TCC IFRN

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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RIO GRANDE 
DO NORTE 
FUNDAÇÃO DE APOIO A EDUCAÇÃO E AO DESENVOLVIMENTO TECNOLÓGICO 
DO RIO GRANDE DO NORTE 
PETRÓLEO BRASILEIRO S.A 
 
 
 
 
 
 
MARCIEL BEZERRA DE MOURA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ESTUDO SOBRE ENERGIAS RENOVÁVEIS ATRAVÉS DE KITS DIDÁTICOS 
 
 
 
 
 
 
Orientador: M.e Clayton Antônio de Miranda Oliveira 
 
______________________________________ 
 
Co-orientador: Dr. Marinaldo Pinheiro de Sousa Neto 
 
______________________________________ 
 
 
 
 
 
 
 
 
MOSSORÓ-RN 
JAN/2016 
MARCIEL BEZERRA DE MOURA 
 
 
 
ESTUDO SOBRE ENERGIAS RENOVÁVEIS ATRAVÉS DE KITS DIDÁTICOS 
 
 
Relatório técnico-científico apresentado ao 
Programa de Formação de Recursos Humanos 
da Petrobrás (PFRH) - Nível Técnico Nº 03 em 
parceria com o Instituto Federal de Educação, 
Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Norte, 
em cumprimento as exigências legais do 
Programa. 
Orientador: M.e Clayton Antônio de 
Miranda Oliveira 
 
______________________________________ 
 
Co-orientador: Dr. Marinaldo Pinheiro de 
Sousa Neto 
 
______________________________________ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MOSSORÓ-RN 
JAN/2016 
AGRADECIMENTOS 
A todos os colegas que nos ajudaram nos momentos em que precisamos, desde 
as simples pesquisas sobre os materiais até as ajudas em questão de logística e apoio. 
Em especial aos outros grupos do PFRH, ao qual pudemos realizar um trabalho de 
cooperação onde todos saiam beneficiados, e aos bolsistas monitores do laboratório de 
eletrônica da instituição, que nos auxiliaram fornecendo o local necessário para nossas 
atividades. 
A todos os professores do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia 
do Rio Grande do Norte (IFRN) que puderam contribuir com seus conhecimentos acerca 
dos determinados assuntos que estudamos durante todo o projeto. Em especial, os 
mestres que lecionavam nossas matérias técnicas da nossa grade curricular. 
A Petrobrás pelo incentivo à pesquisa acadêmica e científica e pelo apoio 
financeiro proporcionado por meio do Programa Petrobrás de Formação de Recursos 
Humanos (PFRH). 
A Deus, nosso senhor, razão pela nossa existência. 
RESUMO 
Em virtude da eminente escassez das fontes energéticas de combustíveis 
fósseis, principal meio ao qual obtemos energia atualmente, é necessária uma busca por 
alternativas de geração de energia que tenham outra matriz energética, e que, devido 
aos problemas ambienteis enfrentados atualmente em todo o mundo, também satisfaçam 
nossas necessidades de redução dos impactos ambientais causados por estas. Com 
isso, nosso objetivo foi estudar sobre essas fontes alternativas de energia, mais 
especificadamente a energia solar, a energia eólica e as células de hidrogênio, através 
de kits didáticos fornecidos pela instituição de fins pedagógicos. Nossa metodologia se 
fundamentou em práticas laboratoriais com esses kits, aos quais fizemos uma série de 
atividades experimentais baseando-se em apostilas e manuais desses materiais, que 
especificavam quais ações deveríamos fazer nas determinadas práticas, no intuito de 
garantir nosso conhecimento através da experiência. Também foram necessárias 
diversas pesquisas e estudos sobre o funcionamento e construção dos sistemas 
energéticos que estávamos estudando, além da adição de novos materiais a partir do 
desenvolvimento dos nossos conhecimentos e das nossas necessidades, sempre 
buscando uma aplicação para nosso estudo. Ao final do projeto, devido aos nossos 
estudos sobre a área especificada, pudemos expandir nossos conhecimentos acerca do 
assunto, além de desenvolver alguns projetos com fins práticos e pedagógicos para 
nossas atividades que envolvam os combustíveis renováveis, com a participação de 
eventos nos quais pudemos expor nossas ideias para o público em geral. Conclui-se que 
este ramo da engenharia elétrica e da eletrotécnica é de exímia importância na 
atualidade, devido à expansão das energias renováveis e alternativas em muitos setores 
da indústria e no uso domiciliar. Porém, ainda faz parte de um estudo em 
desenvolvimento que, através de projetos de pesquisa e de extensão, pode encontrar 
novos conhecimentos que desenvolverão as tecnologias envolvidas no sistema de 
geração e transmissão dessas matrizes, ampliando e melhorando cada vez mais nosso 
sistema energético, diminuindo nossa dependência em relação aos combustíveis fósseis 
e garantindo menores danos ao meio ambiente. 
Palavras-chave: Energias renováveis. Kit didático. Geração de energia. 
LISTA DE ILUSTRAÇÕES 
Figura 1 - A imagem apresenta todos os materiais listados. 11 
Quadro 1 - Um módulo sem controlador e válvula de purga (Reostato 319Ω). 12 
Quadro 2 - Um módulo com controlador e válvula de purga (Reostato 319Ω). 12 
Figura 2 - Módulos solares fotovoltaicos do sistema fotovoltaico. 17 
Figura 3 - Controlador de carga do sistema fotovoltaico. 17 
Figura 4 - Tripé com refletor utilizado nas simulações do sistema fotovoltaico. 18 
Figura 5 - Medição dos módulos separadamente. 19 
Figura 6 - Medição dos módulos em paralelo. 20 
Figura 7 - Circuito de controle montado. 21 
Quadro 3 - Características do rotor. 26 
Figura 8 - Painel Montado junto à bateria e ao Aerogerador. 25 
Figura 9 - Esquema do Projeto. 26 
Figura 10 - Tensão (V), Potencia (W) e corrente (A) medidos. 27 
Figura 11 - Gráfico de Tensão x Tempo. 27 
Figura 12 - Gráfico de Potência x Tempo. 28 
 
