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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA INSTRUMENTAÇÃO ELETRÔNICA PROFESSOR: LUCIANO FONTES Gerenciamento de Inclinação para Recepção Ativa Sensoriada Solar GIRASSOL Rafael Medeiros Natal junho de 2009 Resumo Este relatório tem como principal objetivo apresentar os registros sobre a implementação de um sistema analógico para correção de posicionamento de células foto voltaicas. Neste relatório será abordado o conceito do projeto os detalhes de sua implementação. Introdução Este projeto apresentará a seguinte abordagem, será devolvido um circuito analógico para atuar na automação e controle de células fotovoltaicas controlando sua posição, este circuito deve capaz de oferecer uma posição as células perpendicular a fonte de luz e reduzir a quantidade de painéis estáticos, como característica de robustez podemos citar a característica do circuito ser capaz de controlar a posição de um painel, resistir a interferência externa e que permita a inclusão de novos recursos. Contextualização do problema Como um desafio de qualquer sistema de geração obter o máximo rendimento é de grande importância. Uma constante de qualquer sistema de geração é a eficiência, no caso da energia elétrica sistemas de geração solar, eólica, hidroelétrica entre outras dependem diretamente da incidência do ente físico em suas superfícies e geralmente para melhores rendimentos se faz necessária maior área e no caso da energia solar a área é um fator critico, pois a posição do sol muda constantemente reduzindo a eficiência das placas. Para obter melhor rendimento as placas são dispostas de forma a estarem perpendiculares no momento que o sol apresentar maior incidência. O método utilizado atualmente para tirar o maior aproveitamento da luz solar é direcionar a placa ao meio dia que a incidência da luz solar apresenta seu auge. Fatores que prejudicam o rendimento; Placas estáticas: como citado anteriormente o fato da placa se apresentar estática desperdiça parte da luz que incide em ângulo com relação a placa pois diminui a área de contato com a luz. Danos ao equipamento: o fato da instalação deste equipamento ocorrer em ambientes externos o torna suscetível a danos causados por fenômenos naturais ou vândalos, um sistema móvel que apresenta a capacidade movimentar as células pode ser utilizado para proteger o equipamento contra fortes tempestades, furacões e vândalos durante a noite. Mudança do percurso do sol durante o ano: Placas instaladas de forma estática apresentam a desvantagem de mesmo ao meio dia ainda não apresentar o alinhamento desejado em 90°, pois dependendo da localização no planeta a rota seguida pelo sol durante as estações do ano varia muito, ainda é válido citar o fato de se ocorrer alguma alteração na posição da placa a mesma vai permanecer com aquela posição e tornar o sistema ainda mais ineficiente, esta alteração pode ocorrer por meio de rajadas de vento ou de qualquer outra interferência natural, como animais. Fundamentação teórica Ponte de Wheatstone Análise da ponte de Wheatstone como um transdutor para sensores resistivos com baixa sensibilidade. Análise com simplificações, para uma pequena faixa de atuação. Figura 1 - Ponte de Wheatstone A figura acima mostra uma ponte de Wheatstone onde a tensão de saída Vo é dada por: v 0 E = δ R1 δ R2 δ R3 δ R4 R2 R4 − + − ( R1 + R2 )( R3 + R4 ) R1 R2 R3 R4 Amplificador operacional diferenciador No circuito abaixo temos que o ganho é dado por 3.9k / 22 e esses ganhos se subtraem. VDD 12V 0 R2 3.9kΩ R1 22Ω R3 4 22Ω 4 13 U1A 1 3 2 11 TL084CN R4 3.9kΩ VEE -12V Figura 2 - Amplificador operacional diferenciador Amplificador de par pnp npn Para obter a inversão do sentido do motor se faz necessário o uso de transistores no modo complementar. Q1 TIP31C Q2 TIP32C Figura 3 - Transistores PNP e NPN trabalhando de maneira complementar A disciplina de instrumentação eletrônica Esta atividade teórica experimental tem como objetivo capacitar o aluno a desenvolver o raciocínio, a criatividade e organização no desenvolvimento de um projeto que abrange o setor de instrumentação. Existe o ramo da eletrônica analógica e o ramo da eletrônica digital, este trabalho se baseia inteiramente no ramo da eletrônica analógica e mesmo a existência de componentes como display ou algum controle que tenha como base a lógica binária não elimina o fato da parte responsável pela instrumentação em si continuar analógica. Características do projeto A proposta deste trabalho é desenvolver um dispositivo que tem como principal característica buscar o alinhamento de um dispositivo mecânico com alguma fonte de luz, mais precisamente o sol. Após observar que parte da energia solar era desperdiçada ao incidir em uma célula solar em um ângulo diferente de 90°, tem-se o objetivo da atividade em questão, “Aplicação circuito com mecanismo móvel na otimização da geração de energia solar”. Transdutores e sensores Como principal fator para um bom equipamento de instrumentação deve-se conhecer a grandeza a ser avaliada bem como a sua faixa de abrangência, depois deste passo devemos observar as facilidades que aquela faixa de sensores nos oferecem, estas facilidades abrangem tamanho do sensor, robustez, custo e faixa de atuação. Após avaliar a grandeza