Eletrica-2018-21

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CENTRO UNIVERSITÁRIO DINÂMICA DAS CATARATAS 
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA 
 
Missão: “Formar Profissionais capacitados, socialmente responsáveis e 
aptos a promoverem as transformações futuras” 
 
 
 
 
 
 
 
 
EVANDRO COLTRO BEZAGIO 
 
 
 
 
 
DESENVOLVIMENTO E ANÁLISE DE UM PROTÓTIPO DE RASTREAMENTO 
ATIVO DE ENERGIA SOLAR COM DUPLO EIXO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FOZ DO IGUAÇU - PR 
2018 
 
 
 
EVANDRO COLTRO BEZAGIO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
DESENVOLVIMENTO E ANÁLISE DE UM PROTÓTIPO DE RASTREAMENTO 
ATIVO DE ENERGIA SOLAR COM DUPLO EIXO 
 
 
 
 
 
Monografia, apresentada ao Curso de 
Engenharia Elétrica do Centro Universitário 
Dinâmica das Cataratas como requisito para 
obtenção do título de bacharel em Engenharia 
Elétrica. 
 
 Orientador: Mestre Fernando Marcos de Oliveira 
 
 
 
 
 
 
 
 
FOZ DO IGUAÇU - PR 
2018 
 
 
 
TERMO DE APROVAÇÃO 
 
UDC – CENTRO UNIVERSITÁRIO DINÂMICA DAS CATARATAS 
 
DESENVOLVIMENTO E ANÁLISE DE UM PROTÓTIPO DE 
RASTREAMENTO ATIVO DE ENERGIA SOLAR COM DUPLO EIXO 
 
 TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO, REQUISITO PARCIAL PARA 
OBTENÇÃO DO GRAU DE BACHAREL EM ENGENHARIA ELÉTRICA 
 
 
 ________________________________________ 
 EVANDRO COLTRO BEZAGIO 
 
 
_____________________________________________________ 
Orientador: Professor Mestre Fernando Marcos de Oliveira 
 
 
__________________________________ 
Nota Final 
 
 
Banca Examinadora: 
 
__________________________________ 
Profº.Doutor Breno Carneiro Pinheiro 
 
__________________________________ 
Profº. Doutor Tiago de Jesus Santos 
 
Foz do Iguaçu, 05 de Julho de 2018. 
 
 
 
 
 
EPÍGRAFE 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
“Talvez não tenha conseguido fazer o melhor, mas lutei para que o melhor fosse 
feito. Não sou o que deveria ser, mas Graças a DEUS, não sou o que era antes”. 
(Marthin Luther King) 
 
 
 
 
 
AGRADECIMENTOS 
 
Agradeço a DEUS primeiramente por estar em meus caminhos me iluminando e me 
dando forças para vencer as lutas que surgem no decorrer da vida. 
Aos meus pais Aluizio Henrique Bezagio e Rosangela Coltro Bezagio por me amar 
incondicionalmente e me apoiarem, mostrando com clareza que a vida é bela e 
cheio de amor, me incentivando a nunca parar de estudar e que sempre terão novos 
caminhos à conhecer, sempre buscando a fé e o caminho certo. 
Às minhas irmãs Juliana Coltro Bezagio e Fabiana Coltro Bezagio por me 
incentivarem e me apoiarem, demonstrando ser legítimas parceiras de sangue. 
À minha noiva Caroline Engel Gabriel por me apoiar incansavelmente, me ajudando 
e dando suporte neste trabalho e por todo seu carinho, amor e compreensão. 
Ao meu Orientador Mestre Fernando Marcos de Oliveira que em sua incansável 
busca pelo conhecimento, dividiu comigo me ajudando e esclarecendo dúvidas no 
desenvolvimento deste trabalho. 
Aos professores Júlio Cesar, Alexandre Leite, Claudio Mota que em sala de aula 
mostraram com clareza o amor pela profissão e a dedicação pelas aulas. 
Ao professor Thiago de Jesus que me auxiliou, com riquezas de informações úteis 
para o desenvolvimento deste trabalho, me intrigando ainda mais a dar continuidade 
nos estudos acadêmicos. 
Aos professores de Engenharia Elétrica da Universidade Dinâmica das Cataratas 
por desempenharem com êxodo e passar todo o conhecimento em sala de aula. 
Ao Setor de Baterias do Parque Tecnológico de Itaipu que me proporcionaram 
experiências incríveis no ramo da Engenharia Elétrica. 
Ao Helton Scherer por me proporcionar experiências e aumentar meu conhecimento 
na área de baterias e me auxiliar grandemente neste trabalho com sua vasta 
experiência. 
Ao Elvis Albarella por me proporcionar experiências incríveis sobre o mercado de 
trabalho da Engenharia Elétrica e passar parte de seu conhecimento e me auxiliar 
nos materiais para que este trabalho fosse executado. 
Aos meus amigos Everton Pezavento, Luan Zucco e Marcos da Costa pelos 
incansáveis finais de semanas estudando para as provas e me auxiliando 
grandemente em minha formação acadêmica e profissional. 
 
