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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAIS
GUSTAVO RODRIGUES
MARCO AURÉLIO
TÁSSIS FERNANDO
ESTUDO DO ARTIGO: CONTROLE DE UM PAINEL SOLAR PARA RASTREAMENTO DE
ORIENTAÇÕES DE MÁXIMA GERAÇÃO DE POTÊNCIA
TIMÓTEO
2022
Sumário
Introdução 3
Objetivos do trabalho 3
Motivação 3
Desenvolvimento 4
Título do artigo 4
Autores 4
Revista/congresso 4
Local e data de publicação 4
Objetivos do(s) autor(es) 4
Justificativa do trabalho 4
Tópico da Teoria de controle utilizado 5
Procedimento seguido (metodologia) 5
Resultados e discussão 8
Conclusão dos autores 9
Conclusão 9
Referências 10
1. Introdução
1.1. Objetivos do trabalho
O artigo estudado propunha um projeto de rastreamento de painéis solares com o intuito de
controlá-los e aumentar a eficiência de geração de energia que esses poderiam proporcionar. Estima-se
que painéis solares atuais tenham um aproveitamento de transformação da energia solar em elétrica de
20% e ainda tendo a possibilidade desse número diminuir ao levar em conta outros fatores do local em
que esse é implementado( diminuição da irradiância, altas temperaturas nas placas que afetam a
transformação da energia e condições de carga.
Assim, os objetivos desse trabalho eram o desenvolvimento de um sistema de rastreamento solar
simples e barato com a utilização de um microcontrolador Teensy 3.0, a formulação de um modelo
matemático e de uma heurística de decisão para dizer ao sistema mecânico do painel solar como e
quando se mover.
1.2. Motivação
A formulação desse projeto teve diversos fatores que o motivaram, como o aquecimento global,
que é um problema mundial a diversos anos, a crescente necessidade de geração de uma maior
quantidade de energia limpa e renovável, sem se esquecer do custo, e também o alto custo para adquirir
sistemas semelhantes presentes no mercado, porém com uma inviabilidade de implantação em pequena
escala.
2. Desenvolvimento
2.1. Título do artigo
Controle de Um painel Solar para Rastreamento de Orientações de Máxima Geração de Potência.
2.2. Autores
O artigo foi desenvolvido por 6 autores, sendo eles Cleberson L. A. Melo, Marco G. L. Moura,
Milena F. Pinto, Alessandro R. L. Zachi, Aurélio G. Melo e Camile A. Moraes.
2.3. Revista/congresso
Sua apresentação ocorreu no Congresso Brasileiro de Automática 2020.
2.4. Local e data de publicação
Foi publicado em uma conferência no Congresso Brasileiro de Automática em Dezembro de 2020
de forma virtual.
2.5. Objetivos do(s) autor(es)
O objetivo do projeto apresentado no artigo era a criação de um controlador para rastreamento de
sistemas de painéis solares com o intuito aumentar a eficácia na transformação de energia solar em
elétrica. Atualmente, já existem projetos com propostas semelhantes, mas o custo de produção e
implantação faz com que seja muito caro e não valha a pena para uma baixa escalabilidade. Assim, uma
das propostas do projeto é a redução de custo por meio da utilização de um controlador Teensy 3.0.
Outro objetivo é a redução de gasto de energia pelo próprio sistema, pois, em um dia que tenha
baixa incidência de raios solares talvez não seja benéfico a movimentação do sistema mesmo que tenha
por objetivo receber uma maior luminosidade.
2.6. Justificativa do trabalho
O trabalho é justificado pela necessidade de uso de energias renováveis existente no atual contexto
e também na otimização do uso da energia solar, que é o foco do trabalho. Assim, com o aumento da
eficiência dos painéis solares pela possibilidade de posicioná-lo em relação à radiação solar incidente, é
possível obter maior energia.
No entanto, para o posicionamento relativo do painel, há um gasto energético com o acionamento
dos motores, que também foi pensado no trabalho em questão. Desta forma, a frequência de acionamento
foi pensada de forma a minimizar o consumo de energia do projeto, controlado por um modelo
matemático.