em questão (brilho do sol), temos que o sensor não demanda tantos cuidados com relação à interferência, já que o sol é a fonte de luz mais brilhosa em campo aberto, também podemos observar que o sensor precisa ser confiável em temperaturas média – altas precisamos de um dispositivos resistente a acontecimentos como ressecamento, e finalmente temos o custo do sensor. Após esta avaliação o sensor escolhido foi o LDR (resistor dependente de luz). Um LDR é um transdutor de entrada (sensor) que de acordo com a luz visível varia os valores de resistência. É feito de sulfeto de cádmio (CdS) ou seleneto de cádmio (CdSe). Sua resistência diminui quando a luz é muito alta, e quando a luz é baixa, a resistência aumenta. Um multímetro pode ser usado para encontrar a resistência na escuridão ou na presença de luz intensa. Os valores apresentados pelo LDR podem variar de valores acima de acima de 1M ohm no escuro até próximo de 100 ohm em condições de alto brilho. Instrumento e instrumentação Ente físico Sensor e transdutor Sol LDR Interface homem máquina Atuação na posição do equipamento Conformador Ponte de Wheatstone Amplificadores operacionais Processamento do sinal Figura 4 - Diagrama de blocos do instrumento Características de instrumentação Faixa O instrumento apresenta uma faixa simples que será representada pela existência ou ausência de luz. Resolução Com relação à resolução temos que serão usados dois sensores em conjunto com um circuito de amplificação os seus valores serão apenas diferenças entre esses dois sensores o que após passar por um alto ganho dos amplificadores resulta em valores de +V. –V e 0. Sensibilidade Após testes com iluminação controlada pode-se observar que o LDR demonstra um nível de sensibilidade mais que satisfatório para esta atividade, devido o caráter discreto dos valores utilizados basta apenas que um LDR apresente resistência superior ao seu par que a tensão irá variar até um valor de +V ou então de –V se os valores das resistências voltarem a reverter. Linearidade Com relação a linearidade não foram realizados testes pois esta característica não era de grande importância no projeto pois o sistema realizava a subtração de tensões em condições em iluminação semelhante, o que significa que os LDR sempre estavam na mesma faixa de linearidade pois a iluminação ambiente é a mesma para os dois. Erro Esta foi o fator que mais influenciou no projeto, pois alguns LDRs apresentavam um erro considerável em relação aos outros, temos o seguinte exemplo: Alguns LDRs sob iluminação controlada apresentavam uma resistência de 20kΩ já outros apresentavam uma resistência de 40kΩ. Este problema foi contornado ao utilizar LDRs de mesma característica como complementares, desta maneira o erro apresentado pelos dois será subtraído resultando no resultado esperado que é apenas a diferença entre os dois. Precisão Intimamente ligado ao fator anterior a precisão que considero o fator mais importante no projeto, as medidas obtidas com os LDRs foram altamente consistentes, tal fato oferece uma boa precisão e consequentemente uma boa qualidade da medição. A precisão é tão critica neste projeto, pois se um dos LDRs começar a apresentar diferença ao seu par isso vai gerar uma diferença de tensão que pode ser entendida pelo sistema como uma modificação da posição da fonte de luz e atuar no controle dos motores desta maneira perdendo rendimento da célula foto voltaica. Estabilidade A estabilidade é o segundo fator mais importante neste projeto, pois é neste conceito que se baseia todo o funcionamento do circuito, pelo fato do circuito sempre buscar o equilíbrio e por receber constantemente modificações se ele não apresentar um bom nível de estabilidade pode apresentar um comportamento como o visto em sala na primeira apresentação de andamento do projeto onde o equipamento recebia um estimulo e respondia a este estimulo, passava do ponto de equilíbrio e recebia um estimulo no sentido contrário, o que resultava em uma grande oscilação do mecanismo, este problema foi resolvido com a utilização de um filtro, onde a luz incidente no LDR era confinada aos seu eixo, este filtro foi construído com acrílico preto fosco de tal formato a sempre deixar os LDRs na sombra para uma fonte de luz perpendicular Deriva Bem como o erro a deriva não afeta muito o funcionamento do circuito já que todos os componentes estão sujeito as mesmas condições ambientais. VDD 12V VCC 5V VCC R2 3.9kΩ R1 6 R7 560Ω VDD 0 R14 5kΩ 7 22Ω R3 4 R8 560Ω 22Ω Q1 4 13 U1A 3 TIP31C 2 1 2 Q2 11 TL084CN R4 M R15 1kΩ 0 3.9kΩ VEE TIP32C S1 MOTOR 0 VEE -12V Figura 5 - Circuito no programa de simulação multisim Desafio Alguns componentes apresentavam valores diferentes uns dos outros Sistema oscilatório ao passar do ponto de equilíbrio O sistema mecânico não suporta o peso das células foto voltaicas Velocidade de atuação dos motores elevada Solução Agrupar em par os componentes que apresentam o mesmo erro Implantação de um filtro físico de acrílico preto fosco para limitar o acesso a luz Solução ainda não implementada Após instalar todo o sistema, o peso diminuiu a velocidade de atuação dos motores Fotos Bibliografia www.wikipedia.org Datasheet TL084 Datasheet TIP31C, TIP32C www.google.com.br – LDRs Material disponibilizado em sala – Luciano Fontes