 
 
DEDICATÓRIA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Dedico este trabalho à minha família, em especial 
meu pai Aluizio Henrique Bezagio, minha mãe 
Rosangela Coltro Bezagio, minhas irmãs Fabiana 
Coltro Bezagio e Juliana Coltro Bezagio, à minha 
Noiva Caroline Engel Gabriel e à todos meus 
amigos que de alguma maneira me ajudaram 
neste trabalho ou na jornada acadêmica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
RESUMO 
 
Em consequência de uma sociedade mais tecnológica, a escassez de recursos 
energéticos e a busca por fontes alternativas de energia elétrica se mostra cada vez 
maior. A energia fotovoltaica evidencia uma geração de energia limpa e eficiente 
tornando-se uma fonte promissora, a qual consiste transformar a energia radiada 
pelo Sol em energia elétrica por meio de célula fotovoltaica. Este trabalho identificou 
pelo estudo comparativo a diferença de geração de energia elétrica obtida por um 
sistema com rastreamento de raios solares versus sistema estático. O rastreador 
teve como princípio localizar a fonte que está emitindo a maior incidência luminosa 
por meio de sensor Light Dependent Resistor (LDR), no qual desloca-se para o 
melhor ponto através de servos motores. Para validação da proposta deste trabalho, 
foi desenvolvido um protótipo para análise de resultados práticos. 
 
 
 
 
 
Palavras-chave: rastreador solar, energia fotovoltaica, geometria solar. 
 
 
 
 
 
ABSTRACT 
 
As a consequence of a more technological society, the scarcity of energy resources 
and the search for alternative sources of electric energy is increasing. Photovoltaic 
energy shows a generation of clean and efficient energy becoming a promising 
source, which consists of transforming the energy radiated by the Sun into electrical 
energy by means of photovoltaic cells. This work identified by comparative study the 
difference of electric power generation obtained by a system with tracking of solar 
rays versus static system. The tracker had as principle to locate the source that is 
emitting the highest luminous incidence by means of Light Dependent Resistor (LDR) 
sensor, in which it moves to the best point through servo motors. To validate the 
proposal of this work, a prototype was developed to analyze practical results. 
 
 
 
 
 
Keywords: solar tracking, energy photovoltaic, solar geometry 
 
 
 
 
 
LISTA DE TABELAS 
 
Tabela 1: Tipos de célula por área necessária para obter (m²/kW)...........................24 
Tabela 2: Descrição dos equipamentos utilizados para elaborar a base e 
estrutura.....................................................................................................................40 
Tabela 3: Modelo e especificações do painel fotovoltaico rastreado........................41 
Tabela 4: Modelo e especificações do painel fotovoltaico estático...........................51 
Tabela 5: Médias de medições do protótipo 1 (rastreado)........................................54 
Tabela 6: Médias de medições do protótipo 2 (estático)...........................................57 
Tabela 7: Percentual de potência do protótipo 1 em relação ao protótipo 2.............60 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LISTA DE ILUSTRAÇÕES 
 
Figura 1: Espécies de plantas de acordo com o clima..............................................19 
Figura 2: (a) Radiação direta, (b) Radiação difusa....................................................21 
Figura 3: Ilustração do ângulo azimutal e inclinação solar........................................22 
Figura 4: Ilustração do ângulo zênite (Ɵz), inclinação solar (α), azimutal (ɤ) e 
inclinaçãodo ângulo da superfície (β)........................................................................22 
Figura 5: Movimentação (Norte-Sul) durante o ano..................................................23 
Figura 6: Célula Monocristalino, Policristalino e Filme fino.......................................25 
Figura 7: Representação da associação de várias células de silício cristalino em 
série............................................................................................................................25 
Figura 8: Demonstração da ligação em série entre células de silício cristalino........26 
Figura 9: Células convencionais e células com Película fina....................................26 
Figura 10: Circuito equivalente da célula fotovoltaica utilizando diodo e resistências 
série e paralelo...........................................................................................................27 
Figura 11: Ilustração do efeito da variação da temperatura nas curvas 
características (a) corrente-tensão e (b) potência-tensão..........................................29 
Figura 12: Representação gráfica do efeito da variação da radiação da luz incidente 
(a) corrente-tensão (b) potência-tensão.....................................................................29 
Figura 13: Estrutura de bandas de energia (a) condutor, (b) semicondutor e (c) 
isolante.......................................................................................................................30 
Figura 14a: Átomo de Fósforo Ligação N..................................................................31 
Figura 14b: Átomo de Boro ligação P.......................................................................31 
Figura 15: Corte transversal de uma célula fotoelétrica mostrando a junção PN.....32 
Figura 16: Rastreador ativo de malha fechada.........................................................36 
Figura 17: Rastreador passivo..................................................................................36 
Figura 18a: Componente eletrônico LDR..................................................................38 
Figura 18b: Gráfico Lux versus Resistência..............................................................39 
Figura 19a: Movimentação dos sensores..................................................................39 
Figura 19b: Protótipo real da base dos LDR’s..........................................................39 
Figura 20a: Servo motor de 13kg/cm........................................................................40 
Figura 20b: Servo motor de 9kg/cm..........................................................................41 
Figura 21: Caixa de isolamento.................................................................................42 
 