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS 
Min Minutos. 
Conversor 
CC/CC 
Circuito eletrônico que converte uma tensão ou corrente contínua que tem uma 
determinada amplitude, em outra tensão ou corrente contínua com outra amplitude 
diferente. 
 
LED Diodo emissor de luz 
CC Fluxo ordenado de elétrons (corrente) sempre numa direção 
CA Fluxo de elétrons (corrente) cujo sentido dos elétrons varia no tempo. 
m/s Unidade derivada no Sistema Internacional de Unidades (SI) para medição da 
velocidade de um corpo. 
 
LISTA DE SÍMBOLOS 
Ω É a unidade de medida da resistência elétrica, padronizada pelo sistema Internacional 
de Unidades. Corresponde à relação entre a tensão (medida em volts) e uma corrente 
(medida em ampères) sobre um elemento, seja ele um condutor ou isolante. 
 
A Unidade de medida do Sistema Internacional de Unidades de intensidade de corrente 
elétrica. 
V Unidade de tensão elétrica do Sistema Internacional de Unidades, a qual denomina o 
potencial de transmissão de energia, em Joules, por carga elétrica, em Coulombs, 
entre dois pontos distintos no espaço. 
W Unidade de potência do Sistema Internacional de Unidades (SI). É equivalente a um 
joule por segundo (1 J/s). 
Vcc Tensão elétrica em corrente contínua. 
Vca Tensão elétrica em corrente alternada. 
 
SUMÁRIO 
1 INTRODUÇÃO 8 
2 ANÁLISE E RECONHECIMENTO DOS KIT’S 9 
3 CÉLULA DE COMBUSTÍVEL A HIDROGÊNIO 10 
3.1 Relação de materiais do kit de células 10 
3.2 Montagem e testes de carga 11 
3.3 Ligação de células em conversor CC/CC em cargas de corrente 
contínua 
13 
4 SISTEMA FOTOVOLTAICO 15 
4.1 Kit de energia solar 16 
4.2 Componentes do kit de energia solar 17 
4.3 Atividade laboratoriais envolvendo o kit do sistema fotovoltaico 19 
4.3.1 Atividade laboratorial 1 20 
4.3.2 Atividade laboratorial 2 21 
5 GERAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA NO BRASIL 23 
5.1 Componentes do kit de energia eólica 24 
5.2 Área de varredura do rotor 24 
5.3 Aplicação da lei de Betz 25 
5.4 Testes com carga 25 
6 SISTEMA DE MONITORAMENTO DE ENERGIA EÓLICA 27 
6.1 Resultados obtidos 27 
7 CONSIDERAÇÕES FINAIS 30 
 REFERÊNCIAS 31 
8 
1 INTRODUÇÃOAo longo das últimas décadas vivenciamos um período de grande 
industrialização, no Brasil e nos demais países, de uma maneira geral. Este crescimento 
acentuado só foi possível, primeiramente, pelo aumento da capacidade de fornecimento 
de energia, independentemente de sua origem. No entanto, o sentimento de que vale a 
pena crescera qualquer custo parece ter sido alterado, e atualmente já podemos notar 
preocupações reais quanto à necessidade de um crescimento sustentável, que se faça 
valer dos recursos naturais sem impactar demasiadamente o meio ambiente. Assim, o 
estudo das energias renováveis, como as células de combustíveis a hidrogênio, a energia 
solar e a energia eólica, tem conseguido uma grande importância no mercado e vem 
ganhando cada vez mais espaço. É notório que os impactos ambientais, que ocorrem 
diariamente devido a queima de combustíveis fósseis, prejudicam o meio ambiente de 
forma devastadora, assim como também é notório que os combustíveis fósseis estão 
cada vez mais escassos, portanto, é de exímia importância encontrar alternativas que 
consigam suprir essa demanda de energia que cada vez aumenta, integrado ainda com 
o progresso. 
Devido a esses fatores, foi iniciado pelo grupo um estudo sobre esse tipo de 
energia, uma energia limpa e renovável, onde foram utilizados kits laboratoriais a fim de 
conseguir entende-la da melhor forma e criar possíveis sistemas que consigam integrar 
e implementar esse novo tipo de energia de maneira muito mais eficiente. 
9 
2 ANÁLISE E RECONHECIMENTO DOS KIT’S 
 