Com isso, é viável considerar que o foco da aplicação realizada no trabalho é uma necessidade
existente no mundo, que sofre com efeitos ambientais causados pelas fontes de energia não renováveis.
Além disso, o sistema de rastreamento solar desenvolvido é simples, tem baixo custo e ainda há a
preocupação em ser o mais eficiente possível por meio da implementação do modelo de decisão de
viabilidade de movimentação do painel (citado no parágrafo anterior).
2.7. Tópico da Teoria de controle utilizado
O trabalho utiliza um controlador do tipo PID (proporcional integral derivativo) para
monitoramento da luminosidade no painel solar. Para esse fim esse tipo é adequado, pois torna o processo
mais simples de implementar pela sua aplicabilidade a praticamente qualquer microcontrolador, trazendo
um custo reduzido para o sistema. Esse é um diferencial em relação a outros trabalhos que utilizam
controladores digitais de sinais.
Para a implementação do sistema foi adotada a técnica de controle por realimentação de saída, que
força o erro de rastreamento tender a zero. A explicação detalhada do funcionamento dessa técnica no
trabalho em questão será dada no tópico 2.8 (procedimento seguido). Além disso, no trabalho o conceito
de setpoint do sistema, que é em relação à posição ideal do sistema de acordo com a luminosidade
incidente.
É utilizado também o método de Ziegler-Nichols para a sintonia do controlador PI escolhido, que
será aprofundado no tópico 2.8. Esse controlador clássico na literatura foi escolhido pela vasta utilização e
simplicidade de implementação.
2.8. Procedimento seguido (metodologia)
Para a construção do sistema de monitoramento e controle do painel solar foram utilizadas
equações dinâmicas do motor e relações geométricas do mecanismo criado. O motor que controla o
movimento do painel é do tipo DC, que possui o esquema de acionamento representado na figura a seguir:
Figura 1. Esquema de acionamento do motor DC
Os LDRs (Light Dependent Resistors) são fixados nas laterais da célula fotovoltaica e são
responsáveis por detectar a posição do sol ao decorrer do dia, de forma que ficam voltados para o céu
(ângulo de 65°). A equação da dinâmica do motor DC é dada em função posição angular:
Figura 2. Equação do motor DC
Para estudo da geometria do protótipo do rastreador montado foi feita uma análise geométrica do
movimento dos LDRs numa circunferência imaginária, representada na figura abaixo:
Figura 3. Geometria do painel
Assim, pode-se entender que o deslocamento S representa o comprimento de arco S definido por
.
Para ter a equação que descreve o erro de rastreamento do protótipo foi feita uma análise a partir
das tensões elétricas medidas nos circuitos dos LDRs 1 e 2. O erro de rastreamento solar é definido como
Após algumas análises é obtida a equação , que relaciona os erros e , sendo o𝑒 𝑒
𝑠
𝑒
𝑠
erro de deslocamento (S - S*). A equação do modelo completo é obtida pela dupla derivação da equação
de definida acima. Ao final dos cálculos é obtido o modelo completo do erro de rastreamento:𝑒
𝑠
Para que esse erro de deslocamento tenda a zero, o trabalho adota a técnica de controle por
realimentação de saída definida no diagrama de blocos abaixo:
Figura 4. Diagrama de blocos
Na figura acima, é a equação do controlador que será desenvolvido para gerar a𝐶(𝑠)
tensão . A planta, como visto no diagrama, é um sistema de segunda ordem que possui um𝑉
𝑚
polo estável e um na origem. As constantes e são positivas e, por isso, foi adotado oβ α
controlador PI:
Para a sintonia deste controlador foi utilizado o método Ziegler-Nichols, com os seguintes
parâmetros: tempo de resposta T, atraso L e ganho K, que foram obtidos pela curva de resposta ao
degrau unitário do sistema. Para obter essa curva de forma experimental, foram feitos testes com
uma fonte luminosa fixa sobre o sistema. A curva obtida foi:
Figura 5. Curva experimental
Os resultados de , e foram obtidos pela análise da curva e os𝑇 = 166 𝑚𝑠 𝐿 = 164 𝑚𝑠 𝐾 = 66
ganhos e do controlador foram calculados pela tabela a seguir:𝐾
𝑝
 𝐾
𝑖Figura 6. Ziegler-Nichols
2.9. Resultados e discussão
O trabalho apresenta um sistema supervisório desenvolvido para que o usuário possa acessar os
dados do sistema. Foi-se monitorada a geração de uma placa solar em uma posição fixa com inclinação de
-22 graus ao longo do ano, para isso foi considerada a latitude da cidade do Rio de Janeiro. A partir disso,
foi constatado que, ao longo do ano, com a variação da declinação solar, ocorre uma variação da eficiência
da placa.