 
 
Figura 22: Arduino Uno R3........................................................................................43 
Figura 23: Resistor de 10W utilizado na Shield para captar corrente.......................44 
Figura 24a: Placa elabora no programa PROTEUS 8 PROFESSIONAL..................45 
Figura 24b: Placa em 3D elabora do program PROTEUS 8 PROFESSIONAL........45 
Figura 25a: Imprimindo a placa eletrônica................................................................46 
Figura 25b: Imprimindo a placa eletrônica................................................................46 
Figura 25c: Placa impressa pronta............................................................................46 
Figura 26: Diagrama de blocos do controlador on/off de passo fixo.........................48 
Figura 27: Diagrama funcional do protótipo...............................................................49 
Figura 28a: Início da montagem da estrutura............................................................51 
Figura 28b: Montagem finalizada da estrutura..........................................................52 
Figura 29: Diagrama elétrico do projeto completo.....................................................53 
Figura 30: Gráfico de potência por minuto do sistema com rastreador.....................55 
Figura 31: Protótipo 1 (painel rastreado) instalado no telhado onde foi extraído as 
medições....................................................................................................................55 
Figura 32: Gráfico de potência por minuto do sistema estático................................57 
Figura 33: Protótipo 2 (painel estático) instalado no telhado onde foi extraído as 
medições....................................................................................................................58 
Figura 34: Comparação de geração de potência de ambos protótipos....................59 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 LISTA DE EQUAÇÕES 
 
Equação 1: Variação da distância do Sol-Terra........................................................20 
Equação 2: Geração da corrente em uma célula fotovoltaica...................................27 
Equação 3: Fotocorrente Iph......................................................................................28 
Equação 4: Parâmetro Ir............................................................................................28 
Equação 5: Parâmetro Irr...........................................................................................28 
Equação 6: Divisor de tensão...................................................................................44 
Equação 7: Equação de Vant-Hull concentração geométrica...................................58 
Equação 8: Cálculo do percentual de potência do protótipo 1 em relação do 
protótipo 2...................................................................................................................59 
 
 
 
 
 
 
 
SUMÁRIO 
 
1 INTRODUÇÃO........................................................................................................16 
1.1 OBJETIVOS..........................................................................................................17 
1.1.1 Objetivo geral...................................................................................................17 
1.1.2 Objetivo específico..........................................................................................17 
1.2 PROBLEMÁTICA.................................................................................................18 
1.3 JUSTIFICATIVA...................................................................................................18 
1.4 METODOLOGIA UTILIZADA...............................................................................18 
2 DA RADIAÇÃO SOLAR.........................................................................................19 
2.1 INFLUÊNCIA DOS RAIOS SOLARES NO AMBIENTE.......................................19 
2.2 RADIAÇÃO SOLAR.............................................................................................20 
2.3 ÂNGULOS DA GEOMETRIA SOLAR..................................................................21 
2.4 A CÉLULA FOTOVOLTAICA...............................................................................23 
2.4.1 Junção PN........................................................................................................30 
2.4.2 Silício Monocristalino.....................................................................................32 
2.4.3 Silício Policristalino........................................................................................33 
2.4.4 Filme Fino.........................................................................................................33 
2.5 RASTREADOR SOLAR.......................................................................................34 
2.5.1 Rastreadores ativos........................................................................................35 
2.5.2 Rastreadores passivos...................................................................................363 PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DO RASTREADOR DE DUPLO EIXO E PAINEL 
ESTÁTICO.................................................................................................................38 
3.1 PROTÓTIPO 1 (PAINEL RASTREADO)..............................................................38 
3.1.1 Parte física.......................................................................................................38 
3.1.2 Parte lógica......................................................................................................47 
3.2 PROTÓTIPO 2 (PAINEL ESTÁTICO)..................................................................50 
3.2.1 Parte física.......................................................................................................50 
3.2.2 Parte lógica......................................................................................................53 
4 RESULTADOS E DISCUÇÕES..............................................................................54 
4.1 DESEMPENHO DO PROTÓTIPO 1 (PAINEL RASTREADO).............................54 
4.1.1 Consumo energético do protótipo 1 (PAINEL RASTREADO).....................55 
4.2 DESEMPENHO DO PROTÓTIPO 2 (PAINEL ESTÁTICO).................................56 
 
 
 
4.2.1 Consumo energético do protótipo 2 (PAINEL ESTÁTICO)........................58 
4.3 COMPARAÇÃO ENTRE O PROTÓTIPO RASTREADOR E ESTÁTICO...........59 
5 CONCLUSÃO.........................................................................................................61 
5.1 PROPOSTAS DE TRABALHOS FUTUROS........................................................62 
REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO............................................................................63 
ANEXO I – CÓDIGO FONTE……………………………………………………….........69 
16 
 