Partindo da necessidade de aprimorar e estender os conhecimentos foi realizado 
inicialmente, junto ao professor orientador, uma breve pesquisa acerca da situação em 
que se encontrava a utilização de cada sistema renovável (eólico, solar e células de 
combustível a hidrogênio) em nosso país. Com base nesses resultados, adotou-se como 
segundo passo o estudo relacionado ao reconhecimento das partes funcionais dos kits, 
a começar pelo kit de célula de combustível a hidrogênio. 
10 
3 CÉLULA DE COMBUSTÍVEL A HIDROGÊNIO 
 
Uma célula de combustível a hidrogênio pode ser definida como um dispositivo 
eletroquímico que transforma continuamente a energia química em energia elétrica desde 
que seja fornecido o combustível e o oxidante. Recorrendo à eletrólise é possível obter 
hidrogénio com elevado grau de pureza. No entanto, o custo de obtenção de hidrogénio 
a partir desse processo é bastante elevado, quando comparado com a obtenção de 
hidrogénio a partir de combustíveis fósseis. Este processo é relativamente eficiente, mas 
as perdas de energia crescem acentuadamente quando a densidade de corrente é 
elevada. O hidrogênio é fornecido ao ânodo, enquanto o oxigênio é fornecido ao cátodo. 
O combustível é oxidado eletroquimicamente na superfície do ânodo, onde o catalisador 
promove a separação dos elétrons dos átomos de hidrogênio, gerando íons positivos. O 
eletrólito permite a passagem dos íons do ânodo para o cátodo, mas bloqueia a 
passagem dos elétrons, os quais são forçados a seguirem por um circuito exterior à célula 
e utilizados para produzirem trabalho (CC). Os íons de hidrogênio, quando chegam ao 
cátodo (através do eletrólito) se juntam com os elétrons que voltaram do circuito exterior 
e com os átomos de oxigênio já presentes, reagindo e formando a água em sua forma de 
vapor. 
 
3.1 Relação de materiais do kit de células 
Durante a etapa de reconhecimento dos materiais do kit, foram listados os 
seguintes componentes: 
a) Cilindros de hidretos metálicos Hydrostik 
b) Estrangulador (válvulas manuais 
c) Conjunto de mangueiras de silicone 
d) Conectores modelo em Y 
e) Regulador de pressão 
f) Válvula de purga 
g) Eletrolisador Hydrofill 
h) Ácido málico 
i) Conversor CC/CC 
11 
j) Lâmpadas de LEDs 12 Vcc 
k) Reostato, Motor elétrico 
l) Amperímetro analógico 
m) Fusível, Chave interruptora 
n) Controlador de módulo de células a combustível 
o) Blocos de terminais 
p) Pinos cônicos 
q) Condutores vermelho e preto 
A figura 1, ilustra os componentes estudados prontos para serem utilizados. 
 
Figura 1 - A imagem apresenta todos os materiais listados. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
3.2 Montagem e testes de carga 
 
Junto a um manual presente no kit, montamos cada componente do kit a fim de 
começar a realizar testes e demonstrar a eficiência do sistema. Primordialmente foi feito 
testes de carga com o auxílio de um reostato e um multímetro digital, para determinar a 
12 
curva característica dos cilindros de armazenamento em diversas situações, utilizando a 
válvula de purga ou sem utilizá-la, ou mesmo utilizando duas células em série para 
maximizar a tensão. Obtemos os seguintes valores de tensão e corrente para cada 
situação, conforme os quadros abaixo: 
 
Quadro 1 - Um módulo sem controlador e válvula de purga (Reostato 319Ω). 
Tempo(min) Carga em % Corrente(A) Tensão(V) 
2 100 0,0 8,22 
3 20 0,1 7,90 
4 10 0,2 7,58 
5 9 0,3 7,50 
6 7 0,4 7,34 
7 5 0,4 7,19 
8 3 0,6 6,59 
9 2 1,2 5,14 
10 1 1,5 0,27 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
Quadro 2 - Um módulo com controlador e válvula de purga (Reostato 319Ω). 
Tempo(min) Carga em % Corrente(A) Tensão(V) 
2 100 0,0 8,48 
3 20 0,1 8,09 
4 10 0,3 7,46 
5 9 0,4 7,33 
6 7 0,4 7,23 
7 5 0,5 6,01 
8 3 0,6 5,15 
9 2 0,6 2,78 
10 1 0,7 0,07 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
13 
 
