta componente pode se tornar significativa dependendo das condições
geográficas e ambientais ao redor do local de estudo.
Devido à dificuldade na obtenção de medidas precisas para radiação direta e
difusa, a radiação que incide no solo é determinada reduzindo seu valor a um máximo
aproximado, considerando boas condições climáticas, de 1.000W/m² ao meio dia [8].
Para obter uma média global anual, considerando sua unidade em kWh/m², admite-se
um período de um ano com a quantidade total de radiação solar no local.
Figura 3- Radiação solar distribuída na atmosfera
Analisando a extensão territorial do Brasil podemos dizer que a maior parte do
seu território se encontra entre a linha do equador e o trópico de capricórnio, localização
estratégica para o potencial energético solar. Comparando com os países do norte
europeu onde a irradiação média varia entre 900 kWh/m² até 1.250 kWh/m² anualmente,
no Brasil a variação da irradiação média é de 1200 kWh/m² até 2600 kWh/m² [8],
possuindo valores que justificam o investimento no setor em todo o território brasileiro.
7
2.2. Célula fotovoltaica
O processo de obtenção de energia por meio da conversão de luz em eletricidade
pode ser compreendido pelo uso da célula fotovoltaica, elemento no qual ocorre o efeito
fotovoltaico ou efeito fotoelétrico, responsável pela obtenção de energia. Processo tal,
que somente é possível, devido à sua composição que contém material semicondutor e
às suas etapas de purificação.
Os materiais semicondutores possuem uma condutividade intermediária e uma
configuração sólido cristalino, sendo todos tetravalentes. No caso do Silício, sua
configuração eletrônica na última camada é s²p².
A obtenção do silício purificado para a fabricação de células fotovoltaicas advém
de sua matéria-prima bruta, o quartzo. O processo de purificação é requisito para uma
eficiência melhor nas células solares, sendo o índice de pureza ideal do Silício Grau
Solar (SGS), o qual começa a partir de 99,9999% [9].
Para a produção das células solares o silício puro, sendo um semicondutor
intrínseco, passa por um processo de dopagem, tornando o semicondutor extrínseco.
Este processo de dopagem introduz uma impureza para controlar sua característica
elétrica, utilizando elementos trivalentes e pentavalentes da tabela periódica.
A composição da célula solar pode ser descrita como possuindo uma camada fina
de silício do tipo N (quando introduz um átomo de uma impureza pentavalente para
realização das ligações covalentes, excedendo um elétron, gerando um elétron livre) e
uma camada com espessura maior de silício tipo P (quando introduz um átomo de
impureza trivalente para a ligação covalente, gerando uma lacuna). O elemento mais
comum utilizado na dopagem do silício tipo N é o fósforo (P), enquanto que no silício do
tipo P é o Boro (B) [10].
A união do silício tipo P com o tipo N forma a junção PN, com a incidência de luz
solar sobre a célula ocorre a excitação dos elétrons fornecendo energia, ocasionando a
movimentação dos elétrons livres no lado N para as lacunas do lado P, gerando um
campo elétrico permanente. Aplicando uma energia maior no gap, inicia-se a formação
de pares de elétrons livres com as lacunas, criando uma aceleração de carga e dando
origem a uma diferença de potencial. Inserindo um condutor externo, em cada camada
da célula solar, há a produção de um fluxo de elétrons nas conexões, tal produção é
proporcional ao fluxo de luz incidente. A Figura 4 apresenta essa junção PN.
8
Figura 4 - Representação da célula fotovoltaica
A composição dos semicondutores mais utilizados na fabricação de células
fotovoltaicas são o silício cristalino (c-Si), dividindo-se em monocristalino, policristalino
(ou multi-cristalino), os de filmes finos de silício amorfo (a-Si), telureto de cádmio (CdTe),
cobre-índio-gálio-disseleneto (CIGS), concentrador-PV (CPV), entre outras tecnologias
utilizadas.
Cerca de 90% dos painéis fotovoltaicos produzidos ao redor do mundo possuem
em sua composição células de silício monocristalino ou policristalino. Isso ocorre devido
a relação de custo do material utilizado com a eficiência da conversão da energia solar
em energia elétrica de cada célula solar. Comparando entre as tecnologias
mencionadas, as células de silício monocristalino são mais eficientes em relação ao
policristalino, contudo, apresentam maiores custos de produção [11]. A destinação do
projeto proposto e o tempo de retorno do capital investido serão determinantes na
escolha da composição dos painéis fotovoltaicos.
2.3. Módulos fotovoltaicos
Uma única célula não possui condições de produção energética suficiente para
uso prático, em condições nominais de teste, apresentam diferença de potencial entre
0,5V a 0,6V e potência extremamente baixa para utilização [11].
A escolha dos componentes e do processo de fabricação das células
fotovoltaicas, informados na seção 2.2 é essencial para o projeto no qual se deseja
9
trabalhar, assim como a padronização dessas células a fim de formar um arranjo para
criação de um módulo. Certificar que cada célula possui características elétricas
uniformes evitando a incompatibilidade entre elas e a diminuição de sua qualidade. O
efeito de descasamento ocorre quando uma célula de maior fotocorrente e fotovoltagem
dissipam sua potência excedente nas células de menor desempenho, comprometendo
sua eficiência total.
As células devem ser arranjadas em ligações série-paralelo afim de constituir um
módulo que permita o atendimento da potência, tensão e corrente desejados para
implementação de um projeto. Essas associações estão apresentadas no Apêndice A.
O símbolo usualmente utilizado para representação de painel fotovoltaico está
indicado na Figura 5.
Figura 5 - Símbolo de painel fotovoltaico
2.3.1. Características elétricas do módulo
Os fabricantes dos módulos fotovoltaicos informam, usualmente, a potência de
pico dos módulos, um parâmetro essencial para o dimensionamento do equipamento. A
potência máxima é expressa em watt-pico (Wp).
Outras características elétricas são necessárias para determinar a funcionalidade
dos módulos, esses parâmetros são obtidos por meio de medidas em condições
controladas, denominadas condições padronizadas. Assim, para implementação de um
sistema fotovoltaico, tais características serão consideradas no projeto, podendo
verificar se o comportamento dos módulos está de acordo com o esperado (fornecido
pelo fabricante).
A padronização é alcançada por meio de alguns ensaios, garantindo a proteção,
segurança e qualidade dos módulos fotovoltaicos que serão utilizados, no qual serão
informados alguns dos mais importantes, como [12]:
10
1. Características elétricas operacionais;
2. Isolamento elétrico (3000V de CC);
3. Resistência ao impacto;
4. Resistência à tração das conexões;
5. Resistência à nevoa salina e à umidade ambiente;
6. Comportamento a temperaturas elevadas (100 ºC durante 20 dias);
7. Estabilidade às mudanças térmicas (-40ºC a +90ºC) em ciclos
sucessivos;
Para definir os parâmetros característicos de um módulo é necessário conhecer o
seu circuito equivalente. Apresentaremos o circuito equivalente de uma célula, ilustrado
na Figura 6 utilizando o PSIM.
Figura 6- Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica alimentando uma carga
Z
A corrente de iluminação (IL), é a corrente elétrica gerada pelo feixe de radiação
luminosa. Essa corrente unidirecional é constante para determinada radiação e
temperatura. A junção PN, conforme Figura 4, funciona como diodo, possuindo uma
corrente de saturação unidirecional representada como (Id), dependendo da tensão nos
terminais da célula (V).
As perdas presentes na célula fotovoltaica podem ser representadas por meio de
resistências, dessa forma as quedas de tensão presentes entre as conexões, os cabos
e seus terminais, são representados pela resistência em série (Rs). Como existem
correntes de fuga para terra (Ip), estas podem ser representadas por uma resistência
em paralelo (Rp). Em um circuito ideal desconsideramos as perdas internas fazendo Rs
= 0 e considerando nenhuma corrente para terra com Rp = ∞.
Assim, alguns parâmetros importantes na característica de funcionamento do
módulo fotovoltaico serão apresentados [12]:
11
A Voltagem de circuito aberto (Voc) é a tensão medida quando o módulo está
posicionado com a radiação solar padronizada e não há corrente circulante no mesmo,
não havendo conexão, seus terminais estão abertos. Sendo assim, a tensão máxima
que o módulo pode fornecer.
A Corrente de Curto Circuito (Isc) é a corrente medida curto circuitando os seus
terminais, quando o módulo é submetido à radiação e temperatura determinadas. Sendo
determinada pela própria corrente de Iluminação (IL). Essa corrente é a máxima que o
módulo pode fornecer.
Com os parâmetros de voltagem e corrente desde os ensaios de circuito aberto e
curto circuito, pode-se traçar a curva característica de corrente versus tensão (I x V),
obtendo a potência produzida pelo módulo para cada condição de operação, de acordo
com a Figura 7.
Figura 7 - Curva característica IxV
Nota-se na Figura 7 que a corrente gerada (I) por uma célula fotovoltaica é
praticamente constante até um determinado valor de tensão. À medida que a tensão
aumenta há uma diminuição da corrente gerada, devido ao aumento do valor da corrente
de diodo (Id), até alcançar condição de circuito aberto, onde toda a corrente fotogeradora
passa através do diodo e da resistência em paralelo (Rp). Não havendo geração de
potência na tensão de circuito aberto e na corrente de curto circuito.
Com os valores da potência para diversos pontos de operação, podemos
observar que existe um único valor de tensão máxima (Vmp ) para uma determinada
corrente máxima (Imp ) gerada, fornecida nos terminais da célula ou do módulo, no qual
a potência é máxima, mostrada graficamente na Figura 8.
12
Figura 8- Gráfico da IxV indicando o ponto de máxima potência
2.3.2. Temperatura das células
As células fotovoltaicas sofrem variações de acordo com a temperatura ambiente,
por este motivo a obtenção dos parâmetros característicos é obtida respeitando as
condições de radiação e temperatura padrão. As normas determinam 25ºC como
temperatura padrão.
Supondo um valor inicial de corrente de curto-circuito (Isc0), uma variação de
temperatura (Δ𝑇) e um coeficiente de temperatura (𝛼), temos que a expressão da
corrente de curto-circuito será dada por:
𝐼𝑠𝑐 = 𝐼𝑠𝑐0 (1 + 𝛼Δ𝑇)
(4)
Supondo uma tensão inicial de circuito aberto (Voc0), a mesma variação de
temperatura (Δ𝑇) e um coeficiente de temperatura (𝛽), temos uma nova expressão para
o valor da tensão de circuito aberto (𝑉𝑜𝑐 ):
𝑉𝑜𝑐 = 𝑉𝑜𝑐0 (1 + 𝛽Δ𝑇)
(5)
Como a corrente e a tensão de operação variam proporcionalmente à tensão de
circuito aberto e a corrente de curto-circuito, com o aumento da temperatura, a corrente
13
de curto-circuito aumenta, no entanto, a tensão de circuito aberto diminui, provocando
uma alteração da potência fornecida.
. A potência de saída também sofrerá alteração na proporção apresentada como:
𝑃 = 𝑃0 [1 + (𝛼 − 𝛽)Δ𝑇]
(6)
Sendo 𝑃0 → Potência inicial gerada, em condições de radiação e temperatura
padrão.
Assim, o aumento da temperatura provoca uma diminuição significativa na tensão
e uma pequena variação na corrente, 𝛼 ≪ 𝛽 , diminuindo sua potência em (6) e assim
sua eficiência, conforme ilustrado na Figura 9.
Figura 9- Gráfico da IxV indicando o ponto de máxima potência
2.3.3. Intensidade luminosa
A corrente gerada é diretamente proporcional à intensidade de radiação solar,
conforme visto na seção 2.3.1. Sabendo que os parâmetros característicos são
adquiridos em condições padronizados, como a intensidade de radiação solar sendo
considerado no valor de 1.000W/m².
14
A diminuição da radiação solar acarreta em uma diminuição da corrente gerada
proporcionalmente. Com uma pequena diminuição da tensão de circuito aberto,
conforme Figura 10.
Figura 10- Curva caraterística IxV variando a radiação solar
2.4. Sistemas fotovoltaicos
Os Sistemas Fotovoltaicos podem se diferenciar quanto à interligação com o
sistema público de energia elétrica ou quanto à sua configuração.
Em relação à sua configuração pode-se separar em dois sistemas [13]:

Sistema puro: O único gerador de energia elétrica é o gerador fotovoltaico;