1 INTRODUÇÃO 
 
Em um contexto geral, o crescimento populacional é uma das responsáveis 
pelo consumo exponencial de energia elétrica, devido esta ser fundamental para a 
evolução e sobrevivência da humanidade (TEIXEIRA, 2009). De acordo com o 
Banco Mundial, o consumo de energia elétrica mundial per capita registrado no ano 
de 2014 foi de 3126,3 Kwh, contra 1199,8 Kwh consumida per capita em 1971 
(WORLD BANK, 2015). E na visão nacional, conforme esclarece a Empresa de 
Pesquisa e Energia, o consumo per capita foi de 2601,37 kWh em 2014, diferente do 
registrado em 1971, onde o índice de consumo per capita era apenas de 458,73 
Kwh (EPE, 2015). 
O crescimento populacional, de acordo com o Centro Regional de Informação 
das Nações Unidas - UNRIC (2015), está em sete bilhões e trezentos milhões no 
mundo, valor qual acarretou no aumento do consumo de energia elétrica. Além 
disso, o consumo energético por pessoa teve uma expansão considerável, em 
consequência do uso intensivo de novas tecnologias com o passar do tempo. 
Em 2012, 67,2% da geração de energia elétrica mundial foi provida por 
combustíveis fósseis (EPE, 2015). Os combustíveis fósseis são uma fonte de 
energia não renovável, a exploração excessiva faz com que as reservas de fácil 
acesso se esgotem, o que acarreta no estímulo por pesquisas para encontrar novas 
reservas com acesso limitado, onde evidencia um custo elevado. A eminente falta de 
combustíveis fósseis juntamente com o consumo demasiado de energia elétrica, 
exige uma maior exploração de novas fontes de energia (CARDIM, 2012). 
Além do consumo demasiado, metade da energia consumida pela população 
mundial é desperdiçada, isto ocorre pelo desmazelo dos consumidores (TEIXEIRA, 
2009). Com o investimento correto em equipamentos que possibilitam o 
reaproveitamento desta, este desperdício será reduzido. 
Os benefícios através da geração de energia elétrica proveniente do sol 
acarretam na diminuição dos impactos ambientais, redução da dependência de 
combustíveis fósseis e aumento na diversificação da matriz energética. A fácil 
mobilidade dos painéis fotovoltaicos tem como vantagem a eletrificação em regiões 
incapazes de receber energia elétrica de companhias via rede de transmissão, como 
também a descentralização da geração de energia elétrica, tendo em vista que as 
usinas são em sua grande parte hidráulicas, onde a maioria é distante dos grandes 
17 
 
centros consumidores (VIEIRA, 2014). 
O movimento que a terra faz em sua órbita em torno do sol, aplica um 
deslocamento com velocidade constante e variação do ângulo solar em 15° graus 
por hora ao longo do dia. Para determinar seu posicionamento são utilizados 
ângulos de elevação, zênite e azimute (PRINSLOO & DOBSON, 2014). 
Os módulos fotovoltaicos obtêm geração de energia elétrica pela incidência 
de radiação solar em sua superfície. A incidência de radiação solar faz com que os 
elétrons se movimentem deslocando-se de um lado para o outro, onde no meio 
existe um condutor, que capta os elétrons e gera uma diferença de potencial, o que 
produz o efeito fotovoltaico (PINHO & GALDINO, 2014). 
Há tecnologias que possibilitam a otimização da energia solar, por exemplo, 
utilização de rastreadores solares, aumento da capacidade de captura da luz solar 
ou a alteração na geometria da célula solar. (MARTINS, 2016). De modo, que a 
primeira tecnologia de otimização citada é o tema de estudo abordado neste 
trabalho. 
 
1.1 OBJETIVOS 
 
Nesta seção será abordado o objeto do trabalho, tais como objetivo geral e 
especifico de modo a exemplificar o que será exposto no decorrer do trabalho. 
 
1.1.1 Objetivo geral 
 
Este trabalho tem como objetivo principal desenvolver um protótipo de um 
rastreador fotovoltaico com duplo eixo (Leste-Oeste e Norte-sul) e um protótipo com 
estrutura estática, de modo a fazer comparações da eficiência de geração de 
energia elétrica. 
 
1.1.2 Objetivos específicos 
 
• Pesquisa bibliográfica referente aos protótipos já desenvolvidos de 
modo que possa avaliar as vantagens e desvantagens; 
• Escolha dos materiais e equipamentos utilizados para a elaboração do 
protótipo; 
18 
 
• Definição da estrutura física e lógica do protótipo; 
• Escopo e testes da programação dos sensores alocados na estrutura 
do protótipo; 
• Construção e analises do desempenho do protótipo; 
• Analisar a eficiência da geração de eletricidade do protótipo 
fotovoltaico rastreado e estático. 
 
1.2 PROBLEMÁTICA 
 
Devido o painel fotovoltaico ter uma baixa capacidade de geração de energia 
elétrica e ocupar um espaço grande de instalação, o painel fotovoltaico pode 
aumentar sua geração de eletricidade através de aparatos fazendo com que 
aumente a geração de energia elétrica. Assim, foi desenvolvido um rastreador solar 
onde o intuito é manter o painel fotovoltaico por mais tempo perpendicular aos raios 
solares, e assim obter uma maior eficiência energética. 
 