3.3 Ligação de células em conversor CC/CC em cargas de corrente contínua 
 
Nesta etapa, os testes tinham como objetivos: 
a) Fornecer energia dos módulos (stacks) de células a combustível, ligadas em série 
a uma carga em corrente contínua, de 12Vcc, utilizando um conversor CC/CC, e 
sem o uso do controlador da célula a combustível (sem purga e sem técnica de 
ativação catalítica). 
b) Determinar se a tensão de saída da ligação em série atende a faixa de tensão de 
entrada do conversor CC/CC. 
Ao ligar todo circuito, medimos a tensão e corrente de saída dos terminais da 
célula de combustível 1 minuto após serem ligadas, pois teríamos que verificar se estaria 
de acordo com a tensão de entrada do conversor cc/cc. obtivemos os seguintes valores 
de tensão e corrente após o tempo determinado: 15,1 V e 0 A (pois não havia carga). 
Como a tensão de saída das células estava de acordo com o limite demarcado pelo 
conversor, conectamos os terminais da célula ao conversor e medimos a tensão e 
corrente de saída do próprio e obtivemos os seguintes resultados: 12,1V e 0,1A (a carga 
existente era apenas a resistência interna do conversor). 
Com todos os padrões respeitados, medimos a tensão e corrente de saída do 
conversor CC/CC com 1 lâmpada de lede ligada, obtivemos os seguintes resultados: 
12,12V e 0,4A. 
Após isso ligamos a segunda lâmpada de LED (conforme a figura 3), e obtivemos 
os seguintes resultados de tensão e corrente: 12,2V e 0,7A. 
14 
4 SISTEMA FOTOVOLTAICO 
 
Um sistema de energia solar fotovoltaico, também chamado de sistema de 
energia solar ou, ainda, sistema fotovoltaico, é um sistema capaz de gerar energia elétrica 
através da radiação solar. 
Existem dois tipos básicos de sistemas fotovoltaicos: Sistemas Isolados (Off-grid) 
e Sistemas Conectados à Rede (Grid-tie). Os Sistemas Isolados são utilizados em locais 
remotos ou onde o custo de se conectar à rede elétrica é elevado. São utilizados em 
casas de campo, refúgios, iluminação, telecomunicações, bombeio de água, etc. Já os 
Sistemas Conectados à rede, substituem ou complementam a energia elétrica 
convencional disponível na rede elétrica. No caso o kit utilizado no nosso projeto se 
enquadra no tipo Off-grid, mas cuja finalidadenão é abastecer nenhuma carga 
permanentemente, sendo usado apenas para fins didáticos. 
As células fotovoltaicas (ou células solares) são feitas a partir de materiais 
semicondutores (normalmente o silício). Quando a célula é exposta à luz, parte dos 
elétrons do material iluminado absorve fótons (partículas de energia presentes na luz 
solar). Os elétrons livres são transportados pelo semicondutor até serem puxados por um 
campo elétrico. Este campo elétrico é formado na área de junção dos materiais, por uma 
diferença de potencial elétrico existente entre esses materiais semicondutores. Os 
elétrons livres são levados para fora da célula solar e ficam disponíveis para serem 
usados na forma de energia elétrica. 
O sistema fotovoltaico não depende de alta intensidade luminosa para seu 
funcionamento, porém a energia gerada em sua quantidade depende do número de 
nuvens presentes durante a insolação, já que um céu completamente sem nuvens pode 
prejudicar na absorção da energia solar, devido à fenômenos relacionados à reflexão da 
luz. É preferível então que o céu possua um número baixo de nuvens, porém não 
escasso. Também é favorável o fator pluviométrico do local, pois uma alta pluviosidade 
pode prejudicar no trabalho de absorção da luz solar. 
A eficiência da conversão é medida pela proporção de radiação solar incidente 
sobre a superfície da célula que é convertida em energia elétrica. Atualmente, as células 
mais eficientes proporcionam 25% de eficiência. 
15 
Atualmente existe em desenvolvimento projetos de geração de energia 
fotovoltaica para suprir as demandas energéticas de algumas localidades, como 
comunidades rurais e isoladas. Estes projetos focam algumas áreas como: 
bombeamento de água para abastecimento doméstico, irrigação e piscicultura; 
iluminação pública; sistemas de uso coletivo (eletrificação de escolas, postos de saúde e 
centros comunitários); atendimento domiciliar. 
Esse tipo de geração se destaca por seus vários pontos positivos, entre os quais 
se destacam: o fato de ser uma energia limpa, ou seja, que não emita nenhum tipo de 
poluente durante sua produção, como o dióxido de enxofre (SO2) e dióxido de carbono 
(CO2); precisar de áreas não tão extensas quanto outros tipos de geração precisa, como 
as hidrelétricas; a não dependência da alta irradiação para uma produção eficiente; e a 
facilidade de manutenção, onde o principal cuidado deve ser tomado apenas com a 
limpeza dos painéis. Entre as principais desvantagens temos o custo relativamente alto 
para sua instalação, o fato de que as condições naturais podem afetar no seu rendimento 
e os impactos socioambientais causados na mineração da sua matéria-prima, 
principalmente do Silício. 
 
