PAINEL SOLAR AUTOMATIZADO: TECNOLOGIA

PAINEL SOLAR AUTOMATIZADO: TECNOLOGIA SUSTENTÁVEL CAPTADORA DE ENERGIA
SOLAR PARA MICROGERAÇÃO
Anderson Douglas Simão dos Santos; Matheus de Andrade Marinho; Sáulo Vitor Lobato Dantas.
4º ano do Ensino Médio do Curso de Mecatrônica
Orientador: Professor Valdemiro Severiano Júnior
INSTITUTO FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE/ BOLSISTAS
Rua Antônia de Lima Paiva, 155 – Bairro Nova Esperança,
Parnamirim 59143-455 – Parnamirim – RN
INSTUTO FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE/ORIENTADOR
Rua Antônia de Lima Paiva, 155 – Bairro Nova Esperança,
Parnamirim 59143-455 – Parnamirim – RN
Resumo O projeto possui tecnologia sustentável, com o
propósito de captar a energia solar através de placas
fotovoltaicas, simulando a captação de energia das células
solares que estarão distribuídas na superfície da placa. O
trabalho é considerado como um projeto tecnológico-ambiental
e tem a relação custo-benefício como relevante para sua
execução, gerando retorno financeiro ao usuário que o utilizará
como microgerador de energia.
Palavras Chaves: tecnologia sustentável, microgeração de
energia, painel solar
Abstract: The project "Automated Solar Panel: Sustainable
technology scavenging of photovoltaics" is intended to make a
board that simulates the capture of energy of solar cells that
will be distributed in panels's surface. Developed as a
technological and environmental project, the cost-benefit issue
is something leading to his features, generating financial
returns to the user who uses it as microgenerator energy.
Keywords: microgenerator, panel, robotics, mechatronics
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INTRODUÇÃO
Desde sua criação, a energia elétrica exerce um
importante papel na sociedade. A oferta de energia é uma
condição estratégica e determinante para o desenvolvimento
econômico e produtivo de um país, no entanto o setor de
produção elétrica vem passando por transformações em que
questões econômicas e ambientais têm levado a discussões
sobre a adoção de outras fontes energéticas não poluentes bem
como a forma de produzi-las.
A constante demanda por sistemas tecnológicos de
qualidade aliados com a marcante preocupação socioambiental
na busca por métodos práticos e sustentáveis têm tornado a
geração de energia elétrica um problema que aparenta não
possuir uma solução.
Este trabalho pode ser considerado de grande relevância,
pois aborda questões importantes do cenário energético atual
no que diz respeito as fontes renováveis de energia elétrica
(enfatizando o uso da energia solar), geração distribuída com o
uso da microgeração e, principalmente, a eficiência energética.
Atualmente, as matrizes energéticas mundiais são
baseadas na utilização de combustíveis fósseis como petróleo,
carvão mineral e gás natural, geração termo-nuclear ou grandes
áreas de usinas hidrelétricas. Tais matrizes são bastante
questionadas quanto ao seu impacto ambiental, seja causando a
devastação de grandes extensões de terra ou propiciando a
geração de gases que agravam o efeito estufa.
O aumento da demanda por energia elétrica e a
necessidade de se buscar práticas sustentáveis, indicaram como
objetivo geral deste projeto, analisar o processo de produção de
energia através do sistema de microgeração, com o uso de
painéis solares que favorecem a minimização dos impactos
ambientais provocados ao se utilizar esse recurso, bem como o
retorno financeiro do usuário a médio ou longo prazo.
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O TRABALHO PROPOSTO
O projeto objetiva implementar um sistema mecânico de
engrenagens com auxílio de componentes eletrônicos, capazes
de promoverem maior captação possível da luz solar em uma
placa fotovoltaica por meio do movimento de dois eixos
independentes, funcionando como um seguidor solar.
A intensão global do projeto é relativa à sustentabilidade.
O movimento promovido pelos eixos permite um melhor
aproveitamento da energia emitida pelo sol por meio de raios
solares, aumentando o rendimento da produção de energia.
Mostra Nacional de Robótica (MNR)
1
2.1
A)
B)
C)
D)
E)
OBJETIVOS
Independência do seguidor solar quanto a um controle
humano externo;
Ajuste de posição do eixo do seguidor;
Rendimento e vantagens comprovados em relação a um
painel solar comum (fixo);
Coleta de informações do ambiente como luminosidade e
temperatura;
Ser autossuficiente.