1.3 JUSTIFICATIVA 
 
 Este intrigante assunto tornou-se tema desta conclusão de curso devido à 
vasta utilidade da geração de energia fotovoltaica. Esta possui ainda um potencial a 
ser explorado, diante de um sistema de rastreamento economicamente viável pode 
propiciar um aumento da geração de energia elétrica. 
 
1.4 METODOLOGIA UTILIZADA 
 
O trabalho apresenta conceitos relacionados a um sistema fotovoltaico, onde 
define suas vantagens e desvantagens e demonstra suas características. 
O sistema fotovoltaico rastreado e estático apresentará um estudo em 
aspecto qualitativo, quantitativo e funcional, onde o primeiro evidenciará sua 
instalação como um todo, equipamentos utilizados, sazonalidade, operação do 
sistema e implantação. O segundo apresenta a geração de energia elétrica, custo 
para implantação do sistema e o terceiro é o funcionamento mecânico geral do 
sistema, bem como através de pesquisas bibliográficas e exploratórias, sendo a 
ultima que permite modificar conceitos através de experimentos. 
19 
 
 
2 DA RADIAÇÃO SOLAR 
 
Neste tópico será abordado assunto referente a radiação solar na natureza e 
em painéis fotovoltaicos como meio de geração de energiarenovável. 
 
2.1 INFLUÊNCIA DOS RAIOS SOLARES NO AMBIENTE 
 
Em mudanças climáticas, a adaptação ao ambiente é fundamental para a vida 
das plantas, portanto, é necessário que as plantas se ajustem às condições para dar 
continuidade à fotossíntese e à evolução. Para que os organismos vivos consigam 
responder à mudanças sazonais em sua volta, é levado em consideração a duração 
do dia ou fotoperíodo. A mudança de maneira previsível do fotoperíodo durante o 
ano, diferente da temperatura, é um indicador confiável da estação (KIMBALL, 
2016). 
Nas áreas temperadas, o inverno representa dias curtos com déficit de água e 
baixas temperaturas, assim em dias longos entende-se que pode ter altas 
temperaturas e períodos secos. Ao utilizar a luz do dia, as plantas podem alterar 
fisiologia, desenvolvimento e crescimento de acordo com as mudanças futuras 
previstas no clima. Na Figura 1 representam as espécies de plantas de acordo com 
o clima (Ulf Lagercrantz, 2009). 
 
Figura 1: Espécies de plantas de acordo com o clima. 
 
Fonte: Adaptado de Ulf Lagercrantz, 2009 
20 
 
 
Para que as plantas possam aproveitar ao máximo a fotossíntese, a mesma 
criou uma estratégia para capturar maiores incidências de raios solares através de 
suas folhas. Assim, as plantas crescem em direção da luz solar absorvendo energia 
para a fotossíntese (WILLIGE Et Al, 2013). 
 
2.2 RADIAÇÃO SOLAR 
 
A radiação solar é a principal fonte de energia para a vida na terra. Essa fonte 
energética é captada e convertida em outras formas de energia, como a térmica e 
elétrica. Para captar estas fontes de energia proveniente do sol é preciso que 
ocorram reações termonucleares no núcleo do Sol e transferida para regiões 
superiores através da radiação (PINHO e GALDINO, 2014). 
Para que a radiação solar possa ser calculada para incidências na superfície 
terrestre é preciso conhecer a órbita elíptica em torno do sol. Assim, esse movimento 
tem duração de 365,242 dias e está restrito a um plano elíptico. Na Equação 1 é 
possível identificar a variação da distância Sol-Terra: 
 
𝐸𝑜 = 1 + 0,033 ∗ cos(
2∗𝜋∗𝐷
365
) (1) 
 
onde a distância Eo é dada em unidades astronômicas [UA]. 1 UA= 
1,46x1011m (VIEIRA, 2013). Na equação acima D representa um determinado dia do 
calendário juliano. 
 
Sobre a terra incide uma pequena parcela da radiação solar na superfície do 
planeta, com uma distancia que varia entre 1,47x1011 m no Periélio que é a menor 
distância entre o Sol e a Terra e 1,52x1011 m no Afélio que é a maior distancia entre 
o Sol e a Terra e irradiância entre 1.325W/m2 e 1.412W/m2 ao longo do ano (DGS, 
2008). 
 Parte desta radiação solar é espalhada e absorvida ao introduzir-se na 
atmosfera da terra, quando a radiação solar incide diretamente no solo é 
denominado de radiação direta, e quando colidir com moléculas, nuvens e aerossóis 
ocorre um espalhamento para fora do feixe direto, e é denominada radiação difusa. 
21 
 
A soma das duas radiações é chamada radiação global (NREL, 2014). A radiação 
difusa é refletida em nuvens ou partículas e retorna ao solo devido ao desvio, a 
Figura 2 apresenta dois tipos de radiação solar (LATORRE et al.,2002). 
 