Sistema Híbrido: Associa-se o gerador fotovoltaico com outros geradores
de energia elétrica;
Sua interligação divide-se em sistema isolado (SFVI) e sistema conectado à rede
elétrica (SFCR), estes serão destacados separadamente nas seções seguintes.
2.4.1. Sistemas isolados (SFVI)
São Sistemas que não possuem ligação com à rede de distribuição de energia
elétrica. Com isso, há necessidade de um banco de baterias para armazenar a energia
produzida durante o período de pouca demanda energética, possibilitando sua utilização
quando não houver incidência de radiação solar produzindo energia elétrica.
15
No sistema isolado há possibilidade de algumas configurações como os
apresentados a seguir [13] e [14]:
Sistema corrente contínua (CC) isolado sem armazenamento de energia:
Quando a carga CC está ligada diretamente ao painel, sendo toda energia gerada
pelo módulo consumida quando há radiação solar.
Sistema corrente contínua (CC) isolado com armazenamento de energia:
Com a possibilidade de armazenagem de energia elétrica, não há necessidade de
que os equipamentos elétricos alimentados com corrente contínua sejam ligados
somente no período de radiação solar, quando há geração de energia.
Neste caso, o uso de Controladores de Carga é recomendado, tendo visto que um
controle do processo de carga e descarga pode aumentar a vida útil da bateria.
Sistema corrente alternada (CA) isolado com armazenamento de energia:
Esta
configuração de instalação
é semelhante
ao sistema CC
com
armazenamento de energia, no entanto, como a energia produzida pelos painéis
fotovoltaicos é gerada em corrente contínua, é necessária a instalação de um inversor
antes da ligação dos equipamentos de carga alimentados com corrente alternada,
fazendo a mudança da corrente contínua à corrente alternada.
No próprio Inversor pode existir um controle de carga com dispositivo eletrônico
seguidor de máxima potência. Esse caso será comentado na seção 2.5.2.
Sistema corrente alternada (CA) isolado sem armazenamento de energia:
Este sistema se assemelha ao sistema CC isolado sem armazenamento de
energia, com a diferença de que os equipamentos são alimentados com fonte CA,
assim, a utilização de um inversor antes da ligação desses equipamentos é necessária.
2.4.2. Sistema conectado à rede elétrica (SFCR)
Nesse tipo de sistema a ligação é realizada diretamente à rede de distribuição de
energia elétrica. Não havendo a necessidade de um banco de baterias para armazenar
energia, pois o que for produzido durante o período de irradiação solar será enviado à
rede.
Uma precaução neste tipo de sistema é o bloqueio da geração de energia elétrica
do painel fotovoltaico quando não há energia na rede de distribuição. Tal mecanismo
16
possibilita que, por exemplo, quando a linha de transmissão é desconectada do sistema
de distribuição intencionalmente, não haja circulação de energia na rede, garantindo
assim a proteção pessoal dos operadores.
Como a energia pode ser consumida pelo usuário ou transmitida para a linha de
transmissão, o uso de medidores bidirecionais é utilizado para o abatimento na fatura
de energia consumida com a energia gerada pelo módulo fotovoltaico. A Resolução
482/2012 da ANEEL dispõe apenas sobre a remuneração em créditos de energia, não
sendo contemplada a compensação monetária para produção de até 1 MW, a troca de
créditos para dedução da fatura de energia pode ser feita em um prazo máximo de 36
meses. Com isso, o dimensionamento deste sistema deve ser realizado analisando a
demanda energética condizente com o consumo.
As conexões deste sistema devem ser realizadas observando a tensão, sequência
de fase e a frequência na qual a rede de distribuição elétrica se encontra, uma ilustração
desse sistema está na Figura 11.
Figura 11- Sistema fotovoltaico conectado à rede
2.5. Inversor
Um inversor pode ser descrito (em relação à sua funcionalidade) como um
equipamento eletrônico que fornece em seus terminais de saída, uma energia elétrica
em forma de corrente alternada (CA) a partir de uma entrada cuja fonte de energia
elétrica é de corrente continua (CC).
Como a geração de energia elétrica fornecida pelos painéis fotovoltaicos está em
CC, o inversor se faz necessário para realizar a transformação em CA, afim de realizar
17
a conexão com a rede de forma que o controle da relação tensão e frequência pode ser
ajustado pelo inversor, aumentando a eficiência de conversão de energia.
Os inversores de rede são conhecidos como grid-tie, transferindo a energia
diretamente ao quadro de distribuição existente. Conectando cargas neste quadro de
distribuição é possível utilizar totalmente ou parcialmente a energia gerada pelo módulo
fotovoltaico enquanto houver irradiação solar. Não havendo o consumo total da energia
gerada, a diferença será envia à rede de distribuição. Em contrapartida, havendo
consumo que extrapole a energia produzida pelos painéis essa diferença será fornecida
pela rede de distribuição.
O inversor instalado realiza diferentes funções automaticamente sem a
necessidade de intervenção humana. Suas funções podem ser as mais variadas,
dependendo do nível tecnológico do mesmo.
Todos os inversores instalados em um sistema fotovoltaico conectado à rede
devem possuir a proteção anti-ihamento onde o dispositivo realiza a desconexão
automática da rede quando esta não está energizada, por motivo de falha ou
manutenção programada. Assim como, dispositivos de proteção contra sobrecarga,
sobretensão, entre outros. Além de métodos de melhoramento do desempenho e
qualidade da energia.
Os inversores utilizados na geração distribuída podem ser controlados pela
corrente (CSI – Current Source Inverter), este tipo de controle mantém o fator de
potência unitário. Os inversores controlados pela tensão (VSI – Voltage Source Inverter)
podem fornecer tanto potência ativa como reativa dependendo do painel utilizado. Este
controle pode ser realizado com o ajuste do ângulo entre a tensão de saída do inversor
e a tensão da rede, controlando o fluxo de potência. Outro método, é o controle de
modulação por largura de pulso (PWM – Pulse Width Modulation).
Os inversores autônomos, usados em sistemas fotovoltaicos isolados,
normalmente possuem um banco de baterias no qual ocorre o armazenamento de
energia elétrica. Neste caso, há a necessidade de proteção contra grandes descargas
de carga na bateria.
A Figura 12 é utilizada como símbolo elétrico, necessário para identificação de um
inversor no projeto que será apresentado nesse trabalho.
18
Figura 12- Símbolo elétrico de um inversor
2.5.1. Seguidor do ponto de máxima potência (SPMP)
Um módulo fotovoltaico submetido a uma radiação constante apresenta uma
curva característica de acordo com a Figura 8. Conforme demonstrado na seção 2.3.1,
existe um único ponto onde a potência é máxima, correspondendo a uma tensão e
corrente máxima.
Nas seções 2.3.2 e 2.3.3, foram apresentadas as mudanças que ocorrem nos
parâmetros característicos quando a temperatura é alterada e quando a intensidade de
irradiação solar é alterada. Assim, a corrente gerada é afetada diretamente pela
irradiação solar incidente no painel fotovoltaico, enquanto que a tensão possui uma
maior variação quando a temperatura é alterada. Em ambos os casos há uma diferença
de potência e em seus valores máximos.
Embora as variações de temperatura não ocorram de forma súbita, a irradiação
solar pode apresentar variações drásticas durante o dia, decorrente de um
sombreamento parcial ou total nos módulos instalados. Estas obstruções podem ser
causadas por nuvens, construções próximas ou até mesmo sujeira nos painéis
fotovoltaicos.
O seguidor do ponto de máxima potência (SPMP) ou em inglês, Maximum Power
Point Tracking (MPPT), é um mecanismo que atua no inversor do painel fotovoltaico por
meiodo ajuste de seus valores de tensão e corrente para determinada condição de
temperatura e irradiação solar, mantendo os valores correspondentes em um ponto de
potência máxima, condição ótima de operação, melhorando assim o fornecimento de
energia e sua eficiência.
Os inversores com múltiplas entradas ou arranjos com diversos inversores para
os sistemas fotovoltaicos conectados à rede (SFCR) podem possuir mais de um
dispositivo seguidor do ponto de máxima potência (SPMP), que funcionam de forma
19
independente, possibilitando a utilização de módulos fotovoltaicos com características
elétricas diferentes.
Este dispositivo pode ser dividido em uma seção de controle e uma seção de
condicionamento de potência. O bloco de controle do SPMP ajusta a tensão de
polarização do painel fotovoltaico utilizando algoritmos de controle nos chaveamentos
dos inversores. Tendo como entrada os dados instantâneos da tensão e corrente de
operação do módulo fotovoltaico, podendo conter outros parâmetros de acordo com a
complexidade do equipamento utilizado, conforme diagrama mostrado na Figura 13.
Figura 13- Parâmetros para realizar o SPMP
2.6. Regulamentação da geração fotovoltaica no Brasil
As normas vigentes que regulamentam a geração dos sistemas fotovoltaicos no
Brasil, são as provenientes da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT),
sendo apresentadas nesse trabalho afim de informar suas disposições [15] e [16].
ABNT NBR 16274/2014: Estabelece as informações e documentações mínimas
necessárias após a instalação de um sistema fotovoltaico conectado à rede (SFCR).
Descrevendo a documentação, dos ensaios de comissionamento e os critérios de
inspeção para avaliação da segurança da instalação e de operação do sistema.
ABNT NBR 16150/2013: Informa os procedimentos de ensaio de verificação dos
equipamentos utilizados na interface de conexão entre o sistema fotovoltaico e a rede
de distribuição de energia para ver se estão em conformidade com os requisitos da
ABNT NBR 16149.
ABNT NBR 16149/2013: Estabelece os requisitos e as recomendações
específicas à interface de conexão entre os sistemas fotovoltaicos e a rede de
distribuição de energia elétrica.
20
ABNT NBR IEC 62116/2012: Fornece um procedimento de ensaio para avaliar o
desempenho das medidas de prevenção Anti-ilhamento utilizadas em sistemas
fotovoltaicos conectados à rede elétrica (SFCR).
ABNT NBR 11876/2010: Especifica os requisitos e os critérios para aceitação de
módulos fotovoltaicos para uso terrestre, de construção plana e sem concentradores,
que utilizem dispositivos fotovoltaicos como componentes ativos, para converter
diretamente a energia solar radiante em elétrica.
ABNT NBR 11704 (2008): Classifica os sistemas de conversão fotovoltaica de
energia solar em elétrica, quanto a sua configuração, puros ou híbridos, e quanto a sua
interligação com o sistema de fornecimento de energia elétrica, isolados ou conectados
à rede elétrica.
O Procedimento de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional
(Prodist), da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), também disserta sobre
esse sistema em seus módulos 1 ao 3 [17].
21
3. Sistema fotovoltaico instalado
Neste capítulo, será analisado o sistema fotovoltaico, cujo projeto encontra-se em
[18], utilizado para suprir a demanda energética do trem Maglev-Cobra. Para isso, foi
instalado um multimedidor (Mult-K da fabricante Kron) na conexão dos painéis
fotovoltaicos com o Quadro de Luz e Tomadas do Centro de Tecnologia 2 (QDLT-CT2),
visualizado em detalhes no Anexo I.
Por meio deste equipamento foi possível realizar medições em horários e dias
diferentes a fim de mensurar a energia gerada pelos painéis fotovoltaicos e estabelecer
a relação entre os parâmetros e características dos módulos fotovoltaicos (dados
fornecidos pelo fabricante) com os dados mensurados. Esses dados serão discutidos
no capítulo 5.
Será apresentado o espaço físico dos painéis instalados, o nível de radiação solar
incidente média nesta localidade, considerando a inclinação das placas e as
características dos módulos fotovoltaicos instalados, como: eficiência, área de cada
painel, estrutura de suporte e arranjo, a fim de calcular a geração de energia elétrica
esperada.
As instruções de instalação, manuseio e obtenção de dados do instrumento de
medição (multimedidor Mult-K, utilizado para aquisição dos dados de energia fornecidos
pelos painéis fotovoltaicos), encontram-se no Apêndice C.
3.1. Espaço físico da instalação
Os módulos instalados estão localizados na Cidade Universitária, no município do
Rio de Janeiro, RJ, com localização geográfica definida pelas coordenadas 22º 51’ 48,1”
Latitude Sul (S) e 43º 13’ 50,2’ Longitude Oeste (W), como mostrado na Figura 14, obtido
pelo Google Maps [19].
22
Figura 14- Localização das placas fotovoltaicas instaladas [19]
3.2. Nível de radiação solar
Conforme demonstrado no capítulo 2, a radiação solar incidente no solo varia ao
longo do ano conforme as distancias e inclinações da Terra em relação ao Sol. Assim,
para expressar a energia solar acumulada ao longo do dia é utilizando o número de
Horas de Sol Pleno (HSP). Informação que indica o número de horas em que a radiação
solar incidente apresenta o valor de 1000 W/m² [20], funcionando como referência do
local e posicionamento para instalação dos painéis fotovoltaicos fazendo com que haja
uma estimativa da energia que será gerada com base na energia solar incidente.
Para obter o nível médio de radiação na localidade onde se encontram instalados
os módulos fotovoltaicos, foi utilizado um programa disponibilizado pela CRESESB
denominado SunData [20]. Informando os valores de latitude e longitude da localidade
desejada, é possível obter as informações das estações de medição mais próximas.
Entre as informações oferecidas pelo sistema se encontram os dados de radiação solar
incidente médios em alguns planos inclinados e no plano horizontal, com os valores já
convertidos em kWh/m².dia.
Com a utilização da localização geográfica mostrada na seção 3.1, foi possível
encontrar os valores da radiação solar convertidos em kW/m².dia ao longo do ano pela
23
Estação Penha Rio, distante somente 8,6 km do ponto desejado [20]. A partir desses
dados foi criada a Tabela 1.
Tabela 1 - Irradiação solar diária média mensal – Estação Penha Rio [20]
Jan
Fev
Mar
Abr
Mai
Jun
Jul
Ago
Set
Out
Nov
Dez
Média
Delta
Irradiação Diária Média (kWh/m².dia)
Plano
Ângulo igual a Ângulo igual a Ângulo igual a
Horizontal
latitude
latitude
latitude
0◦ N
23◦ N
21◦ N
30◦ N
5,4
4,89
4,96
4,64
5,7
5,43
5,48
5,23
5,1
5,25
5,26
5,17
4,2
4,74
4,71
4,79
3,9
4,85
4,79
5,03
3,4
4,41
4,34
4,61
3,6
4,58
4,52
4,77
4,3
5,08
5,03
5,19
4,4
4,67
4,67
4,65
4,9
4,78
4,81
4,64
5,4
4,95
5,01
4,72
5,6
5
5,07
4,72
4,66
4,89
4,89
4,85
2,3
1,03
1,14
0,62
3.3. Especificações do módulo
O projeto de geração de energia elétrica a partir da energia solar incidente
especificou, inicialmente, a instalação de 4 (quatro) módulos fotovoltaicos do Painel
Riosolar 270 CA, que utiliza células fotovoltaicas de silício multi-cristalino. Contudo, para
análise deste trabalho, foi retirado um módulo fotovoltaico que estava em paralelo com
uma das fases, possibilitando o estudo em um sistema trifásico equilibrado. Assim, a
análise que será realizada no capítulo 6, contemplará somente 3 módulos fotovoltaicos
ligados um em cada fase.
Cada módulo fotovoltaico possui 72 células de 156mm de comprimento e 156mm
de largura (156x156mm), sua construção é de módulo rígido com vidro reforçado,
alumínio e uma película de proteção EVA, que evita a degradação do módulo, ilustrado
na Figura 15.
24
Figura 15- Painel Riosolar 270 CA [21]
O módulo utilizado possui potência de 270W nas condições nominais padrão
(1000W/m², AM 1.5, Tc=25ºC). No kit de instalação fornecido pelo fabricante, para cada
módulo há uma caixa de conexão “junction box” onde se encontram 6 diodos de desvio
(by-pass) para redução de perdas por sombreamento e um microinversor com as
funções de SPMP, conversão de fonte CC para CA, transformação de tensão de saída
e dotado de anti-ilhamento. O inversor está localizado na superfície posterior do módulo,
conforme é mostrado na Figura 16.
Figura 16- Visão da superfície posterior do Módulo [21]
25
Os parâmetros característicos do módulo serão apresentados na Tabela 2, mais
informações podem ser encontradas no Anexo II, onde as informações técnicas
completas proporcionadas pelo fornecedor estão disponíveis.
Tabela 2 - Dados do Módulo Instalado [21]
Painel Riosolar 270 CA
Potência
270 W ± 3%
Voltagem em circuito aberto (Voc)
43,8 V
Voltagem no ponto de operação de
potência máxima (Vmp)
35,2 V
Corrente em curto-circuito (Isc)
8,22 A
Corrente no ponto de operação de
potência máxima (Imp)
7,67 A
Voltagem Máxima do Sistema
1000 V
Peso
28 kg
3.3.1. Registro no INMETRO
De acordo com todos os módulos comercializados no Brasil, o painel instalado
possui a etiquetagem do INMETRO. Segundo o Programa Brasileiro de Etiquetagem
[22], no qual fornece a eficiência do equipamento e o classifica em classes, a classe A
como mais eficiente e a classe E a menos eficiente, apresentado na Figura 17.
Figura 17- Visão da superfície posterior do Módulo [29]
26
Os dados apresentados na etiqueta, Figura 17, proporcionam a informação de
eficiência energética máxima nas condições padrão (STC), no valor de 13,9%, a área
externa do módulo em metros quadrados, a produção média de energia em kWh/mês e
a potência nas condições padrão.
3.3.2. Estrutura de suporte dos módulos
A estrutura de suporte foi fabricada de forma a possibilitar a fixação dos módulos
no solo e permitir sua inclinação com o ângulo de latitude local (23°), direcionada ao
Norte, como foi definido no item 3.2 para a localidade do Rio de Janeiro. Na Figura 18
é mostrada a estrutura com as dimensões e inclinação.
Figura 18 - Estrutura de instalação de painel solar no CT2 (Projeto Hojannes
modificado) [18]
Como a estrutura é fixada no solo, os impactos dos ventos são minimizados e
pode-se realizar manutenção de forma regular com maior facilidade. No caso dos
módulos instalados é realizada a limpeza dos mesmos com uma maior frequência. No
entanto, sua exposição em local acessível facilita a possibilidade de danos e
sombreamento, o projeto inicial completo da fixação dos módulos se encontra no Anexo
III e seu arranjo é mostrado na Figura 19.
27
Figura 19 - Arranjo inicial dos módulos fotovoltaicos – (Projeto Hojannes modificado)
[18]
3.3.3. Arranjo dos módulos
Conforme informado no início deste capítulo, foram instalados inicialmente quatro
painéis fotovoltaicos, sendo um instalado em paralelo com uma das fases. Este trabalho
se limita à mensuração de três módulos instalados, um em cada fase em uma conexão
trifásica delta com o Quadro de Luz e Tomadas no Centro de Tecnologia 2 (QDLT-CT2).
Seu diagrama multifilar está demonstrado na Figura 20.
Figura 20 - Diagrama Multifilar dos painéis fotovoltaicos
28
Cada módulo possui uma potência máxima de 270Wp, com a utilização de três
módulos conseguimos um total de 810Wp instalados, conforme Figura 21.
Figura 21- Módulos fotovoltaicos de 270 W instalados
Possuímos uma área total do arranjo, considerando somente os três módulos, os
valores da Tabela 3. O projeto executivo da instalação dos módulos mostrados na
Figura 21 pode ser encontrado no Anexo III.
Tabela 3 - Área total do módulo e do Arranjo dos painéis fotovoltaicos
Quantidade
Área Total
(m²)
Módulo
1
1,94
Arranjo
3
5,82
3.3.4. Geração fotovoltaica esperada
Com base nos dados apresentados no capítulo 2, pode-se agora, realizar uma
estimativa de geração fotovoltaica no sistema instalado. Com isso, será possível realizar
uma análise com a energia efetivamente gerada, medida com o instrumento de Mult-K.
Para obter uma estimativa da Geração total no ano, pode ser utilizada a
expressão:
𝑛
𝐺𝑡 = ∑ 𝐼0 . 𝐴. 𝜂
(9)
1
Onde: n →Número de dias; 𝐼0 → Irradiação média diária mensal; A → área dos
painéis fotovoltaicos; 𝜂→ Eficiência do Módulo;
29
Com a utilização de (9), e os parâmetros da irradiação média diária fornecidos
pela Tabela 1, a eficiência informada na seção 3.3.1 e o valor da área do arranjo contido
na Tabela 3, é possível obter a Tabela 4, não considerando as perdas inerentes ao
sistema; estas perdas serão abordadas no capítulo 6.
Tabela 4 - Geração Estimada Total
Jan
Fev
Mar
Abr
Mai
Jun
Jul
Ago
Set
Out
Nov
Dez
Irradiação Diária Média
Mensal para o ângulo
23°N (kWh/m².dia)
Área Total
(m²)
Eficiência do
Painel
4,89
5,43
5,25
4,74
4,85
4,41
4,58
5,08
4,67
4,78
4,95
5
5,82
5,82
5,82
5,82
5,82
5,82
5,82
5,82
5,82
5,82
5,82
5,82
13,90%
13,90%
13,90%
13,90%
13,90%
13,90%
13,90%
13,90%
13,90%
13,90%
13,90%
13,90%
TOTAL
(kWh/ano)
Geração Esperada
Mensal
(kWh/mês)
122,63
127,39
131,66
115,04
121,63
107,03
114,86
127,40
113,34
119,87
120,13
125,39
1446,38
30
4. Dimensionamento de energia do trem Maglev-Cobra
Neste capítulo, será apresentada uma análise de energia em função do aspecto
aerodinâmico, considerando a via de teste e as peculiaridades envolvidas no MaglevCobra, assim como o consumo de energia dos equipamentos embarcados no módulo
de transporte.
4.1. Potência para o veículo
Para um trem convencional, as forças de arrasto aerodinâmico, resistência ao
rolamento mecânico, aceleração, resistência ao aclive e a resistência em função da
curvatura do percurso são as forças mais importantes para descrever seu
funcionamento. Para o caso particular do Maglev-Cobra serão consideradas somente
as fórmulas apresentadas (10), (11), (12), obtendo assim (13) [23]:

A partir da segunda lei de Newton para o movimento temos a força de
aceleração:
∑ 𝐹 = 𝑚. 𝑎
(10)
Onde, m= massa do trem; a = aceleração do trem;

A força de arrasto aerodinâmico é expressa como:
𝐹𝑎 =
1
𝜌𝑐 𝐴𝑣 2
2 𝑎
(11)
Onde, 𝜌 → densidade do ar; 𝑐𝑎 → coeficiente de arrasto; 𝐴→ área frontal do trem;
v → velocidade do ar em relação ao trem;

A força de resistência produzida pelo plano inclinado onde o veículo se
movimenta é expressa como:
𝐹𝑖 = 𝑚𝑔 sin 𝛼
(12)
Onde, 𝑚 → massa do trem; g →aceleração da gravidade; 𝛼→ângulo em relação
ao solo;
31
Com as considerações realizadas, pode-se determinar a potência para o veículo
como sendo:
𝑃 = (𝐹𝑎 + 𝐹𝑖 + 𝐹). 𝑣
(13)
Para poder determinar a potência e o consumo de energia necessários para o
movimento do trem, é fundamental o conhecimento dos parâmetros da via,
características geométricas do veículo, perfis de aceleração e velocidade utilizadas
visando o conforto e a segurança dos passageiros. A densidade do ar utilizada em (11)
será de 1,22kg/m³, pois a via somente trafega ao nível do mar, a aceleração da
gravidade será de 9,8m/s² e o coeficiente de arrasto de 0,7, estes parâmetros serão
considerados constantes em todos os cálculos realizados [23].
4.1.1. Aspectos do veículo
O design do veículo foi construído em parceria técnica com o Instituto Nacional de
Tecnologia (INT), visando a qualidade e o foco no usuário do trem Maglev-Cobra [2],
sendo elaborados estudos ergonômicos para adaptar o espaço no interior do veículo ao
público brasileiro. Seu conceito estético de arestas laterais arredondadas e sua parte
frontal e traseira inclinadas possibilitam a diminuição do coeficiente de arrasto e
consequentemente seu consumo de energia, Figura 22.
Figura 22- Vista Isométrica do trem Maglev-Cobra
32
Na Figura 22, é possível observar uma perspectiva do veículo construído, o qual
foi dividido em quatro módulos de transporte, sendo dois “módulos de porta” e dois
“módulos de bico”. O veículo possui uma área frontal de 6,43m², dimensão linear de
7,56m medida de uma extremidade a outra e uma massa total sem passageiros de
2.240kg.
A capacidade máxima de passageiros estabelecida é de 20 pessoas. No entanto,
visando o conforto e segurança dos passageiros, a carga máxima utilizada durante os
testes foi de 3.030 kg, considerando 11 pessoas, incluindo os operadores do trem e um
peso médio por passageiros de 71,82 kg, valor próximo ao peso médio da população
brasileira de 70 kg [24]. Para este caso de máxima carga, a massa total do trem será de
3.030 kg.
4.1.2. Aspectos da via
A trajetória entre as estações pode ser considerada um movimento de translação
(movimento longitudinal) em um plano. A via (linha de teste) é caracterizada pela sua
dimensão de 180 metros de comprimento útil, de acordo com a Figura 23, e sua
inclinação (aclive) de 1,80% da estação do CT1 ao CT2.
Figura 23 - Via ligando o CT1 ao CT2
33
4.1.3. Velocidade e aceleração
A dinâmica de deslocamento do trem pode ser descrita pelo perfil trapezoidal visto
na Figura 24, obtido através das equações de movimento linear com aceleração
uniforme:
𝑣 = 𝑣0 + 𝑎. ∆𝑡
(14)
𝑣 2 = 𝑣0 2 + 2𝑎. ∆𝑠
(15)
Onde: 𝑣→ Velocidade final; 𝑣0 → Velocidade inicial; 𝑎→ Aceleração; ∆𝑡→ Variação
de tempo; ∆𝑠→ Variação de deslocamento;
t
Figura 24 - Característica da velocidade x tempo no deslocamento do trem [25]
As taxas de aceleração e desaceleração são idealmente as mesmas em módulo,
assim o tempo necessário para o sistema sair do repouso até sua velocidade final é o
mesmo tempo quando o sistema está em velocidade constante até atingir o repouso.
No período de tempo em que a velocidade permanece constante a aceleração será nula.
A velocidade máxima de operação é de 2,78 metros por segundo com uma
variação de tempo em que o trem sai do repouso até chegar à velocidade máxima de
30 segundos, assim a aceleração e desaceleração do veículo é dada como 0,09 m/s².
34
4.2. Simulação de operação
Utilizando as fórmulas e os dados apresentados na seção 4.1, foi possível simular
a operação do Maglev-Cobra com capacidade de transporte mínima para este trabalho,
considerando somente 4 pessoas, incluindo o condutor, sendo a massa total do veículo
nesta condição igual a 2565 kg. Os resultados das simulações de potência e energia
estão apresentados na Figura 25 e na Figura 26, respectivamente. Nesta configuração
de operação foi encontrado o consumo médio de energia de uma estação a outra no
valor de 0,0248 kWh.
Figura 25 - Gráfico de potência em relação ao tempo com massa de 2565 kg
Figura 26 - Gráfico de energia vs. tempo com massa de 2565 kg
35
Durante a operação do Maglev-Cobra, o número médio de passageiros por
viagem é de 6 pessoas com peso médio de 70 kg cada. Este valor corresponde à massa
total do trem de 2660 kg. Assim, os resultados das simulações de potência e energia
estão apresentados na Figura 27 e na Figura 28, respectivamente. Nesta configuração
de operação foi encontrado o consumo médio de energia de uma estação a outra no
valor de 0,0256 kWh.
Figura 27 - Gráfico de potência em relação ao tempo com massa de 2660 kg
Figura 28 - Gráfico de energia vs. tempo com massa de 2660 kg
36
Será simulada a operação do Maglev-Cobra, com a carga máxima utilizada
durante os testes na via, utilizando o peso máximo de 3.030 kg, considerando 11
pessoas, incluindo os operadores do trem, com um peso médio por passageiro de 71,82
kg. Os resultados das simulações de potência e energia estão apresentados na Figura
29 e na Figura 30, respectivamente. Nesta configuração de operação foi encontrado o
consumo médio de energia de uma estação a outra no valor de 0,0291 kWh.
Figura 29 - Gráfico de potência em relação ao tempo com massa de 3030 kg
Figura 30 - Gráfico de energia vs. tempo com massa de 3030 kg
37
O tempo necessário para percorrer o trajeto de uma estação a outra é de 99,3
segundos, já o trajeto de ida e volta será completado em 198,6 segundos. Levando em
consideração o tempo de parada nas estações e estabelecendo um intervalo
programado entre a partida e chegada, foi adotado um tempo de 20,7 segundos para
cada estação, de modo que o tempo total de uma viagem é de 240 segundos.
O tempo em que o veículo completa um ciclo, ou seja, o tempo gasto para
embarcar os passageiros em uma estação, desembarcar e embarcar na outra estação,
retornar à estação inicial e desembarcar novamente os passageiros, é de 240 segundos
ou 4 minutos. Como estamos utilizando uma linha de testes, o ciclo será considerado
de 10 minutos, sendo que em uma hora, esse procedimento será realizado 6 vezes.
Admitindo que o período de funcionamento do trem seja de 8 horas diárias, temos que
multiplicar a energia encontrada em um ciclo por 48 para descobrir a energia diária
necessária para o funcionamento do Maglev-Cobra. A Tabela 5 apresenta uma
estimativa do consumo de energia para as três massas consideradas nas simulações.
Tabela 5 - Energia consumida pelo veículo para determinadas massas
Massa
(kg)
2565
2660
3030
Consumo máximo de Consumo máximo Consumo máximo
energia de uma
de energia em um de energia em uma
estação a outra (kWh)
Ciclo (kWh)
hora (kWh)
0,0248
0,0256
0,0291
0,0496
0,0512
0,0582
Consumo máximo
de energia
diariamente (kWh)
0,2976
0,3072
0,3492
2,3808
2,4576
2,7936
Foi observada uma grande discrepância entre os resultados da simulação deste
trabalho e os resultados encontrados em [23]. Tal disparidade ocorreu devido a escolha
dos valores das variáveis para cada simulação, apresentadas na Tabela 6.
Tabela 6 – Variáveis utilizadas para cada simulação
Variáveis
Velocidade
Aceleração
Distância da via
Inclinação da via
Área frontal do veículo
Valores utilizados
na Primeira
Simulação [23]
10,0 m/s
1,0 m/s²
223 m
1,5 %
5,11 m²
Valores utilizados
neste trabalho
2,78 m/s
0,09 m/s²
180 m
1,8 %
6,43 m²
38
A alteração dos parâmetros da Tabela 6 provoca uma grande variação nos valores
finais da energia consumida, como apresentado na Tabela 7. Tal comportamento é
esperado, já que essas variáveis possuem extrema relevância no cálculo da potência,
como mostrado na Seção 4.1.
Tabela 7- Energia consumida diariamente nas simulações
Massa (kg)
3000
3030
Consumo máximo de energia
diariamente (kWh)
5,7186
2,7936
4.3. Equipamentos embarcados no trem
Os equipamentos eletrônicos utilizados dentro do veículo são energizados por
uma fonte auxiliar de corrente continua formado por quatro baterias de 24V e uma
bateria de 12V. A Figura 31 mostra os equipamentos presentes no interior do veículo.
Figura 31 - Equipamentos presentes no interior do veículo do Maglev-Cobra
39
Os componentes alimentados por meio das baterias, apresentados na Figura 21,
são quantificados e descritos na Tabela 8:
Tabela 8 - Equipamentos energizados pela fonte auxiliar
Equipamentos
Quantidade
Painel de comando - iX Panel T150
CLP: TPW 03/60HR/D
DNS DVR ONIX H.264
Motores das portas - F006WM0310 - F006B20103
Fita LED - 1 metro
Monitor LG 19" - N1910LZ
Carregadores de Baterias C7 - Bosch
Bomba hidráulica do sistema de freio
Sensor de velocidade
2
1
1
2
4
1
3
1
1
Para obter a energia interna consumida pelo trem, foi realizada a medição da
energia demandada pelo carregador de bateria, C7 da Bosch, após um dia de operação
do veículo em sua linha de testes. A energia consumida durante um dia de operação foi
de 0,660 kWh.
40
5. Resultados experimentais
Neste capítulo serão apresentados os dados medidos pelo multimedidor trifásico
Mult-K e os resultados obtidos a partir do analisador de qualidade de energia (Mavowatt
30) utilizando o programa Dran-View 6, suas funções e características são descritas nos
Apêndices C e D, respectivamente. Com estes valores será possível determinar a
energia fornecida pelos painéis fotovoltaicos e o consumo energético demandado pelo
trem durante sua operação.
5.1. Dados do Mavowatt 30
Conforme informado no Apêndice D, o Mavowatt 30 é inapropriado para realizar
medidas em sinais PWM. Visando evitar esta limitação e obter uma boa precisão dos
dados obtidos, as medições foram feitas na entrada do Quadro Regenerativo (QR), o
qual possui um módulo conversor trifásico, CFW11-105-RB, permitindo o fluxo
bidirecional de potência, que possibilita a frenagem regenerativa. Este é energizado
através de um transformador trifásico ligado em estrela com tensão de linha de 380VCA
e uma frequência de 60Hz. Os inversores de frequência CFW11-88A, localizados no
veículo são conectados com uma tensão de linha de 540VCC, atuam no controle dos
motores de indução linear que operam com tensão de 420VCA. O diagrama multifilar da
Figura 32 representa este circuito.
Figura 32 - Diagrama multifilar resumido do circuito - Adaptado [43]
41
5.1.1. Procedimentos experimentais
Para a aquisição da energia consumida pelo trem, primeiramente, foi configurado
o analisador de qualidade de energia Mavowatt 30, com uma ligação em estrela na
entrada do Quadro Regenerativo (QR), procedimento descrito no Apêndice D. Na
Figura 33 pode-se observar o QR e os pontos de medição utilizados pelo Mavowatt 30.
Figura 33 - Sistema de ligação do Mavowatt 30
No Quadro Regenerativo mostrado na Figura 33, podem-se destacar alguns
elementos para identificação como:
1. Chave seccionadora tripolar, RSW250-3: Utilizada como ponto de
tomada de dados, mostrada na Figura 34.
42
2. Disjuntor motor 3 polos: Garante atuação contra curto-circuito,
sobrecarga e falta de fase, apresentado na Figura 35.
3. Fusíveis tipo faca: Utilizados contra curto-circuito identificados como F1,
F2 e F3 na Figura 33, são mostrados na Figura 36.
4. Módulo conversor, CFW11-105-RB: Permite a possibilidade da
regeneração de energia no momento da frenagem, apresentado na
Figura 37.
Figura 34 - Chave seccionadora Tripolar, RSW250-3
Figura 35 - Disjuntor motor 3 polos
43
Figura 36 - Fusível tipo faca
Figura 37 - Módulo conversor, CFW11-105-RB
Conforme mostrado no capítulo 4, tanto a massa como a inclinação da via são
fatores importantes para poder determinar a energia demandada pelo veículo. Os dados
que serão apresentados nas próximas seções foram adquiridos considerando uma
massa constante de 2565 kg, correspondente aos pesos do módulo veicular e dos