A estrutura do projeto é baseada por um conjunto de
LDR’s (sensores de luminosidade) colocados em lugares
estratégicos da placa e que fazem a captação da luz solar,
enviando a informação analógica ao programa que responde
aos servomotores, para que seus movimentos sejam em direção
a fonte de luz de maior intensidade. O controle do seguidor é
de responsabilidade do microcontrolador Arduino.
3
3.1
3.1.1
O grupo optou por este método de fabricação por ser
de baixo custo, porém as peças são de alta resistência mecânica
o que torna o trabalho mais profissional e robusto.
MATERIAIS E MÉTODOS
ESTRUTURA MECÂNICA
MATERIAIS UTILIZADOS
Chapas de ferro
Engrenagem e fuso feitos de resina
Tábua de madeira
Eixo feito de resina
A base da estrutura foi feita a partir de quatro chapas
de ferro acopladas a uma engrenagem proveniente de um
volante do motor de um carro Chevet. Após a confecção da
base do projeto, houve o planejamento de um modo de
introduzir a engrenagem e o fuso, responsáveis pela
movimentação da placa. A engrenagem foi unida à placa de
uma forma vertical em relação ao fuso, isso resulta em uma
transferência de movimento do fuso para a placa, ou seja,
acarreta na movimentação da mesma. Foi utilizado um eixo de
aço para transferir e fixar a placa à estrutura da base.
A engrenagem e o fuso foram desenhados em um
esquema 3D, através do software SolidWorks e depois
impressos por uma prototipadora, pertencente ao IFRN
Parnamirim. Conforme a imagem abaixo.
Figura 1 - Desenho cremalheira e engrenagem.
Mostra Nacional de Robótica (MNR)
Figura 2 - Painel Solar
A tábua de madeira foi utilizada para a simulação do
painel solar. Uma das grandes vantagens do nosso protótipo é
colocar uma placa solar de qualquer tamanho, apenas
adaptando o eixo.
Para soldar todas as peças de ferro, foi utilizado o
método de curto circuito. Este gera uma corrente muito alta nas
extremidades da peça de uma forma a fundir o material e
efetuar a junção de dois componentes.
O protótipo de uma placa solar que acompanha o sol,
nos horários de maior incidência, utiliza dois sensores LDR
para fazer esse acompanhamento. O painel se movimenta dos
horários aproximadamente de 9h até às 15h, quando ele melhor
capta energia.
Figura 3 - Painel Solar
3.2
ESTRUTURA ELÉTRICA
O circuito foi projetado no Software Proteus que é uma
suíte que agrega o ambiente de simulação de circuitos
eletrônicos ISIS e o programa para desenho de circuito
impresso Ares professional. O software também serve para
simulação de microprocessadores, captura esquemática, e placa
de circuito impresso (PCB design). É desenvolvido pela
empresa inglesa Labcenter Electronics.
Os esquemas das placas de circuito impresso foram
testados antes de passar para uma placa física, onde estarão os
componentes e o circuito que executarão as funções prédeterminadas. É uma placa com várias funções, uma para o
motor de passo e outra para o controle de entrada e saída de
tensão e corrente, garantindo uma alimentação estável para a
placa do motor de passo e consequentemente para ele mesmo,
trabalhando da forma correta para um melhor desempenho e
um circuito para os LDR’s.
utilizados oito transistores, porque cada um aguenta no
máximo 1A, como o motor trabalha na faixa de 3A, então foi
colocado oito transistores em paralelo. Assim a corrente se
divide no início para os transistores, com saída de 9v e 4A no
máximo. Com isso, o circuito suporta corrente e tensão que o
motor vai trabalhar tendo maior eficiência e aumentando sua
capacidade térmica.
4
Figura 4 - Circuito motor de passo
Motores de passos são dispositivos mecânicos
eletromagnéticos que podem ser controlados digitalmente
através de um hardware específico ou através de softwares.
Esse tipo de motor no projeto é imprescindível, pois a sua
precisão é muito importante. Por isso, também está presente
em larga escala em impressoras, plotters, scanners, drivers de
disquetes, discos rígidos e muitos outros aparelhos. O circuito
do motor de passo funciona basicamente com transistores que
são acionados a partir da base, com uma corrente para que
feche o circuito, que vem de uma porta digital do Arduino.
Haverão condições na programação para que seja acionado,
passando tensão com uma corrente alta do receptor até o
emissor e funcionando em todos os transistores.