 
 
 
 
 
Figura 2: (a) Radiação direta, (b) Radiação difusa. 
 
Fonte: Adaptado de Latorre et al.,2002. 
 
2.3 ÂNGULOS DA GEOMETRIA SOLAR 
 
Os raios solares podem ser descritos por relações geométricas, que variam 
conforme o movimento do sol e a superfície da Terra pelos seguintes ângulos: 
ângulo zenital, altura ou elevação solar, ângulo azimutal e inclinação da superfície 
de captação. (PINHO e GALDINO, 2014) 
O ângulo zenital (Ɵz) é formado por vertical local e raios solares. Durante o 
ano, entende que o Sol pode percorrer no zênite em locais entre os Trópicos de 
Câncer e Capricórnio, assim durante 365 dias passa uma única vez em cada trópico 
e duas vezes nas latitudes intertropicais. As coordenadas esféricas indicam a 
localização do astro apontado pelo ângulo horário, que responde ao deslocamento 
angular do sol devido a rotação, zero ao meio dia local, positivo no período da tarde 
e negativo no período da manhã (ABRAVA, 2008). 
A inclinação solar (α) auxilia na determinação da posição segundo um sistema 
de coordenadas zênite-azimutal. Esta inclinação determina um ângulo que descreve 
a projeção sobre o Sol no espaço, este ângulo é a projeção sobre o plano horizontal 
e a altura solar (PETTI, 2004). Esta inclinação é medida pelo plano do horizonte de 
quem observa, que indica a distância em graus do quanto o plano celeste é visível 
ao observador (FROTA, 2006). 
O ângulo Azimutal (ɤ) é compreendido entre a projeção dos raios solares no 
plano horizontal e a direção Norte-Sul, que é conhecido como horizonte do 
22 
 
observador. O ângulo gama é tomado a partir da localização sul, sendo definido 
positivo quando o Sol estiver à direita dessa posição. De maneira análoga quando o 
Sol encontra-se à esquerda da posição sul o ângulo gama é definido negativo. Os 
máximos valores de gama são obtidos quando o sol estiver à leste ou à oeste. Desta 
maneira ocorre um deslocamento angular na faixa de -180° ≤ ɤ ≤ 180° (HEINZ, 
2016). Para uma melhor visualização do ângulo azimutal e inclinação solar pode-se 
ver a ilustração da Figura 3. 
 
Figura 3: Ilustração do ângulo azimutal e inclinação solar. 
 
Fonte: Adaptado de Masters, 2004 (esta no tcc de vieira, 2014). 
 
Outra forma de visualizar o problema está ilustrada na Figura 4 abaixo: 
 
Figura 4: Ilustração do ângulo zênite (Ɵz), inclinação solar (α), azimutal (ɤ) e inclinação do 
ângulo da superfície (β). 
 
Fonte: Adaptado de Pinho & Gaudino, 2014. 
 
A inclinação do ângulo da superfície (β) é efetuada através do ângulo que se 
23 
 
forma entre o módulo fotovoltaico e o horizonte do observador, assim, obtém-se uma 
inclinação adequada para uma melhor eficiência na geração de energia elétrica. A 
partir disso, cada região compreende um ângulo diferente relacionando sua latitude 
e longitude (VIEIRA, 2014). 
Outro ângulo a ser estudado é o movimento no eixo de altitude (Norte-Sul), 
este apresenta uma variação na altura solar, que varia ao longo de um ano 46° 
graus, na posição mais alta durante o verão, conhecido também como solstício de 
verão e na mais baixa no inverno conhecido como Solstício de inverno, e o meio 
termo entre os dois é denominado equinócio de primavera. Esta variação causa 
perdas na conversão de energia de um painel fotovoltaico, de forma que o sol 
também se movimenta no sentido (Norte-Sul) e levando em consideração um 
sistema fotovoltaico estático, acarreta uma menor incidência solar, no qual é 
traduzido como perdas para o sistema. De modo que para o rastreamento do sol um 
segundo eixo (Norte-Sul) se torne útil. Na Figura 5 é possível identificar as 
movimentações do Sol no decorrer do ano (PEREIRA, 2012). 
 
Figura 5: Movimentação (Norte-Sul) durante o ano. 
 
Fonte: Pereira, 2012. 
 