passageiros selecionados. Devido ao aclive existente na trajetória da estação CT1 à
estação CT2 e ao declive no trajeto de retorno, de acordo com a seção 4.1.2, serão
apresentados nas seções 5.1.2 e 5.1.3, o consumo energético do trem para percorrer
cada percurso separadamente.
44
5.1.2. Energia consumida pelo Maglev-Cobra da estação CT1 à estação CT2
Durante a operação do Maglev-Cobra foram realizadas diversas medições da
potência, necessária para percorrer a trajetória da estação CT1 à estação CT2. Na
Figura 38 é mostrado um exemplo do comportamento da potência durante a operação
do veículo.
Dran-View 6.14.00 HA SP : 1648490141 (6241F69Dh)
Timeplot
5
4
kW
3
2
1
0
TOT P(kW) (max/min)
14:19:20
02/02/2016
Tuesday
14:19:40
14:20:00
14:20:20
14:20:40
14:21:00
Figura 38 - Potência elétrica
necessária
para
o atrem
Potência consumida
da estação
CT1 até
estaçãose
CT2deslocar da estação do
CT1 ao CT2
Comparando estes resultados com os obtidos na simulação do modelo idealizado,
Figura 25, pode-se perceber o mesmo formato de curva esperada, a diferença se
encontra em seus valores. A potência elétrica máxima medida para este percurso é de
5,194 kW, enquanto que na simulação esse valor é de apenas 1,958 kW. Esta diferença
acontece devido às considerações e aproximações feitas com base no modelo
idealizado e ao consumo do próprio Quadro Regenerativo (QR), assim como dos efeitos
do entreferro presentes no motor linear, não considerados nos modelos simulados.
Com os dados medidos de potência, pode-se determinar a energia consumida
pelo trem durante este trajeto integrando estes valores pelo tempo. A título de exemplo,
será utilizada a medida realizada do trajeto CT1 - CT2 das 14:19:30 até às 14:21:07 do
dia 02/02/2016, que totalizou um período de 98 segundos e uma potência média de
2,799 kW. Neste período, foi encontrada a energia consumida pelo Maglev-Cobra como
sendo de 0,0762 kWh. Na Tabela 9 é apresentado este resultado.
Tabela 9 - Energia consumida pelo trem da estação CT1 à estação CT2
Tempo (segundos)
98
Energia (kWh)
0,0762
45
5.1.3. Energia consumida pelo Maglev-Cobra da estação CT2 à estação CT1
Quando o trem está saindo da estação CT2 à estação CT1, atualmente o operador
possui duas opções de operação:
A primeira opção é a possibilidade de fornecer só uma tração ao veículo para
retirá-lo de seu estado de repouso. Já com o veículo em movimento, sem tração, com o
declive existente entre as estações e sem a presença de contato mecânico entre as
peças móveis e fixas, é possível manter o movimento do veículo. Já para controlar a
velocidade do veículo e conseguir realizar uma parada em segurança, é necessário
aplicar uma força em sentido contrário ao movimento para freá-lo. A Figura 39 apresenta
o gráfico de uma das medidas da potência demanda pelo trem utilizando este método.
6
5
kW
4
3
2
1
0
TOT P(kW) (max/min)
14:22:20
02/02/2016
Tuesday
14:22:40
14:23:00
14:23:20
14:23:40
14:24:00
Figura 39 - Potência demanda pelo trem da estação CT2 ao CT1, sem acionamento
Potência consumida da estação CT1 até a estação CT2
contínuo
Cr ea ted with Dr a nVie w 6.14 .0
Comparando estes resultados com os obtidos no trajeto CT1 - CT2, Figura 38,
pode-se observar que a potência total exigida é consideravelmente menor durante a
trajetória devido ao declive da via. A potência fornecida ou necessária para o veículo
iniciar seu movimento é exigida durante 14 segundos, obtendo seu valor máximo após
7 segundos de sua partida, com medida de 3,525 kW, sendo menor do que a potência
máxima exigida na seção 5.1.2. Contudo, neste método, o veículo continua aumentando
sua velocidade, sendo necessário exercer uma força contrária ao movimento para freálo, demandando em pequenos intervalos de tempo fluxo de potência fornecida ao trem
à medida que este ganha velocidade ou se encontra chegando à estação CT1. A
potência elétrica máxima encontrada para esse percurso é de 4,006 kW, menor do que
a maior potência encontrada na seção 5.1.2, sendo de 5,194 kW.
46
Para quantizar a energia necessária nesta metodologia de acionamento, serão
utilizados os dados obtidos durante a medida do dia 02/02/2016 das 14:22:15 até às
14:24:01, totalizando um período de 107 segundos e uma potência média de 1,162 kW.
Neste período foi encontrada a energia consumida pelo Maglev-Cobra como sendo de
0,0345 kWh. Na Tabela 10 é apresentado um resumo deste resultado.
Tabela 10 - Energia consumida pelo trem da estação CT2 à estação CT1 sem
acionamento contínuo
Tempo (segundos)
107
Energia (kWh)
0,0345
O consumo de energia obtido neste trajeto com esta metodologia de acionamento
é de 45,32% em relação à energia consumida durante o aclive. Este fato mostra que o
efeito da queda livre do veículo pode ser utilizado para reduzir o consumo de energia.
A segunda opção de operação do trem é manter uma rampa de aceleração e
desaceleração constante, assim como uma velocidade máxima constante durante o
trajeto, conforme seção 5.1.2. Este tipo de condução é mais seguro, pois mantém um
controle constante da velocidade e do funcionamento do veículo, conseguindo uma
resposta mais rápida e suave ao tentar parar o trem. O comportamento da potência
apresenta, inicialmente, uma curva característica similar à apresentada para o caso da
trajetória do CT1 - CT2, Figura 38.
A Figura 40 apresenta o gráfico da potência demanda pelo trem utilizando este
método de acionamento.
Dran-View 6.14.00 HA SP : 1648490141 (6241F69Dh)
Timeplot
5
4
kW
3
2
1
0
TOT P(kW) (max/min)
15:40:45
16/02/2016
Tuesday
15:41:00
15:41:15
15:41:30
15:41:45
15:42:00
Figura 40 - Potência demandada
pelo11:31:49,000
trem da estação CT2 ao CT1, com
Event #1 at 16/02/2016
Trend
acionamento contínuo
Identifica-se na Figura 40 o comportamento das curvas de potência apresentadas
nas Figuras 38 e 39, do ponto de vista de consumo durante o acionamento contínuo e
47
durante a frenagem. Isto ocorre devido às características da via, como inclinação e
distância, que pelo método adotado de condução do trem, necessita de uma elevada
potência para sair do repouso. Em seguida, mantendo uma aceleração até chegar na
velocidade constante de 2,78 m/s, e finalmente freá-lo até sua parada na estação CT1.
Considerando, as medidas do trajeto CT2 - CT1 no período de 15:40:34 até
15:41:30 do dia 16/02/2016, totalizando 56 segundos e uma potência média de 2,38 kW,
esta potência demandada é aplicada na obtenção da tração dos motores no mesmo
sentido do movimento do veículo. Após este momento, é fornecida potência aos motores
para obter tração no sentido oposto ao do movimento, diminuindo a velocidade do trem
até parar.
Para medida do trajeto completo realizada das 15:40:34 até 15:42:12 do dia
16/02/2016, totalizando 98 segundos e uma potência média de 1,996 kW, foi encontrada
a energia consumida média pelo Maglev-Cobra como sendo de 0,05434 kWh. Na
Tabela 11 é apresentado este resultado.
Tabela 11 - Energia consumida pelo trem da estação CT2 à estação CT1 com
acionamento contínuo
Tempo (segundos)
98
Energia (kWh)
0,0543
5.1.4. Energia consumida pelo Maglev-Cobra
O período para completar um ciclo foi estabelecido como o tempo gasto para o
veículo realizar o trajeto da estação CT1 ao CT2 e voltar à estação CT1, sendo
considerado o tempo de embarque e desembarque dos passageiros. Este tempo será
de 10 minutos para fins deste trabalho, fazendo com que haja no máximo 48 viagens
diárias, de acordo com a seção 4.2.
Como visto nas seções 4.1.2 e 4.1.3, o consumo do trem depende dos fatores
como velocidade, aceleração e desaceleração, resistência ao aclive, descritos no
Capítulo 4, assim como o modo de condução do veículo é delimitado pelo operador.
Este último ocasiona grandes diferenças de consumo de energia.
Como o primeiro método de acionamento para o trajeto CT2 - CT1, da seção 5.1.3
é o mais utilizado, este será considerado como padrão para mensurar a energia
consumida por um ciclo. Para uma carga de massa de 2565 kg, pode-se obter a energia
demandada pelo trem com os valores das Tabelas 9 e 10, formando assim, a Tabela
12. O gráfico da potência completa do ciclo é visto na Figura 41.
48
Tabela 12 - Energia consumida do CT1 - CT2 e do CT2 - CT1
Massa (kg)
2565
Energia consumida (kWh)
0,111
Dran-View 6.14.00 HA SP : 1648490141 (6241F69Dh)
Timeplot
5
kW
4
3
2
1
0
TOT P(kW) (max/min)
14:20
02/02/2016
Tuesday
14:21
14:22
14:23
14:24
Event #1 demandada
at 02/02/2016 13:43:58,000
Figura 41 - Potência
pelo trem em um ciclo
Trend
Como a potência demandada está intimamente ligada ao método de operação,
considerando as acelerações, velocidade e o tempo total gasto durante o trajeto, será
mostrada a energia consumida em três viagens distintas no período de 14:14:05 até
14:30:40 do dia 02/02/2016, utilizando a mesma carga de 2565 kg, para poder
determinar o valor médio da energia consumida em um ciclo. A Figura 42 informa o
gráfico da potência solicitada pelo trem para estas viagens.
Dran-View 6.14.00 HA SP : 1648490141 (6241F69Dh)
Timeplot
5
kW
4
3
2
1
0
TOT P(kW) (max/min)
14:14
02/02/2016
Tuesday
14:16
14:18
14:20
14:22
14:24
14:26
14:28
14:30
Figura 42 - Potência demandada
em três
ciclos com massa de 2565 kg
Event #1 at 02/02/2016
13:43:58,000
Trend
Foi programado no MATLAB uma rotina para sobrepor as potências consumidas
pelo Maglev-Cobra durante as três viagens mostradas na Figura 42. Realizando a
sobreposição de cada trajeto separadamente, CT1 - CT2 e CT2 - CT1, as Figuras 43 e
44 mostram estes resultados. Pode-se observar que os tempos gastos no trajeto CT1 CT2 são quase os mesmos, já no trajeto CT2 - CT1 possuem uma maior diferença
49
devido à maior flexibilidade no acionamento do veículo. Integrando somente os
percursos separadamente obtém-se a Tabela 13.
Figura 43 - Potência demandada pelo trem em três viagens do CT1 - CT2
Figura 44 - Potência demandada pelo trem em três viagens do CT2 - CT1
50
Tabela 13 - Energia média consumida pelo trem do CT1-CT2 e do CT2-CT1
Tempo
14:14:05 - 14:15:43 e 14:16:39 - 14:18:20
14:19:30 – 14:21:07 e 14:22:15 - 14:24:01
14:27:11 – 14:28:50 e 14:28:52 - 14:30:40
CT1 – CT2
(kWh)
0,0762
0,0762
0,0768
CT2 – CT1
(kWh)
0,0328
0,0345
0,0362
Média
Energia média
consumida (kWh)
0,109
0,111
0,113
0,111
A energia média consumida, apresentada na Tabela 13, não possui as medidas
de um ciclo completo, pois um ciclo compreende um período de 10 minutos, de acordo
com a seção 4.2. Com isso, foram realizadas diversas medições da potência enquanto
o Maglev-Cobra estava parado nas estações ou em processo de embarque e
desembarque de passageiros. A Tabela 14 apresenta estes resultados.
Tabela 14 - Energia média consumida pelo trem em repouso
Dia
22/01/2016
22/01/2016
26/01/2016
26/01/2016
02/02/2016
02/02/2016
16/02/2016
15/03/2016
15/03/2016
18/03/2016
Consumo médio de energia
em um minuto (Wh)
14:20:46 - 14:25:37
0,845
15:32:01 - 15:37:59
0,851
14:12:45 - 14:20:12
0,875
15:29:37 - 15:37:38
0,855
14:37:26 - 14:45:21
0,928
15:03:46 - 15:14:12
0,925
15:16:54 - 15:20:56
0,899
10:49:04 - 10:56:06
1,036
11:38:56 - 11:41:25
1,022
13:02:53 - 13:05:00
1,093
Média
0,933
Período
Na Tabela 12 pode-se observar que o consumo do trem em repouso era maior
quando foram obtidas as medidas da potência demandada transportando uma massa
de 2660 kg, no dia 18/03/2016, em relação ao dia 15/03/2016 quando estava
transportando uma massa de 3030 kg, e no dia 02/02/2016, quando transportava uma
massa de 2565 kg, causando diferença não linear em relação ao aumento de peso
carregado.
É necessário multiplicar a energia encontrada na Tabela 14 por seis, resultando
em 5,59 Wh, este valor é somado ao encontrado na Tabela 13, assim, obtém-se a
energia média consumida pelo veículo em um ciclo. Para o consumo diário basta
multiplicar o número máximo de viagens por dia, 48 viagens, pela energia consumida
pelo Maglev-Cobra em um ciclo, formando a Tabela 15.
51
Tabela 15 - Energia consumida pelo veículo para uma massa de 2565 kg
Consumo médio Consumo médio de Consumo médio de
de energia em um energia em uma energia diariamente
Ciclo (kWh)
hora (kWh)
(kWh)
Massa
(kg)
2565
0,1166
0,6996
5,597
Com o objetivo de avaliar o consumo de energia do trem com o aumento da carga,