4.1 Kit de energia solar 
 
O sistema fotovoltaico da Estação de Estudos em Energias Renováveis e 
Hidrogênio é composto por dois módulos solares fotovoltaicos com potência nominal de 
20Wp, um controlador de carga que monitora o processo de carga das baterias para o 
armazenamento da energia produzida, dentre outras funções, componentes de controle 
e monitoramento (fusível, amperímetro, interruptor ou chave), inversor de corrente 
contínua em alternada, cargas em 12 Vcc (lâmpadas de LEDs, motor elétrico e 
eletrolisador) e cargas em corrente alternada (lâmpadas de LEDs 110Vca). Para simular 
a irradiação da luz solar no laboratório, também se fazia presente um tripé com refletor e 
lâmpada de 1000W. 
Os módulos solares fotovoltaicos podem ser ligados eletricamente em série ou 
em paralelo, dependendo da atividade de laboratório a ser realizada. Porém, quando o 
16 
sistema for montado com o inversor (12Vcc/110Vca), os módulos solares deverão ser 
ligados em paralelo no controlador de carga. 
As células solares fotovoltaicas devem ser conectadas em conjunto para atender 
diferentes características de tensões e correntes para atender uma determinada 
aplicação. Então, usando-se mais de um módulo solar fotovoltaico, teremos que atender 
as características de tensão e corrente do nosso sistema. 
Ligando-se os painéis em série, conseguimos alcançar um valor igual à soma dos 
valores de tensão gerados por cada uma individualmente. Na configuração em série, a 
mesma corrente flui ao longo dos módulos solares fotovoltaicos e da carga. Esse arranjo 
permite que múltiplos módulos solares fotovoltaicos sejam combinados para fornecer 
energia a um equipamento que precisa de uma fonte com maior tensão, como usar dois 
painéis de 12Vcc cada para alcançar um valor de 24Vcc que abastecerá uma possível 
carga. Quando os painéis são ligados em paralelo, o valor do nível de tensão será o 
mesmo que o menor valor de algum dos painéis (sendo que os painéis foram construídos 
para possuírem o mesmo valor de tensão). No caso de dois painéis de 12Vcc ligados em 
paralelo, o nível de tensão será de 12Vcc. Essa montagem é favorável para casos que 
necessitam de alta corrente CC, pois a corrente gerada é a soma de todas as correntes 
geradas individualmente por cada painel. 
 
4.2 Componentes do kit de energia solar 
 
O kit do sistema fotovoltaico, usado no nosso projeto para o estudo da geração 
da energia solar, apresentava os seguintes componentes, dos quais foi necessário um 
estudo para o entendimento do seu completo funcionamento: 
a) Módulos Solares Fotovoltaicos: dispositivos utilizados para converter a energia da 
luz do Sol em energia elétrica. A tecnologia utilizada é a de células policristalinas. 
17 
Figura 2 - Módulos solares fotovoltaicos do sistema fotovoltaico. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
b) Controlador de Carga: utilizado para receber a eletricidade produzida pelos 
módulos solares fotovoltaicos, carregar adequadamente as baterias e fornecer 
energia em 12 ou 24 volts para as cargas a serem alimentadas. 
Figura 3 - Controlador de carga do sistema fotovoltaico. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
c) Tripé com refletor e lâmpada de 1000W: usado para simular os raios solares dentro 
do laboratório. 
18 
Figura 4 - Tripé com refletor utilizado nas simulações do sistema fotovoltaico. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
d) Lâmpadas de LEDs 12Vcc: Lâmpadas de LEDs com bastante eficiência e alta 
potência, são usadas como cargas CC. 
e) Motor elétrico: utilizado como carga indutiva em algumas práticas. 
f) Inversor: componente responsável em converter a tensão 12Vcc em corrente 
contínua para 110Vca em corrente alternada. 
g) Amperímetro analógico: dispositivo para medição da corrente elétrica que passa 
pelo circuito de controle e monitoramento dos módulos de células a combustível. 
h) Fusível: utilizado para limitar a corrente máxima permitida no circuito de controle e 
monitoramento dos módulos solares fotovoltaicos e bateria. 
i) Chave Interruptora: utilizado para permitir ou não a passagem de corrente 
produzida pelo (s) módulo (s) solares. 
 