2.4 A CÉLULA FOTOVOLTAICA 
 
Para que os componentes constituintes da célula como: silício, camada 
antirreflexo, vidro e condutor atuem é necessário incluir o efeito fotovoltaico para que 
o ciclo se torne completo. O efeito é uma diferença de potencial nos extremos de 
uma estrutura de material semicondutor, sendo produzida pelo ganho de radiação 
solar incidente. (CEPEL; CRESESB, 2006). 
24 
 
Os materiais semicondutores utilizados são o Silício (Si), Arsenieto de Gálio 
(GaAs), Telureto de Cádmio (CdTe), entre outros. É utilizado para converter a luz 
solar em energia elétrica, no qual o Silício que tem abundância na crosta terrestre, é 
considerado como o mais utilizado com cerca de 95% de todas as células 
fotovoltaicos. Tem como característica principal ter a capacidade de modificar 
facilmente sua condutividade por meio deintrodução de impurezas em sua rede 
cristalina (GREENPRO, 2004). 
 A indicação de sua pureza faz com que a célula tenha uma classificação, sendo 
com maior teor de pureza a Monocristalina, com cerca de 99,9999% o que faz com 
que sua fabricação seja de extrema complexidade (EPE, 2012). O custo se torna 
mais elevado e um maior rendimento energético. Em seguida, as células 
Policristalinas, as quais tem uma menor pureza na fabricação em relação à 
Monocristalina. Pelo fato de não ser extremamente pura, seu custo é reduzido, 
tornando-a uma das mais comercializadas. Por fim, a célula de Filme Fino tem um 
processo por camadas extremamente fino com material semicondutor, tem 
revestimento de vidro, plástico, entre outros para proteção contra ações mecânicas. 
Os principais materiais comercializados para a fabricação da célula de filme fino é o 
silício amorfo (a-Si), disseleneto de cobre índio gálio (CIGS) e o telureto de cadmio 
(CdTe). Seu custo baixo é devido à sua montagem apresentar diversos substratos 
de baixo custo como o plástico ou vidro sendo, entre os três modelos citados, o mais 
barato. Um aspecto importante é que o silício amorfo apresenta uma geração de 
energia elétrica menor do que o silício monocristalino e o policristalino (EPE, 2012). 
Na Tabela 1 abaixo é possível identificar a área necessária de instalação de cada 
tipo de célula descrita acima. 
 
Tabela 1: Tipos de célula por área necessária para obter (m²/kW) 
Tipos de células Área necessária (m²/kW) 
Silício monocristalino 7-9m² 
Silício policristalino 8-11m² 
Disseleneto de cobre-índio-gálio-selénio 
(CIGS) 
11-13m² 
Telureto de Cádmio (CdTe) 14-18m² 
Silício amorfo 16-20m² 
Fonte: Adaptado de Carneiro, 2010. 
 
A extração do mineral quartzo dá origem ao silício, que ao passar por uma 
purificação é produzido a célula fotovoltaica. No Brasil não existe purificação de 
25 
 
silício em grau solar, entretanto, é um dos principais líderes na produção mundial de 
silício de grau metalúrgico. Na Figura 6, é possível ver a diferença entre os módulos 
fotovoltaicos monocristalino, policristalino e de filme fino (ABINEE, 2012). 
 
Figura 6: Célula Monocristalino, Policristalino e Filme fino. 
 
Fonte: Abinne, 2012. 
 
 Para que um módulo fotovoltaico tenha uma eficiência relativamente 
satisfatória, é necessário fazer ligações em série entre as células de silício cristalino 
que agrupa o módulo. Assim, a potência máxima extraída de cada célula é de 
aproximadamente 3W, em um conjunto de 36 células isso poderia chegar a uma 
potência de 108W (CARNEIRO, 2010). Na Figura 7, abaixo é possível identificar as 
ligações em série que dão origem à potência total e na Figura 8 às ligações entre 
células. 
 
Figura 7: Representação da associação de várias células de silício cristalino em série. 
 
Fonte: Carneiro, 2010. 
 
 
26 
 
Figura 8: Demonstração da ligação em série entre células de silício cristalino. 
 
Fonte: Benedito, 2010 
 
Na atualidade existem vários modelos de painéis fotovoltaicos fabricados a 
partir de células cristalinas de silício. Entretanto, nos últimos anos com o avanço da 
tecnologia, módulos que empregam da película fina tem ganhado espaço no 
mercado consumidor, onde evidencia uma tendência de substituição por essa 
tecnologia em um futuro próximo, devido ao baixo custo. Na Figura 9, é 
demonstrada a evolução das células com película fina e convencionais. 
 
Figura 9: Células convencionais e células com Película fina. 
 
Fonte: Adaptado de Mapota, 2009. 
 
 Para que os demais módulos fotovoltaicos citados acima gerem energia 
elétrica é necessário que a junção PN ocorra, onde tem basicamente dois cristais 
justapostos, sendo um de impurezas tipo P e outro tipo N, desta maneira, se forma 
uma região de transição abrupta. Esta junção com a incidência da radiação solar faz 
com que um fóton faça um gap de uma camada para outra gerando a eletricidade 
(SILVA, 2010). 
 O material utilizado em sua fabricação está diretamente relacionado com a 
eficiência da célula solar. Para poder expressar o comportamento da célula 
fotovoltaica em modelos mais simples é utilizado uma representação por fonte de 
corrente em paralelo com um diodo. Para demonstrar as características não ideais 
das células, foi utilizado um modelo que o represente com resistências em série e 
27 
 
em paralelo. Na Figura 10 é possível visualizar a representação (APUD OLIVEIRA, 
2015). 
 
Figura 10: Circuito equivalente da célula fotovoltaica utilizando diodo e resistências em série 
e em paralelo. 
 