foram realizados ensaios com 6 passageiros, com peso médio de 70 kg, totalizando uma
massa de 2660 kg. O gráfico apresentado na Figura 45, refere-se à potência demandada
pelo trem em três viagens realizadas no período de 13:18:05 até 13:28:52 do dia
18/03/2016. A medição desta carga é necessária visando quantificar a energia
consumida pelo veículo para um número médio de passageiros durante a operação em
sua linha de teste.
Dran-View 6.14.00 HA SP : 1648490141 (6241F69Dh)
Timeplot
5
kW
4
3
2
1
0
TOT P(kW) (max/min)
13:19
18/03/2016
Friday
13:20
13:21
13:22
13:23
13:24
13:25
13:26
13:27
13:28
Figura 45 - Potência demandada
em três
ciclos com massa de 2660 kg
Event #1 at 18/03/2016
12:40:34,000
Trend
As potências demandadas pelo Maglev-Cobra para as três viagens são mostradas
na Figura 45. As Figuras 46 e 47 mostram a sobreposição das curvas de potência
demandada em três viagens diferentes. Integrando somente as potências nessas
viagens separadamente, obtém-se a Tabela 16.
52
Figura 46 - Potência demandada pelo trem em três viagens do CT1 - CT2, com massa
de 2660kg
Figura 47 - Potência demandada pelo trem em três viagens do CT2 - CT1, com massa
de 2660kg
53
Tabela 16 - Energia média consumida pelo trem do CT1 - CT2 e do CT2 - CT1
Tempo
13:18:05 - 13:19:37 e 13:19:50 - 13:21:24
13:21:32– 13:23:14 e 13:23:22 - 13:25:02
13:25:23– 13:27:06 e 13:27:12 - 13:28:52
CT1 – CT2
(kWh)
CT2 – CT1
(kWh)
0,0760
0,0791
0,0794
0,0366
0,0413
0,0420
Média
Energia média
consumida
(kWh)
0,113
0,120
0,121
0,118
Para a finalidade deste trabalho, será utilizada a massa de 2660 kg como massa
padrão, transportando, em média 6 passageiros por viagem. Somando a energia
consumida quando o trem está em repouso, pode-se encontrar a energia consumida
pelo Maglev-Cobra em um ciclo, uma hora, e um dia. Na Tabela 17 é apresentado este
resultado.
Tabela 17 - Energia consumida pelo veículo para uma massa de 2660 kg
Massa
(kg)
2660
Consumo médio Consumo médio de Consumo médio de
de energia em um energia em uma energia diariamente
Ciclo (kWh)
hora (kWh)
(kWh)
0,1236
0,7416
5,933
A Figura 48, refere-se à potência demandada pelo trem em três viagens no
período de 10:58:16 até 13:28:52 do dia 15/03/2016, quando transportava uma carga
aproximada de 3030 kg. Essa massa foi obtida com 11 passageiros de peso médio de
71,82 kg. A medição desta carga visa quantificar a energia consumida pelo MaglevCobra operando com capacidade máxima de transporte em sua linha de teste.
Timeplot
5
kW
4
3
2
1
0
TOT P(kW) (max/min)
11:00
15/03/2016
Tuesday
11:02
11:04
11:06
11:08
Figura 48 - Potência demandada
ciclos
com massa de 2660 kg
Potência com em
carga três
de 3030
kg
Cr ea ted with Dr a nVie w 6.14 .0
54
As potências demandadas pelo Maglev-Cobra para as três viagens são mostradas
na Figura 48. As figuras 49 e 50 mostram a sobreposição das curvas de potência
demandada em três viagens diferentes. Integrando somente as potências nessas
viagens separadamente, obtém-se a Tabela 18.
Figura 49 - Potência demandada pelo trem em três viagens do CT1 - CT2, com massa
de 3030 kg
Figura 50 - Potência demandada pelo trem em três viagens do CT2 - CT1, com massa
de 3030 kg
55
Tabela 18 - Energia média consumida pelo trem do CT1 - CT2 e do CT2 - CT1
Tempo
10:58:16 - 11:00:11 e 11:00:22 - 11:02:05
11:05:45 - 11:03:54 e 11:03:55 - 11:05:37
11:05:45 - 11:07:21 e 11:07:31 - 11:09:18
CT1 – CT2
(kWh)
0,0832
0,0784
0,0789
CT2 – CT1
(kWh)
0,0391
0,0450
0,0381
Média
Energia média
consumida (kWh)
0,122
0,123
0,117
0,121
Somando a energia consumida quando o trem está em repouso, encontra-se a
energia consumida pelo Maglev-Cobra em um ciclo, uma hora, e um dia, quando
transporta uma carga de 3030 kg. Na Tabela 19 é apresentado este resultado.
Tabela 19 - Energia consumida pelo veículo para uma massa de 3030 kg
Massa
(kg)
3030
Consumo médio Consumo médio de Consumo médio de
de energia em um energia em uma energia diariamente
Ciclo (kWh)
hora (kWh)
(kWh)
0,1266
0,7596
6,077
Aos resultados de energia consumida pelo trem para diferentes cargas,
apresentados nas tabelas 15, 17 e 19, deve-se incluir o consumo dos equipamentos
eletrônicos embarcados no veículo, que consomem 0,66 kWh por dia. Assim, a Tabela
20 apresenta o consumo de energia total diário para as três massas.
Tabela 20 - Energia total consumida pelo veículo para diferentes massas
Massa
(kg)
2565
2660
3030
Consumo total
médio de energia
em um Ciclo
(kWh)
0,130
0,137
0,140
Consumo total
médio de energia
em uma hora
(kWh)
0,782
0,824
0,842
Consumo total
médio de energia
diariamente (kWh)
6,26
6,59
6,74
No modelo real, existem equipamentos ligados ao veículo que demandam
potência que devem ser incluídas nos cálculos finais, provocando uma grande
inconsistência entre os resultados esperados na simulação e os dados proveniente do
veículo.
56
5.2. Dados elétricos dos painéis fotovoltaicos instalados
Com objetivo de obter a produção de energia elétrica real fornecida pelos painéis
fotovoltaicos, foi realizada a medição de seus dados elétricos por um período
compreendido entre 01/07/2015 e 15/02/2016. Esses dados foram agrupados e
tabelados considerando horários de observação aleatórios com o intuito de buscar
grandezas de corrente, tensão e potências em diferentes horários durante o dia,
possibilitando também a avaliação de suas variações em diversas estações do ano.
5.2.1. Energia fornecida pelos painéis fotovoltaicos
Nesta seção será comparada a energia total fornecida pelas placas fotovoltaicas
em relação à energia total esperada (apresentada na Tabela 4 da seção 3.3.4),
compreendendo todo o período de tomada de dados.
A obtenção dos dados não foi realizada todos os dias do período descrito, pois o
multimedidor Mult-K possui armazenamento dos valores de energia, conforme Apêndice
C. Assim, a produção de energia diária fornecida pelos painéis será considerada a
energia média diária durante o período de 230 dias (duração deste estudo), mostrada
na Tabela 22.
Tabela 21 - Energia diária média e total no período de 230 dias
Geração de energia
fornecida no período
de 230 dias
680 kWh
Geração de energia média
diária durante o período de
230 dias
2,96 kWh
Geração de energia média diária
para um painel durante o período
de 230 dias
0,99 kWh
Comparando a geração de energia fotovoltaica média diária por painel medida
com a estimada na fase de implementação de projeto do sistema fotovoltaico
encontrada em [18], de 1 kWh, conclui-se que, de fato, cada painel fornece a energia
previamente projetada.
Utilizando (9), da seção 3.3.4, estima-se a geração de energia esperada pelos
painéis fotovoltaicos no período de 01/07/2015 à 15/02/2016, possibilitando a
comparação entre a energia elétrica gerada e a esperada fornecida pelos painéis
fotovoltaicos. Estes valores estão apresentados na Tabela 23.
57
Tabela 22 - Comparação entre energia fornecida e esperada dos painéis fotovoltaicos
TOTAL
Geração de energia esperada
no período de 01/07/2015 à
15/02/2016
907,32kWh
Geração de energia fornecida
no período de 01/07/2015 à
15/02/2016
680kWh
Diferença
227,32kWh
Conforme informado na seção 3.3.4, a estimativa da energia esperada foi
realizada sem considerar as perdas inerentes aos módulos fotovoltaicos instalados, pois
não foram fornecidos pelo fabricante. Essa diferença representa uma diminuição de 25%
da geração esperada.
Considerando as perdas nos condutores, nos diodos, conexão, sujeira nos
módulos, entre outros, pode-se considerar uma perda típica nos sistemas fotovoltaicos
conectados à rede de 18% [27]. Na Tabela 24 é apresentado a comparação entre a
energia fornecida e a esperada com perdas.
Tabela 23 - Comparação entre energia fornecida e esperada com perdas dos painéis
fotovoltaicos
TOTAL
Geração de energia esperada
com perdas no período de
01/07/2015 à 15/02/2016
Geração de energia fornecida no
período de 01/07/2015 à
15/02/2016
Diferença
744,01kWh
680kWh
62,01kWh
Com a inclusão das perdas gerais típicas dos módulos fotovoltaicos, há uma
diferença de apenas 8,6% entre a expectativa de energia fornecida pelos painéis e o
seu valor real. Essa porcentagem é razoável devido à localização dos módulos no solo,
aumentando a possibilidade de sombreamento, assim como, o aumento do acúmulo de
sujeira nos módulos causado pela construção de um prédio ao lado.
5.3. Comparação entre a geração fotovoltaica com o consumo do MaglevCobra
A partir dos dados obtidos da geração de energia fornecida pelos módulos
fotovoltaicos e a energia consumida total pelo Maglev-Cobra durante a operação, tornase necessário realizar uma comparação entre estas.
58
Para efeito de comparação semanal, considerou-se o consumo médio de energia
diário do trem para as três diferentes cargas analisadas anteriormente (2565 kg, 2660
kg e 3030 kg) operando por 8 horas diárias, contemplando 6 viagens de ida e volta por
hora, totalizando 48 viagens por dia, durante 5 dias úteis. Este consumo é comparado
com a energia gerada pelo sistema fotovoltaico durante 7 dias, indicados nas Tabelas
25 e 26.
Tabela 24 – Consumo total médio de energia semanalmente
Massa
(kg)
2565
2660
3030
Consumo total médio de
energia diariamente
(kWh)
6,26
6,59
6,74
Consumo total médio de
energia em 5 dias (kWh)
31,30
32,95
33,70
Tabela 25 – Energia média fornecida pelos painéis semanalmente
Painéis
Energia média fornecida Energia média fornecida
Fotovoltaicos
diariamente (kWh)
em 7 dias (kWh)
3
2,97
20,79
Analisando as Tabelas 25 e 26, pode-se constatar que a energia fornecida pelo
sistema fotovoltaico é insuficiente para suprir a demanda de energia solicitada pelo trem,
mesmo para o menor caso de carga considerada neste trabalho, sendo necessário a
implementação de 5 painéis fotovoltaicos para atender esta demanda.
59
6. Conclusão e trabalhos futuros
6.1. Conclusões
Neste trabalho foi realizada uma análise do consumo energético necessário para
o funcionamento do trem de levitação Maglev-Cobra durante a operação do protótipo
funcional em escala real, possibilitando estabelecer uma relação entre o consumo do
trem e a capacidade de geração do sistema fotovoltaico conectado à rede.
Cada um dos instrumentos utilizados foi estudado desde o ponto de vista de
programação assim como de funcionamento, o que possibilitou identificar algumas das
limitações de medição e sua adequada instalação.
Um estudo preliminar dos sistemas fotovoltaicos, abrangendo métodos,
características, componentes e normas vigentes no Brasil, permitiu compreender o
sistema fotovoltaico atualmente instalado para fornecer a energia ao Maglev-Cobra.
Para dimensionar a energia consumida pelo Maglev-Cobra foram realizadas
simulações de energia em função de seu aspecto aerodinâmico, considerando um
sistema idealizado. Estes resultados foram comparados com os dados experimentais o
que mostrou uma diferença devido às considerações realizadas no sistema idealizado,
assim como pelas perdas presentes tanto nos equipamentos utilizados, QR e CFW11,
como pelo ponto de operação do motor linear.
Foi constatado que o sistema fotovoltaico foi subdimensionado pois levou-se em
consideração uma estimativa de potência solicitada pelo Maglev-Cobra inferior à
potência demandada real. Contudo, a estimativa da geração de energia média diária
fornecida pelos módulos fotovoltaicos (Rio Solar 270W), no valor de 1 kWh, se mostrou
válida para utilização da expansão do sistema fotovoltaico.
Foi concluído que o sistema fotovoltaico instalado, composto por três painéis, é
insuficiente para suprir a energia necessária para operar o Maglev-Cobra, durante 8
horas por dia, sendo necessária a instalação de mais 2 painéis fotovoltaicos da Rio Solar
270W, fornecendo 34,65 kWh semanalmente.
60
6.2. Trabalhos Futuros
Para trabalhos futuros recomenda-se a expansão do sistema existente,
atualmente com três placas. O novo sistema com 6 placas fotovoltaicas forneceria, em
média 41,58 kWh semanalmente, mantendo o sistema balanceado e possibilitando a
continuidade do estudo de independência energética.
Conforme mostrado neste estudo, o modo de operação do Maglev-Cobra está
intimamente ligado ao operador do veículo. Com isso, a implementação do trabalho