4.3 Atividade laboratoriais envolvendo o kit do sistema fotovoltaico 
 
Nas práticas laboratoriais, foram realizadas algumas atividades com os itens 
presentes no sistema fotovoltaico. Porém, devido a problemas com a simulação da 
irradiação solar, motivado por um eventual defeito no refletor presente no tripé (cuja 
19 
lâmpada interna já estava em péssimas condições e não foi possível uma substituição 
desse material pela falta desse componente na instituição), só foram possíveis a 
realização das duas primeiras práticas presentes na apostila de estudo sobre o sistema 
solar fotovoltaico. 
Essas práticas realizadas tinham como objetivo o teste de tensão de saída de 
cada módulo solar fotovoltaico e a montagem do circuito básico de controle e 
monitoramento do sistema solar fotovoltaico não interligado à rede (off grid).4.3.1 Atividade laboratorial 1 
Nessa atividade, foram montados os sistemas com os dois módulos solares, 
tanto em série quanto em paralelo, para calcular a tensão em casa caso. Mas antes, 
mediu-se com um multímetro digital a tensão de cada módulo separadamente na luz 
ambiente do próprio laboratório: 
a) Valor de tensão do Módulo Solar I (luz ambiente): 8,24V 
b) Valor de tensão do Módulo Solar II (luz ambiente): 8,23V 
 
Figura 5 - Medição dos módulos separadamente. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
Em seguida, montamos os módulos em série e medimos a tensão com o 
multímetro: 
20 
a) Valor da Tensão dos Módulos Solares em Série: 16,44V (aproximadamente o valor 
da soma dos valores medidos separadamente dos módulos). Após isso, montamos 
e medimos o sistema em paralelo: 
b) Valor da Tensão dos Módulos Solares em Paralelo: 8,20V. Ainda em paralelo, 
medimos a tensão separada de cada um dos módulos: 
c) Valor da Tensão dos Módulos Solares em Paralelo (módulo I): 8,20V; 
d) Valor da Tensão dos Módulos Solares em Paralelo (módulo II): 8,20V. 
As tensões foram iguais, pois como já explicado, na configuração paralelo a 
tensão se mantém a mesma sendo dividida apenas a corrente entre os dois módulos. 
 
Figura 6 - Medição dos módulos em paralelo. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
4.3.2 Atividade laboratorial 2 
As células solares fotovoltaicas, painéis e módulos solares fotovoltaicos 
produzem tensão de saída sempre que estão expostos a luz, possuindo seus dispositivos 
de controle que separam os módulos solares do restante do sistema. Nessa experiência, 
foi realizado o teste dos componentes de segurança do sistema solar fotovoltaico, dentre 
eles o fusível, amperímetro e a chave de ligar e desligar. Além disso, também realizamos 
a montagem do circuito básico de controle e monitoramento do sistema solar fotovoltaico 
não interligado à rede. 
21 
 
Inicialmente, medimos a resistência do interruptor: 
a) Na posição liga: 0,2 Ω; 
b) Na posição desliga: Não se obteve valor, pois este tende ao infinito. 
Depois, medimos a resistência da porta fusível com o mesmo, removido, e após, 
com ele no lugar, obtendo os seguintes valores: 
a) Sem o fusível: não pôde ser medido; 
b) Com o fusível: 0,1 Ω. 
c) Resistência do amperímetro: 0,2 Ω. 
Após esses procedimentos, montamos o circuito de controle do sistema 
fotovoltaico (sem o controlador de carga), e medimos a tensão dos módulos solares 
apenas para verificação da correta montagem do circuito. 
Figura 7 - Circuito de controle montado. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
22 
5 GERAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA NO BRASIL 
 
O kit de energia eólica foi o próximo alvo de estudo do projeto. Tal fase foi iniciada 
com uma pesquisa aprofundada sobre a energia eólica e suas características, seus 
pontos positivos e negativos, sua influência dentre as fontes renováveis e o potencial 
eólico brasileiro. 
A energia eólica é a energia cinética contida nas massas de ar. Seu 
aproveitamento é oriundo da transformação da energia eólica de translação para a 
energia cinética de rotação, que passando por um processo, gera energia elétrica. 
Esse tipo de energia já era usado há tempos para o bombeamento de água, mas 
nas últimas décadas ela ganhou muito mais atenção ao se tornar umas das principais 
fontes renováveis energéticas. Ao longo dos anos, mas essa energia se torna mais 
eficiente, o que traz grandes visões para um futuro que não dependa dos combustíveis 
fósseis. 
Dentre os pontos positivos, encontram-se os fatos de ser uma fonte “inesgotável”; 
de ser uma energia limpa; é uma fonte barata; as suas usinas encontram-se em regiões 
que ainda podem ser utilizadas para outras atividades e requerem poucos gastos com 
combustível e pouca manutenção. Mas também possui pontos negativos, como produzir 
ruídos constantes, gerando uma intensa poluição sonora; depende das condições 
naturais, que por hora não podem ser favoráveis; impacto visual devido aos 
aerogeradores e impacto na fauna aviária. 
As usinas são constituídas por diversos aerogeradores espalhados por uma 
região. O processo de transformação de energia eólica para a energia elétrica se dá da 
seguinte forma. Constituem-se de grandes turbinas, geralmente com formatos de 
moinhos ou cata-ventos, que possuem aerogeradores agrupados, estes são os 
responsáveis pela transformação da energia. O vento empurra a pá, transferindo sua 
energia mecânica para esse componente, sendo assim o modo de como a turbina eólica 
“captura” a energia do vento. Essa energia vai até o aerogerador, onde é transformada 
em eletricidade. O aerogerador é formada basicamente por três componentes: as pás do 
rotor (transfere a energia eólica para o rotor), o rotor (transfere sua energia para o eixo, 
e este para o gerador) e o gerador (produz a energia elétrica). 
23 
O Brasil é um país que possui um grande uso dessa energia, se tornando um 
destaque internacional. Os principais estados produtores são o Rio Grande do Sul e Rio 
Grande do Norte. Ainda assim, essa fonte ainda é mais usada para atividades como 
bombear água, aquecer ambientes, ligar máquinas diversas, moer grãos, usos 
domésticos ou de pequenas empresas. 
 