Quando esse circuito do transistor fecha, a
alimentação que vem do motor de passo vai para um GND,
passando pelo emissor do transistor e ligando o motor de passo.
Com as quatro portas do arduino, é feito o controle do motor de
passo, pedindo mais velocidade, torque ou precisão. No
presente projeto, a necessidade é maior precisão para que possa
controlar quantos graus está o eixo do motor.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
O seguidor solar é uma tecnologia acessível a todos, ideal
para aplicações de energia solar em zonas remotas. Os
pesquisadores portugueses Afonso Cardoso e António Relógio,
portadores de um projeto similar, efetuaram testes preliminares
de um protótipo no Campus Solar da Faculdade de Ciências da
Universidade de Lisboa e permitiram confirmar que o Seguidor
Solar aumentou em cerca de 10% a energia solar que chega ao
painel, podendo este valor atingir valores bastante superiores
como os já referidos, apenas recorrendo a otimizações
mecânicas da estrutura.
Outro ponto importante a se acrescentar é a vantagem
econômica. A seguir, é exibido um painel solar cuja construção
é de forma caseira. Segue também uma tabela com os valores
de corrente, tensão e potência promovidos pela placa
fotovoltaica
.
Figura 6 - Painel Solar caseiro
Painel solar de construção caseira.
Medidas: 64 x 64 centimetros
Total de Celulas: 16
Figura 5 - Circuito LDR/Filtro 9v – 4ª
Disposição: 4 x 4
Tensão por célula (max): 0.569v
Depois de pronto um circuito especificamente para um
motor de passo, no qual exige uma corrente alta, e tensão fixa,
foi feita uma placa apenas para alimentação dele e foram
colocados sensores que auxiliam na busca do maior ângulo de
luminosidade possível. Foi feita uma placa para suportar quatro
LDR’s (light diode resistor), todavia apenas dois serão
utilizados no protótipo. Esses sensores captam de onde vem o
maior valor de luminosidade analógico para que o ângulo do
motor possa adaptar-se da melhor forma possível. Para o filtro
da alimentação da placa do motor de passo, serão puxados 12v
de uma fonte ATX de Desktop (no qual o limite de corrente
trabalha com 18A) para a placa, podendo fornecer
tranquilamente a corrente que o projeto precisa. Contudo é
necessário que saia apenas 9v, por isso foi utilizado o transistor
7809 pois ele limita a tensão de saída, que seria 9v. Foram
Amperes por célula (max): 6.68A
Potência por célula (max): 3.68W
Tensão obtida pelo painel: 9.09V
Potência total do painel (max): 58.88W
Observa-se uma potência total de 58.88W, somando
com os 10% de ganho, pelo fato de ser um seguidor solar,
obtém-se um total de 64,68W. Aplicando-se essa placa no
projeto obtém-se um grande lucro uma vez que o valor em
potência consumido pelo motor do projeto é de cerca de 27W,
Mostra Nacional de Robótica (MNR)
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valor conhecido através da tensão (9v) e corrente (cerca de 3A)
temos uma diferença de 37.68W .
Utilizando a taxa cobrada pela Copel, a Companhia
Paranaense de Energia Elétrica, que é de aproximadamente R$
0,26, temos que o motor consumirá R$ 0,028 durante 4 horas.
Enquanto a placa solar irá render um valor de R$ 0,066 nessas
4 horas. Portanto, há um lucro que torna a máquina
autossuficiente, abrindo uma nova perspectiva acerca da
energias renováveis no mercado.
5
CONCLUSÕES
O projeto visa mais do que simplesmente fazer uma
placa seguir a luz solar. O objetivo também consiste em
reforçar essa nova possibilidade energética proveniente dos
raios solares, visto que este é um recurso em abundância no
território brasileiro. Segundo FALCAO, a minigeração e a
microgeração distribuídas, estão chegando ao Brasil, trazendo
grandes vantagens, como a redução de perdas, menor
necessidade de grandes projetos de geração, oportunidades
maiores de participação dos consumidores no atendimento à
demanda, etc. Porém, trazem consigo problemas técnicos e
econômicos que precisam ser bem equacionados e resolvidos
para permitirem um crescimento adequado para esse tipo de
geração.
As conclusões maiores do projeto foram, portanto, o
estudo do aperfeiçoamento das técnicas que viabilizam um
maior aproveitamento das energias renováveis.
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