proposto em [29], se mostra promissora, possibilitando a operação do veículo em seu
ponto de consumo mínimo, de forma segura e eficiente.
Um estudo comparativo da energia medida na entrada do conversor regenerativo
com a energia medida no barramento CC permitirá um entendimento maior da
capacidade de regeneração de energia e das perdas no sistema.
61
7. Referências bibliográficas
[1] PROTESTE e Sociedade Brasileira de Otologia medem decibéis de instrumentos e
alertam consumidores aos riscos provocados pela intensidade do som. Disponível em:
http://www.sbotologia.org.br/detalhe-noticia/173/pesquisa-proteste-sbo – Acessado em:
8 de Novembro de 2015.
[2] STEPHAN, R. M., DE ANDRADE, R., FERREIRA, A. C. Superconducting Light
Rail Vehicle: A Transportation Solution for Highly Populated Cities, IEEE Vehicular
Technology Magazine, v. 7, n. 4, pp. 122-127, 2012.
[3] STEPHAN, R. M. Levitação Magnética (MagLev): Uma Quebra de Paradigma no
Transporte de Massa do Século XXI. 4º Congresso de Infraestrutura de Transportes
(CONINFRA), São Paulo, Brasil, agosto de 2010.
[4] Google Maps, Mapa de Localização, EUA: Google – Disponível em:
https://www.google.com.br/maps - Acessado em: 24 de janeiro de 2016.
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elétrica do Brasil. 3º Ed. – Brasília: ANEEL, 2008. Disponível em:
http://www.aneel.gov.br/arquivos/PDF/atlas3ed.pdf – Acessado em: 12 de junho de
2015.
[6] CENTRO DE PESQUISAS DA ELETROBRAS (CEPEL) – Centro de Referência
para Energia Solar e Eólica Sérgio Brito (CRESESB). Manual de Engenharia para
Sistemas Fotovoltaicos, Rio de Janeiro, agosto de 2004. Disponível em:
http://www.cresesb.cepel.br/publicacoes/download/Manual_de_Engenharia_FV_2004.p
df – Acessado em: 25 de setembro de 2015.
[7] ALVES, A. R., VIANELLO, R.L. Meteorologia básica e aplicações, 2ª edição,
Universidade federal de Viçosa (UFV), 2002.
[8] GREENPRO. Energia Fotovoltaica – Manual Sobre Tecnologias, Projeto e
Instalações. União Europeia: ALTENER, 2004.
[9] MEI, P. R. Purificação De Silício Metalúrgico Nacional Para Produção De Células
Solares. Workshop Inovação para o Estabelecimento do Setor de Energia Solar
Fotovoltaica no Brasil. ed. São Paulo, Brasil: Março de 2012.
[10] SCHMIT, W. Materiais Elétricos – condutores e semicondutores, 2º edição revista,
Editora Edgard Blucher, 1979, 7º reimpressão 2002.
[11] EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA – EPE. Nota Técnica: Análise da
Inserção da Geração Solar no Brasil na Matriz Elétrica Brasileira. Rio de Janeiro, Brasil,
2012.
[12] SolarTerra, Energia Solar Fotovoltaica Guia Prático. São paulo, Brasil, 2008.
Disponível em: https://permacoletivo.files.wordpress.com/2008/05/curso-energia-solarfotovoltaica.pdf – Acessado em: 26 de setembro de 2015.
[13] NBR 11704:2008, Sistemas Fotovoltaicos – Classificação. Brasil: NBR, 2008.
[14] LEVA, F., SALERNO, C., CAMACHO, J., CAMARGO S. Modelo de um projeto
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62
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%22W/@-22.8632886,43.2312237,199m/data=!3m2!1e3!4b1!4m2!3m1!1s0x0:0x0?hl=pt-BR Acessado em: 3
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http://www.inmetro.gov.br/consumidor/pbe/Fotovoltaico_Modulo.pdf – Acessado em: 3
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Magnética, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil: Relatório
interno do Laboratório de Aplicações de Supercondutores (LASUP), Setembro de 2013
[24] INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA (IBGE),
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[25] OLIVEIRA, R. A. H. Sistema de Frenagem Regenerativa com motor de Indução
Linear do Veículo Maglev-Cobra, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Rio
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63
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[28] VIEIRA, B. A. S. Dimensionamento de Energia para o Trem de Levitação
Magnética. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil: Relatório
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[29] ESTEVE, A. B. Elaboração dos Circuitos de Comando e Controle do Veículo
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Conclusão de Curso, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Brasil, março de 2014.
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[33] KRON MEDIDORES, Manual do Usuário Multimedidor Trifásico Mult-K –
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[34] GOSSEN METRAWATT, User’s Guide – Mavowatt 30, Edson, United States of
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[35] IEEE 1159, Power quality monitoring, United Kingdom: IEC, 1995.
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https://www.gossenmetrawatt.com/english/produkte/mavowatt30.htm – Acessado em: 3
de fevereiro de 2016.
64
ANEXO I – Diagrama multifilar indicando a localização do
multimedidor Mult-K
65
ANEXO II – Dados do Módulo Fotovoltaico fornecido pelo fabricante
66
ANEXO III – Projeto Inicial de Fixação do Módulos Fotovoltaicos no
CT 2
67
Apêndice A – Associação de células fotovoltaicas
As associações dos módulos fotovoltaicos podem ser realizadas em série,
paralelo ou mista. Estes arranjos são formados para alcançar os padrões de tensão,
corrente e potência desejados [30].
A ligação série é denominada como uma conexão em fileira ou string, onde se
conecta o terminal positivo de um dos módulos ao terminal negativo do módulo
subsequente até encontrar o valor desejado conforme Figura A-1.
Figura A- 4 - Associação em série de módulos
Quando conectado em série módulos fotovoltaicos idênticos, as tensões são
somadas, enquanto as correntes não sofrem alteração:
𝑉 = ∑𝑛𝑖=1 𝑉𝑖
(A-1)
A conexão em paralelo é realizada conectando o terminal positivo de um modulo
com o terminal positivo do modulo subsequente até encontrar o valor da tensão de saída
desejado, como é mostrado na Figura A-2.
Figura A- 5 - Associação em paralelo
Quando conectado em paralelo módulos fotovoltaicos idênticos, as correntes são
somadas, enquanto as tensões não sofrem alteração:
𝐼 = ∑𝑛𝑖=1 𝐼𝑖
(A-2)
68
O arranjo fotovoltaico é a associação mista dos módulos, elevando os valores de
tensão e corrente conforme ilustrado na Figura A-3.
Figura A- 6 - Arranjo série-paralelo
69
Apêndice B – Relações entre os parâmetros característicos dos
módulos fotovoltaicos
A corrente gerada por um módulo fotovoltaico representada em função dos
parâmetros da corrente de curto circuito, voltagem de circuito aberto, tensão térmica
(Vt), e resistência em série é expressa [31]:
𝑉−𝑉𝑜𝑐 +𝐼𝑅𝑠
𝐼 = 𝐼𝑠𝑐 [1 − 𝑒𝑥𝑝 (
𝑉𝑡
)]
(B-1)
Esta equação pode representar o funcionamento de uma célula fotovoltaica, no
entanto, sua utilização prática apresenta um inconveniente, visto que a corrente gerada
(I) aparece em ambos os lados de (B-1). Para encontrar o resultado desta equação é
necessário a realização de métodos iterativos
O trabalho realizado pela referência [32], permitiu a determinação, através de uma
análise diferencial, de uma relação entre a potência máxima gerada pelo sistema solar
fotovoltaico e seus parâmetros característicos de corrente de curto-circuito e voltagem
de circuito aberto.
Considerando as zonas de tesões próximos ao ponto de potência máxima ou
quando V< 0,8 Voc, obtém uma razoável aproximação substituindo I por Isc no segundo
membro da equação, temos assim:
𝑉−𝑉𝑜𝑐 +𝐼𝑠𝑐 𝑅𝑠
𝐼 = 𝐼𝑠𝑐 [1 − 𝑒𝑥𝑝 (
𝑉𝑡
)]
(B-2)
Parte da demonstração da referência [19] será utilizada para compreensão da
expressão de potência máxima encontrada.
Como P = VI, e por (B-2), tem-se que:
𝑉−𝑉𝑜𝑐 +𝐼𝑠𝑐 𝑅𝑠
𝑃 = 𝑉. 𝐼𝑠𝑐 [1 − 𝑒𝑥𝑝 (
𝑉𝑡
)]
(B-3)
O ponto de potência máxima Pm, pode ser determinado derivando (B-3) e
igualando a zero, como:
𝑑𝑃
𝑑𝑉
𝑉
𝑉−𝑉𝑜𝑐 +𝐼𝑠𝑐 𝑅𝑠
𝑡
𝑉𝑡
= 0 ⇒ 𝐼𝑠𝑐 [1 − (1 + 𝑉 ) 𝑒𝑥𝑝 (
)] = 0 ⇒
70
𝑉
𝑉 = 𝑉𝑜𝑐 − 𝐼𝑠𝑐 𝑅𝑠 − 𝑉𝑡 ln (1 + )
(B-4)
𝑉𝑡
Pode-se calcular a Voltagem de Potência Máxima (𝑉𝑚𝑝 ), considerando 𝑉 = 𝑉𝑜𝑐
no segundo membro da equação, temos a expressão:
𝑉𝑚𝑝 = 𝑉𝑜𝑐 − 𝐼𝑠𝑐 𝑅𝑠 − 𝑉𝑡 ln (1 +
𝑉𝑜𝑐
𝑉𝑡
)
(B-5)
Para encontrar a Corrente de Potência Máxima (Imp), substituímos (B-5) em (B-2),
obtém-se:
𝑉
𝑜𝑐
𝐼𝑚𝑝 = 𝐼𝑠𝑐 (𝑉 +𝑉
)
𝑡
(B-6)
𝑜𝑐
A Potência Máxima (Pm) que o módulo pode fornecer, correspondente ao ponto
da curva característica Tensão x Corrente, onde a corrente e tensão são máximos, e
pode ser obtida pela seguinte expressão:
𝑃𝑚𝑝 = 𝑉𝑚𝑝 𝐼𝑚𝑝
(B-7)
Substituindo (B-5) e (B-6) em (B-7) temos:
𝑃𝑚𝑝 =
𝑉
𝑉𝑜𝑐 𝐼𝑠𝑐 −𝐼𝑠𝑐 2 𝑅𝑠 −𝑉𝑡 𝐼𝑠𝑐 ln(1+ 𝑜𝑐 )
𝑉𝑡
𝑉
1+ 𝑡
𝑉𝑜𝑐
(B-8)
A eficiência da fotoconversão de um módulo ou célula é definido pela expressão
a seguir [16]:
𝜂=
𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑙é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑓𝑜𝑟𝑛𝑒𝑐𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑒𝑙𝑎 𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎/𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜
𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎 𝑛𝑎 𝑖𝑟𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒
(B-9)
Outra possibilidade de calcular o rendimento do módulo é considerar a potência
na irradiação solar incidente no módulo nas condições padrão de ensaio, sendo a
irradiância 𝐺 = 1000𝑊/𝑚² multiplicado com a área do módulo (𝐴𝑀 ), essa área
compreendendo sua moldura, dividindo por sua potência máxima, expressa como
sendo:
71
𝜂=
𝑃𝑚𝑝
𝐺.𝐴𝑀
(B-10)
Este valor pode ser considerado para uma análise prévia do rendimento do painel
fotovoltaico, pois trabalha com os valores estabelecidos em ensaios padrões, podendo
haver variações da potência máxima e da irradiância no local de instalação dos painéis.
Para determinar a temperatura de operação do módulo fotovoltaico sob condições
de temperatura diferentes da padronizada, pode-se utilizar um cálculo simplificado
relacionando parâmetros fornecidos pelo fabricante, com a expressão [6]:
𝑇𝑚𝑜𝑑 = 𝑇0 + 𝐾𝑡 𝐺
(B-11)
Onde: 𝑇𝑚𝑜𝑑 → Temperatura do módulo (ºC); 𝑇0 →Temperatura ambiente (ºC);
G→ Irradiação incidente sobre o Módulo (W/m²); 𝐾𝑡 → Coeficiente térmico para o módulo
(ºC/W.m-2);
72
Apêndice C - Características técnicas do Mult-K
O multimedidor trifásico Mult-K foi escolhido devido a sua função de medição e
processamento de dados, os quais são precisos e estáveis. Podendo ser realizadas
medições de diversas grandezas com monitoramento local ou remoto [33].
As medições obtidas são TRUE RMS, medida que leva em consideração a
distorção existente em uma forma de onda. Esse tipo de consideração é necessário
quando há cargas não lineares em seu sistema. Estas medições são obtidas através do
THD, informando o nível de distorção harmônica presente, podendo ser utilizado em
sistemas de geração de energia.
Nesta seção, será apresentado o manuseio da Interface Homem Máquina (IHM).
As características técnicas como os limites de tensão e corrente a serem mensuradas,
alimentação externa do equipamento e suas porcentagens de precisão. O esquema de
ligação utilizada e todas as grandezas e ligações elétricas que o medidor pode realizar.
C.1 - Fixação do Mult-K
O Quadro de Luz e Tomadas da estação CT2 (QDLT-CT2) foi instalado sem a
possibilidade de adaptar à fixação do medidor em sua porta de painel. Adotando
medidas de segurança, foi criado um Quadro de Medição (QDM) para fixação do MultK, impedindo que o painel frontal do Multimedidor ficasse exposto. O QDM é mostrado
na Figura C-1
Figura C- 5 - Quadro de Medição (QDM) onde se encontra o Mult-K
73
C.2 - Alimentação Externa
O equipamento possui duas opções de alimentação, 120 ou 220, como é mostrado
na Figura C-2. A alimentação utilizada foi a entrada de 220 Vca. Sua faixa de utilização
pode estar entre a 80 a 120% do valor nominal da tensão utilizada.
Figura C- 6 - Tipo de alimentação externa do Mult-K, na esquerda para 120 e na
direita para 220 Vca [32]
C.3 - Esquema de Ligação
O multimedidor pode ser utilizado em sistemas monofásicos, bifásicos e trifásicos
(estrela ou delta). Sua ligação pode ser utilizada com ou sem Transformador de
Potencial (TP) ou Transformador de Corrente (TC), sendo necessário somente em
casos que os valores de tensão e corrente ultrapassam seus limites. As características
técnicas do medidor são [33]:
1. Entrada de Tensão:

Faixa de trabalho: 20 a 500 Vca (Fase-Fase)

Sobrecarga: 1,5 x Vmax durante 1 segundo

Frequência: 44 a 72 Hz

Consumo interno: < 0,5 VA
2. Entrada de Corrente:

Nominal (In): 1 Aca ou 5 Aca

Indicação mínima: 20mA

Sobrecarga Contínua: 1,5 x In

Sobrecarga Curta Duração (1 segundo): 20 x In
74

Consumo interno: < 0,5 VA
3. Precisão:

Tensão, corrente, potência ativa, reativa e aparente: 0,2%

Fator de Potência: 0,5%

Frequência: 0,1 Hz

Energia: 0,5%

THD: < 0,3%
De acordo com a seção 3.3.3, os módulos fotovoltaicos foram conectados em uma
conexão trifásica em delta com o QDLT-CT2, por este motivo a ligação do Mult-K deve
respeitar esta conexão e ponto de ligação do Mult-K foi realizada de acordo com a Figura
21.
Onde, foi selecionado o esquema de ligação Trifásico Desequilibrado Delta (3F)
com 3 elementos (TL 48). Como os níveis de tensão e correntes adquiridos não
ultrapassam os limites do medidor, não foi necessário a utilização dos transformadores
de tensão (siglas Tp1 e Tp2) e corrente (siglas Ic1, Tc2 e Tc3) representados na Figura
C-3.
Figura C- 7 - Diagrama Multifilar de conexão com o Mult-K – Adaptado [32]
75
Antes de realizar a conexão foi verificado se a sequência de fases estava em
sentido horário.
A correspondência entre os terminais numerados e a nomenclatura de seu
significado estão abordados na Tabela C-1.
Tabela C-4 - Referência dos números nos terminais com sua nomenclatura [33]
Número
Nomenclatura
Número
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Vc
Vb
Va
N
Ic
●Ic
Ib
●Ib
Ia
●Ia
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Nomenclatura
Alimentação Auxiliar
RS- 485: DataRS- 485: Data+
RS- 486: GND
Pulso Reativo: Coletor
Pulso Reativo: Emissor
Pulso Ativo: Coletor
Pulso Ativo: Emissor
C.4 - Interface homem máquina (IHM)
A interface homem máquina presente no medidor possibilita realizar as
parametrizações e a obtenção de medidas diretamente do local onde o Mult-K está
instalado, mostrado na Figura C-4. Esse meio de manuseio foi o escolhido para adquirir
os dados desse trabalho, não sendo utilizada a interface serial RS-485 e o software
RedeMB5 (programa da Kron), para maiores conhecimentos sobre esse tipo de
aquisição pode ser utilizada a referência [33].
Figura C-8 - Painel Frontal do Mult-K
76
Esse modelo possui três modos de operação que são acessíveis pressionando as
teclas de navegação e parametrização mostradas na Figura C-4, de maneira especifica
apresentadas a seguir:
C.5 - Modo Funções (FUn)
Para acessar esse modo basta pressionar as duas setas ao mesmo tempo de as
teclas de navegação até aparecer a palavra FUn (abreviação de funções) piscando na
primeira linha do display.
Neste modo pode ser realizada as opções apresentadas na Tabela C-2.
Tabela C-5 - Funções do Modo FUn [33]
Indicação
no Visor
tP
tC
tL
tI
Função
A constante TP define a relação do transformador de
potencial utilizado
A constante TC define qual a relação do transformador de
corrente utilizado
A constante TL define o tipo de esquema de ligação
utilizado
A constante TI define o intervalo de integração, em
minutos, para o cálculo da demanda a ser utilizado
Pen
Programa da Saída de Pulsos
End
bAU
StP
Programação da Interface Serial
rSt
Reset de energias, demandas e máxima tensão/corrente
Cer
Leitura do Código de Erro
SOF
Leitura da Versão de Software Interno
Sen
Habilita/Desabilita senha de acesso
Para poder visualizar as opções apresentadas na Tabela C-2, basta pressionar as
teclas de navegação para cima ou para baixo e quando desejar acessar alguma função
de parametrização, deve ser pressionada a tecla “Mode”.
Com isso, parametrizamos os valores de tP = 1, tC = 1, pois não foram utilizados
transformadores em nossa ligação.
77
Para o Tipo de Ligação (tL) escolhemos a opção 48, conforme Figura C-3. Para o
intervalo de integração (tI) foi selecionado o número 1, possibilitando a integração e o
valor da demanda a cada 1 minuto. Com isso, as parametrizações realizadas para o
registro de dados estão na Tabela C-3.
Tabela C-6 - Parametrização do Mult-K
Indicação
no Visor
Opção
tP
1
tC
1
tL
48
tI
1
78
Apêndice D – Guia prático de manuseio do analisador de
qualidade de energia Mavowatt 30 [34]
O
Mavowatt
30
da
Gossen-Metrawatt
é
um
instrumento
de
monitoramento/medição de qualidade de energia, com oito terminais disponíveis para
mensurar diversos tipos de circuitos e grandezas de forma portátil e prática, possuindo
uma tela sensível ao toque, podendo monitorar, gravar e mostrar dados de 4 canais de
tensão e 4 canais de corrente simultaneamente.
O MAVOWATT 30 foi projetado para atender as normas e requisitos de precisão
e medição da IEEE 1159 (que define os fenômenos eletromagnéticos que podem causar
problemas na qualidade de energia e recomenda métodos de medição e gravação
desses problemas) [35] e a IEC 61000-4-30 Class A (apresenta métodos de medição da
qualidade de energia) [36], assim como a Norma Europeia EN 50160. Este instrumento
vem acompanhado do software Power Visa, o qual possui um pacote estatístico
chamado de Qualidade de Fornecimento (Quality of Supply – QOS) que monitora e
instala em seu programa interno um conjunto de protocolos para medição de tensão de
acordo com a EN50160 [37].
O seu uso em laboratórios dispensa outros equipamentos como, por exemplo, não
seria mais necessário utilizar amperímetros, voltímetros e wattímetros e até mesmo o
osciloscópio em um mesmo circuito. Assim, diminuem-se as perdas inerentes a cada
equipamento presente no circuito, os desvios associados ao processo de medição e a
propagação de erros de interpretação dos instrumentos, entre outros. A ideia não é a
substituição destes instrumentos pelo Mavowatt 30 e sim, a inserção de equipamentos
com maior tecnologia embarcada e os usuais atualmente no mercado e na indústria
brasileira.
Assim, será mostrado um guia prático de manuseio do equipamento, informando
suas funcionalidades e operações as quais foram verificadas por meio de testes
realizados em laboratório. Um item advertindo sobre seu uso em sistemas e circuitos
onde sua utilização não é aconselhável também será apresentado.
As próximas seções irão apresentar uma visão geral do equipamento, que
possibilitará o entendimento dos dados coletados assim como o método adotado para
obtenção dos mesmos nos testes realizados no veículo Maglev-Cobra.
79
D.1 - Tela Inicial
Ao iniciar o funcionamento do MAVOWATT 30 através da tecla de liga em sua
parte inferior do equipamento será mostrado uma imagem como a Figura D-1.
Figura D- 18- Tela inicial ao ligar o MAVOWATT 30
Na parte superior esquerda tem-se o nome e o modelo da unidade, a última versão
do programa interno instalado. O estado de monitoramento aparece logo abaixo,
informando se o instrumento está registrando o circuito ou não. Seguido do tipo de
circuito configurado, o espaço livre no cartão de memória, o nome do arquivo,
quantidade de ciclos salvos e o número de intervalos de tempo salvos.
D.2 - Iniciar/Configuração (Start/Setup)
Esta seção permite que o usuário possa configurar o tipo de monitoramento que
será realizado ao sistema elétrico desejado. Possuindo configuração automática,
configuração manual, busca de uma configuração existente no cartão de memória ou
carregar um arquivo de dados ao MAVOWATT 30.
Nesta seção, será priorizado o método de gravação adotado neste trabalho,
abordando a configuração de monitoramento de maneira sequencial e ilustrativa. Assim,
ao clicar no botão iniciar aparecerá a tela mostrada na Figura D-2, com suas respectivas
opções:
80