5.1 Componentes do kit de energia eólica 
 
O kit de energia eólica, utilizado como objeto de estudo, apresenta os seguintes 
componentes, dos quais foram necessários estudos para compreensão do 
funcionamento do kit: 
a) Aerogerador: O aerogerador utilizado na Estação de Estudos em Energias 
Renováveis e Hidrogênio pode gerar potência de saída de 160W para velocidades 
do vento em 12,5 m/s. 
b) Lâmpadas de LEDs 12Vcc: Lâmpadas de LEDs com bastante eficiência e alta 
potência, são usadas como cargas CC. 
c) Lâmpadas de LEDs CA: Usadas como cargas de corrente alternada. Possuem 
uma alta potência e eficiência luminosa. 
d) Inversor: componente responsável em converter a tensão 12Vcc em corrente 
contínua para 110Vca em corrente alternada. 
e) Anemômetro: dispositivo responsável pelo armazenamento de dados sobre as 
características do vento, tais como velocidades e direção do vento, além da 
radiação solar. 
 
5.2 Área de varredura do rotor 
 
Durante esta etapa proposta pelo manual do kit de energia eólica, foi estudado o 
rotor presento no aerogerador para saber suas características de geração de energia. 
 
 
24 
Quadro 3 - Características do rotor. 
Área de varredura (m²) Potência do Vento (W) Densidade de Potência de 
Vento Disponível (W/m²) 
1,06 106,8 100,8 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
5.3 Aplicação da lei de Betz 
 
O estudo dos aerogeradores tem um pilar importante a ser visto, Albert Betz, um 
físico alemão que concluiu que: “Nenhuma turbina eólica pode converter mais do que 
16/27 (59.3%) da energia cinética do vento em energia mecânica no rotor” (BETZ, 1919 
apud BOCCARD, 2008). 
Até aos dias de hoje isto é conhecido pelo limite de Betz ou a lei de Betz. Este 
limite nada tem a ver com ineficiências no gerador, mas sim na própria natureza das 
turbinas eólicas. 
Para dar continuidade aos estudos aplicamos os pensamentos de Betz ao kit 
eólico, então para isso primeiramente medimos a velocidade máxima do vento à uma 
distância de 1,5m do ventilador (utilizado para simular vento), que foi de 6,7m/s, e então 
com as informações obtidas na primeira prática, calculamos a potência do vento pela 
formula: P = ½ ρ v³ A, e obtivemos o valor de 195,27 W. Só que segundo Betz uma turbina 
eólica pode extrair no máximo 16/27 da potência disponível no vento, então aplicamos a 
lei de Betz para obter o valor da potência máxima e teórica que pode ser captada pelo 
aerogerador que é 115,72 W, mas como oaerogerador tem eficiência de 35% a potência 
máxima obtida por ele seria de 68,34 W. 
 
5.4 Testes com carga 
 
Finalizando as atividades laboratoriais referente aos kits didáticos, foi realizada a 
última atividade com o objetivo iniciar a exploração sobre a energia elétrica que é 
produzida pelo aerogerador e quais dispositivos são utilizados para monitorar e controlar 
a geração de energia, bem como condicionar a energia produzida para que possa ser 
utilizada adequadamente em cargas em corrente contínua e alternada. 
25 
Primeiramente conectamos a bateria ao painel do kit, juntamente com o 
aerogerador, posicionamos as pontas de prova do multímetro no bloco terminal do kit. 
Verificando que, sem a operação do aerogerador não era detectado nenhum dado, 
relativo a tensão nas diversas posições da chave freio, do aerogerador. A partir daí, 
ligamos o aerogerador à bateria, fechando o circuito até o mesmo atingir velocidade 
máxima, para só então realizar seu sistema de frenagem, provocando um pequeno curto 
em seu micro controlador interno fazendo o aerogerador parar. 
 