A partir da análise dos valores obtidos, é possível simular o movimento da placa de acordo com a
altitude solar para um ganho de 37%, tendo em vista que este é um valor teórico máximo.
Apesar disso, é importante levar em conta que temperatura, quantidade de sujeira, entre outras
variáveis influenciam na eficiência, porém neste artigo os autores consideraram as boas práticas de
manutenção.
Vale a pena ressaltar que a movimentação do painel requer também um custo de energia, que varia
de acordo com a tecnologia empregada, o rastreamento solar é bastante eficiente em horários que existe
pleno sol e ao final do dia ele deve retornar à sua posição inicial.
2.10. Conclusão dos autores
A pesquisa apresentou um sistema de controle e otimização aplicados a um sistema de
rastreamento solar simples e de baixo custo usando um microcontrolador, bem como propôs um modelo
matemático e de uma heurística de decisão para determinar quais as condições em que existe a viabilidade
para movimentação do painel.
Nesse ínterim, simulações demonstraram um aumento de eficiência máxima de até 37% para
declinação da cidade do Rio de Janeiro. Dados solarimétricos da cidade indicam ainda que os altos
índices de radiação solar locais demonstram a viabilidade da aplicação da metodologia apresentada.
Para trabalhos futuros, os autores pretendem aplicar técnicas diferentes de controle para
determinar quais são mais eficientes ao sistema proposto. Ademais, pretende-se adicionar um segundo
eixo ao sistema a fim de que o mesmo possa captar mais pontos de intensidade de energia solar ao longo
do dia, necessitando de outro processo de otimização ao novo sistema.
3. Conclusão
O controle de sistemas é muito importante para que possamos obter o melhor desempenho possível
de um sistema de controle e também para que os requisitos de desempenho de cada sistema possam ser
analisados e apurados para que o sistema utilizado seja o ideal.
O estudo do artigo possibilitou compreender o comportamento de um sistema de controle por meio
de simulações práticas, o que contribuiu para a bagagem teórica dos alunos, além de possibilitar o
conhecimento de uma tecnologia tão necessária atualmente
Na disciplina de Controle de Sistemas Dinâmicos vimos a teoria sobre o que são e como os
sistemas são formados, aprendemos sobre conceitos teóricos e de que maneira podem ser aplicados, já na
literatura, através de artigos, pudemos ver a teoria ser aplicada em vários projetos e como os autores
escolhem os modelos que serão utilizados e o porquê disso.
O engenheiro de computação utiliza o controle de sistemas para aplicações diversas, ao se
desenvolver um software integrado a um hardware, é necessário ter conhecimento sobre os processos e
como um sistema funciona e quais suas complexidades.
4. Referências
MELO, Cleberson L. A.; MOURA, Marcos G. L.; MILENA F., Milena F.; ALESSANDRO R. L.,
Alessandro R. L.; MELO, Aurélio G.; MORAES, Camile A. Controle de Um painel Solar Para
Rastreamento de Orientações de Máxima Geração de Potência. Sociedade Brasileira de Automática, [S.
l.], p. 1-8, 8 dez. 2020. DOI https://doi.org/10.48011/asba.v2i1.1094. Disponível em:
https://www.sba.org.br/open_journal_systems/index.php/cba/article/view/1094. Acesso em: 28 jan. 2022.
https://www.sba.org.br/open_journal_systems/index.php/cba/article/view/1094