Configuração Automática: Configura automaticamente o tipo de circuito,
tensão e corrente dos canais, e os limites dos parâmetros. Esta opção só permite
a utilização do Modo de monitoramento de Qualidade de Potência;

Assistente de Configuração: Fornece ao usuário uma série de janelas
solicitando informações sobre o circuito a ser monitorado;

Monitorara o mesmo circuito: Permite que o usuário utilize uma configuração
de circuito já utilizada;

Carregar uma configuração do cartão de memória: Permite a utilização de
uma configuração salva no cartão;

Carregar dados do cartão de memória: Permite salvar dados contidos no
cartão de memória ao programa interno;
Figura D- 19- Tela do Menu Iniciar
D.3 - Configuração Automática
Ao clicar na configuração automática será exibida a Figura D-3, onde são
adotadas as configurações pré-definidas. Sendo apresentado o tipo de circuito que está
sendo conectado, seus valores nominais de corrente, tensão e frequência e as
informações do estado do cartão de memória e a disponibilidade de armazenamento.
Há a opção de observar um resumo no qual será apresentado todas as
configurações no qual está estabelecido este monitoramento.
Uma opção de escolha da ponteira da corrente (tipo de transformador de corrente)
também é apresentada podendo ser modificada de acordo com as opções
81
apresentadas, ou inserindo o fator de transformação do transformador de corrente
utilizado.
Caso os parâmetros estabelecidos estejam em conformidade com o que se deseja
obter do monitoramento, aperte a tecla OK.
Figura D- 20 - Tela de Configuração automática
D.4 - Assistente de configuração
O Assistente de configuração guia o usuário através de diversas janelas de
opções solicitando informações sobre o circuito que será monitorado. Podendo alterar
manualmente o tipo de ponteira de corrente utilizada, relação de transformadores de
corrente ou potencial inseridos, tipos de circuitos, valores nominais, modo de operação,
modo de monitoramento, opções avançadas e o cartão de memória.
Sendo o objetivo deste trabalho a coleta continua de dados para análise, a opção
de configuração automática não pode ser utilizada, pois neste modelo só há gravações
dos eventos que ultrapassam os limites dos parâmetros estabelecidos.
As etapas de configuração serão descritas a seguir:

Ponteira de corrente
82
Primeiramente é mostrado a janela para escolha da escala da relação de
transformação do transformador de corrente que é utilizado para obter os dados das
correntes dos circuitos, conforme Figura D-4.
Figura D- 21- Ponteira de corrente
A ponteira utilizada no Laboratório de Máquinas Elétricas (LABMAQ) da
Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) é a TR-2550B, como sua escala é 66,67
é necessário à sua escolha apropriada, selecionando “Set Identical” e a opção “Change”
será mostrado algumas opções de ponteira pré-estabelecidas, conforme a Figura D-5.
Figura D- 22- Seleção de ponteiras de corrente
A ponteira que está selecionada na Figura D-5 possui a mesma característica da
TR-2550B. Esta característica foi comprovada em testes realizados em laboratório, e
pelo representante da Gossen Metrawatt no Brasil.
83

Fator de escala
O fator de escala é a relação de entrada e saída de um transformador de corrente
ou um transformador de tensão utilizados no circuito, podendo ser alterados
individualmente, conforme Figura D-6.
Figura D- 23- Escolha da relação de transformação

Tipos de circuitos
O MAVOWATT 30 possui tipos de circuitos no qual o usuário pode selecionar para
cada situação apropriada. O instrumento irá detectar e mostrará na tela se o tipo de
circuito está de acordo com a ligação realizada, comparando com a tensão, corrente e
a sequência de fase do tipo de circuito selecionado.
Tendo combinação do tipo de circuito, tensão, corrente e sequência de fases,
estes aparecerão na cor verde, conforme Figura D-7.
84
Figura D- 24- Escolha do tipo de circuito
No caso da detecção do circuito mostrado na Figura D-7, foi constatado que há
confirmação para dois tipos distintos de circuitos, o trifásico em delta e o trifásico em
estrela. Com isso, é necessário a observação do circuito selecionado com cautela antes
de prosseguir.
Foi verificado que há um erro na tradução de dois tipos de circuitos para o
português, ocorrendo em: 3 Phase Wye como 3 Fases Delta e em 3 Phase Delta como
3 Fases Estrela. Este erro não afeta as medidas dos circuitos, somente sua tradução.

Valores nominais
Ao entrar na tela de valores nominais será mostrado os valores de frequência,
tensão e corrente calculados pelo programa interno, para alterá-los basta clicar em seus
números e mudar seus valores, conforme Figura D-8.
Figura D- 25- Tela dos Valores Nominais
85
Ao clicar na tecla Rastreamento (Tracking), o usuário pode escolher entre três
tipos de parâmetros para monitorar mudando a frequência de acordo com a Figura D-9,
sendo:
Standard – Em um sistema normal de qualidade de energia o sistema mantém o
rastreamento da frequência fundamental mesmo na ausência da tensão. Atua na faixa,
supondo que a nominal seja 60hz, de 50,90Hz à 69,10Hz.
Fast – A frequência varia juntamente com a mudança da frequência da carga,
essa opção faz com que essa mudança seja mais rápida. Atua na faixa, supondo que a
nominal seja 60hz, de 25Hz à 70Hz.
Internal – Quando o sinal de referência não está disponível, a configuração
interna define a taxa de amostragem.
Ao clicar nos valores de mínimo e máximo do alcance do rastreamento da
frequência é mostrado que esses valores para as opções standard e fast se estendem
de 1 a 500Hz.
No entanto, ocorreram erros nas medidas obtidas nos testes realizados com o
inversor de frequência em laboratório, mesmo em 60Hz. Segundo o representante da
Gossen Metrawatt no Brasil, este equipamento efetua as medições na faixa de 45Hz à
60Hz, porém não é recomendado a sua utilização após um sinal PWM.
Figura D- 26- Tela de Rastreamento da frequência
86

Modo de operação
Aqui se define se gostaria de monitorar e gravar os dados desse circuito ou
somente obter as medidas instantaneamente, conforme a Figura D-10.
Figura D- 27- Tela do Modo de Operação

Modo de monitoramento
São mostrados quatro tipos de monitoramento de operação para gravar e
obtenção de dados, dependendo da relevância de sua aplicação. Os quatro tipos
mostrados na Figura D-11 são:
Standard Power Quality, Demand, Energy – Otimiza o instrumento para coleta
de dados para solução de problemas usando os parâmetros de qualidade de energia,
gravando os dados quando ultrapassam os valores de seus parâmetros pré-definidos.
Long-term Timed Recording, Demand, Energy – Configura o instrumento para
mensuração periódica de dados. Esta definição é utilizada para estudos estatísticos de
longo prazo e aferição de testes de equipamentos baseado em avaliação de campo.
Não há marcação de eventos, somente os valores das jornadas estão disponíveis.
Continuous Data Logging, Demand, Energy – Configura esse instrumento para
registrar os valores RMS e de potência uma vez por segundo até a memória estiver
cheia ou for definido um tempo específico. Não há marcação de eventos, somente os
valores das jornadas estão disponíveis.
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EN50160 Power Quality – Monitora e reporta a qualidade de fornecimento em
conformidade com o especificado na EN50160.
Para finalidade deste trabalho a opção de Continuous Data Logging, Demand,
Energy foi utilizada para obtenção dos dados, considerando que este tipo de
monitoramento fornece valores precisos a cada um segundo, não ocorrendo erros por
métodos estatísticos.
Figura D- 28- Modo de Monitoramento

Opções avançadas
Após selecionar o modo de monitoramento o sistema está pronto para começar a
gravar os dados no cartão de memória. Priorizando o monitoramento escolhido, os
usuários possuem a opção de aceitar as configurações dos limites padrão e continuar
ou pode rever e modificar as configurações. Esta imagem se encontra na Figura D-12.
Figura D- 29- Tela das Opções avançadas
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Como o tipo de monitoramento escolhido não há a delimitação das opções de
Transient Limit, RMS Variation Limit e Journal Limit. O Characterizer Options é fixado
em nenhum, permitindo a gravação contínua dos dados, conforme Figura D-13.
Figura D- 30 - Opção de caracterização

Cartão de memória
O Mavowatt 30 possui dois espaços para cartão de memória (slot 1 e o slot 2),
onde os dados são armazenados automaticamente quando o sistema de monitoramento
está ligado. É recomendado que se use somente um slot de cada vez.
A opção do cartão de memória é mostrada antes de iniciar o monitoramento do
circuito, permitindo a mudança do nome do arquivo, saber a capacidade de
armazenamento e visualizar os arquivos que estão gravados, com a Figura D-14.
Figura D- 31- Tela mostrando o cartão de memória
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É importante ressaltar que os tamanhos de armazenamento dos arquivos são
definidos na opção preferências da tela principal (na tecla “size” na opção “Memory
Card”), possibilitando as escolhas de 32MB, 128MB, 64MB e 256MB.
Para mensurar o período de tempo máximo de gravação de um arquivo no modo
contínuo de monitoramento, foram realizados testes de duração no Laboratório de
Maquinas Elétricas (LabMaq) da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ).
Iniciando um monitoramento às 11:17 (onze horas e dezessete minutos) e seu término
às 16:55 (quatro horas e cinquenta e cinco minutos) no dia 17/09/2015, seu tamanho foi
de apenas 29.815 KB, sendo suficiente a escolha do tamanho de cada arquivo de
256MB.
Caso ultrapasse o limite da capacidade de armazenamento a gravação será
terminada e um aviso na tela principal irá aparecer (“forced mon off”).

Menu de monitoramento
Realizado todas as configurações necessárias ao circuito, decorrente de todos os
procedimentos informados anteriormente, basta pressionar a opção Start Now!
mostrado na Figura D-15, para iniciar o monitoramento.
Figura D- 32- Tela do Menu de Monitoramento
D.15 - Parar monitoramento (Stop)
Quando o circuito está sendo monitorado é informado na sua tela principal, assim
como outras informações de acordo com a Figura D-16:
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Figura D- 33- Tela principal realizando monitoramento
Ao apertar a tecla Stop, para parar o processamento de dados, o instrumento não
termina a gravação instantaneamente, e sim, aparece uma tela de acordo com a Figura
D-17:
Figura D- 34- Menu de parada de monitoramento
Foi constatado em laboratório que ao apertar a opção “Abort” alguns arquivos no
cartão de memória ficaram corrompidos. Por esse motivo é aconselhável utilizar sempre
a tecla “Stop Now” para parar um monitoramento e, se for o caso, apagá-lo depois. Após
o término da gravação, aparecerá no status de monitoramento a palavra Done,
Para visualização dos dados coletados foi utilizado o programa Dran View 6,
possibilitando a análise de todos os parâmetros encontrados nesse capítulo, inclusive a
plotagem de gráficos e observação de intervalos de tempo destacados.
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