Figura 8 - Painel Montado junto à bateria e ao Aerogerador. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
26 
6 SISTEMA DE MONITORAMENTO DE ENERGIA EÓLICA 
 
Afim de compreender e realizar testes de monitoramento mais precisos das 
práticas realizadas no kit de energia eólica, foi desenvolvido um sistema capaz de a partir 
de um microcontrolador, irá projetar os resultados obtidos em um display LCD e junto a 
um SHIELD Ethernet enviará os valores de corrente, tensão e potência, a um software 
responsável pelo armazenamento e comparação dos dados levantados. 
O Arduino que vem tendo uma crescente utilização, foi utilizado para realizar 
medições a fim de comprovar a eficácia e o rendimento dos geradores de energia, 
representado pelo microcontrolador no seguinte esquema: 
Figura 9 - Esquema do Projeto. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
O Microcontrolador Arduino é quem controla as medições do aerogerador, 
através dele, e do shield ethernet consegue enviar para a página da Web os dados para 
catalogo e análise. 
6.1 Resultados obtidos 
 
Através dos conhecimentos obtidos sobre o microcontrolador Arduino e o sistema 
eólico presente na instituição, foram feitas medidas de potência, tensão e corrente que 
estavam presentes no aerogerador em sua velocidade de rotação máxima e mínima. O 
quadro corresponde aos valores obtidos pelo aerogerador em funcionamento com carga 
e em condições de vento favoráveis durante o seu percurso normal e em seu momento 
27 
de frenagem. Com os resultados obtidos, enviamos esses dados medidos no Arduino 
através de um shield Ethernet para uma página da Web, afim de ser acessada de 
qualquer lugar por qualquer aparelho. 
Implementamos o código de envio de dados para que os mesmos fossem 
enviados para a página do site ThingSpeak. Geramos um gráfico no site para saber mais 
detalhadamente o nível de tensão a cada segundo que se passava. A partir da potência 
registrada é possível medir a eficiência do aerogerador na utilização de diferentes cargas. 
Figura 10 - Tensão (V), Potencia (W) e corrente (A) medidos. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
Figura 11 - Gráfico de Tensão x Tempo. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
28 
Figura 12 - Gráfico de Potência x Tempo. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
29 
7 CONSIDERAÇÕES FINAIS 
 
O estágio realizado foi eminentemente satisfatório, à medida em que houve um 
aprofundamento nas principais áreas de energia renovável, como solar, eólica e célula à 
hidrogênio, sendo possível não só o estudo teórico, mas também prático através da 
utilização dos kits didáticos. O tempo foi suficiente para a realização do estágio, tendo 
em vista os resultados satisfatórios por parte dos participantes do projeto. 
A experiência possibilitou um contato direto com a atuação de profissionais da 
área, como os orientadores do projeto, e tornou viável a utilização dos métodos vistos e 
estudados ao longo de todo o curso, possibilitando uma gama maior de conhecimento 
aos envolvidos. 
30 
REFERÊNCIAS 
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wordpress.com/aerogerador-de-eixo-horizontal/custo-comparativo/>. Acesso em: 13 jun. 
2014. 
 
 
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applications>. Acesso em: 04 abr. 2015. 
 
 
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filipeflop.com/arduino/tutorial-ethernet-shield- w5100.html>. Acesso em: 01 maio 2015. 
 
 
ENERGIA EÓLICA. Disponível em: <http://www.fiec.org.br/artigos/energia/energia_ 
eolica.html>. Acesso em: 23 jun. 2014. 
 
 
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de eletricidade via radiação solar? Disponível em: <http://www.ecycle.com.br 
/component/content/article/69-energia/2890-o-que-e-energia-solar-como-funciona-
radiacao-solar-painel-residencial-fotovoltaica-csp-heliotermica-nuclear-eolica-biomassa-
desvantag>. Acesso em: 16 set. 2015. 
 
 
FUNCIONAMENTO de um aerogerador. Disponível em: <http://aero-mini.blogspot. 
com.br/2009/11/funcionamento-de-um-aerogerador_27.html>. Acesso em: 16 jun. 2014. 
 
 
RIO LINK . Estação de estudos de energia renovável: Sistema de energia solar. Rio 
de Janeiro: Rio Link, 2012. 
 
 
RIO LINK. Estação de estudos de energia renovável: Sistema de células de 
combustível. Rio de Janeiro: Rio Link, 2012. 
 
 
RIO LINK. Estação de estudos de energia renovável: Sistema de energia eólica. Rio 
de Janeiro: Rio Link, 2012. 
 
 
SOUZA, Fábio. Arduino - Entradas Analógicas. Disponível em: <http://www. 
embarcados.com.br/arduino-entradas-analogicas/>. Acesso em: 13 jul. 2015. 
 
 
31 
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energia.com/teoria-funcionamento-energia-solar-fotovoltaic/>. Acesso em: 12 nov. 2015. 
THE Arduino Playground. Disponível em: <http://playground.arduino.cc/>. Acesso em: 
01 maio 2015. 
 
 
ELETRÔNICA de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia 
Elétrica. Disponível em:<http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/pdffiles/it744/CAP1 
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TUTORIAL: Como utilizar o Ethernet Shield com Arduino. Disponível em: <http://labde 
garagem.com/profiles/blogs/tutorial-como- utilizar-o-ethernet-shield-com-arduino>. 
Acesso em: 01 maio 2015. 
 
 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPIRITO SANTO. Minicurso Arduino. Disponível 
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01 maio 2015.