Fonte: Apud Oliveira, 2015. 
 
A partir do modelo da Figura 10 é elaborado um modelo matemático 
exemplificando um modelo não ideal. Na Equação 2 é demonstrado como é gerado 
a corrente em uma célula fotovoltaica (GOW; MANNING, 1999). 
 
𝐼 = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼𝑟 [𝑒
𝑞(
𝑉+𝐼𝑅𝑠
𝑛𝑘𝑇
)
− 1] −
(𝑉+𝐼𝑅𝑠)
𝑅𝑝
 (2) 
 
Onde as variáveis descritas são: 
 
• V,I - Tensão e Corrente nos terminais de saída da célula solar; 
• Iph - Fotocorrente; 
• Ir - Corrente de saturação reversa do diodo; 
• Rs,Rp – Resistências em série e em paralelo da célula; 
• q - Carga do elétron 1,6x10-19 C; 
• ƞ - Fator de idealidade da junção p-n; 
• k – Constante de Boltzmann 1,38x10-23 j / k; 
• T – Temperatura ambiente, K. 
 
Assim sendo, o parâmetro Iph depende dos valores da radiação solar e da 
temperatura que incide sobre a célula fotovoltaica. A Fotocorrente Iph é descrita na 
equação 3 (OLIVEIRA, 2015). 
28 
 
𝐼𝑝ℎ = [𝐼𝑐𝑐+∝ (𝑇 − 𝑇𝑟)]
𝐺𝑠𝑢𝑛
1000
 (3) 
 
Onde as variáveis descritas são: 
 
• Icc – Corrente de curto-circuito por célula; 
• α – Coeficiente de temperatura de Isc; 
• Tr – Temperatura de referência em Kelvin, 298k; 
• Gsun – Intensidade de radiação solar em W/m². 
 
Os parâmetros Ir e Irr são demonstrados na equação 4 e 5. 
 
𝐼𝑟 = 𝐼𝑟𝑟(
𝑇
𝑇𝑟
)3𝑒
[
𝑞𝐸𝑔
ƞk
(
1
𝑇𝑟
−
1
𝑇
)]
 (4) 
 
𝐼𝑟𝑟 =
𝐼𝑐𝑐−
𝑉𝑐𝑎
𝑅𝑝
𝑞𝑉𝑐𝑎
𝑒ƞk𝑇𝑟
−1
 (5) 
 
Onde as variáveis descritas são: 
 
• Vca – Tensão de circuito aberto; 
• Irr – Corrente de saturação reversa de referencia em STC; 
• Eg – Energia de banda proibida (1,1eV). 
 
Conforme a elaboração das equações 2, 3, 4 e 5 o resultado se da por curvas 
não lineares características I-V e P-V da célula (OLIVEIRA, 2015). Assim sendo o 
módulo fotovoltaico é capaz de gerar energia elétrica com eficiência estando em 
suas condições favoráveis como, por exemplo, a temperatura que tem grande 
influência na geração. Com o aumento da temperatura a tensão de circuito aberto 
diminui significativamente. Entretanto, ocorre um deslocamento inferior do ponto de 
máxima potência. Na Figura 11 (a) e (b), é possível visualizar o efeito da variação da 
temperatura nas curvas características (a) corrente-tensão e (b) potência-tensão 
(SEGUEL, 2009). 
 
29 
 
Figura 11: Ilustração do efeito da variação da temperatura nas curvas características (a) corrente-
tensão e (b) potência-tensão. 
 
Fonte: Carneiro, 2010. 
 
 
Outro aspecto a ser analisado é o efeito produzido pela radiação solar no 
módulo fotovoltaico. Assim sendo, ocorre uma variação proporcional na corrente 
gerada, a tensão de circuito aberto demonstra poucas alterações com a variação da 
intensidade luminosa, excluindo a hipótese de quando a radiação solar é muito 
baixa. Deste modo, a redução da radiação incidente provoca um deslocamento para 
baixo do ponto máximo da potência. Na Figura 12 (a) e (b) é possível visualizar a 
representação do gráfico do efeito da variação da radiação incidente (a) corrente-
tensão (b) potência-tensão (CARNEIRO, 2010; SEGUEL, 2009). 
 
Figura 12: Representação gráfica do efeito da variação da radiação da luz incidente (a) 
corrente-tensão (b) potência-tensão.
 
Fonte: Seguel, 2009. 
 
 
 
30 
 
2.4.1 Junção PN 
 
Os elementos queconstituem as células fotovoltaicas são classificados como 
semicondutores, sua caracterização se dá por possuírem uma banda de valência 
completamente cheia de elétrons e uma banda de condução vazia. Quando ocorre a 
separação entre as bandas de energia permitidas dos materiais semicondutores, 
nomeado de banda proibida, bandgap ou gap e representado por Eg, pode alcançar 
um valor de até 3 eV (elétron-volt). Na figura 13 é possível diferenciar estes 
materiais dos considerados isolantes, onde a bandgap ultrapassa este valor e 
apresenta a estrutura de separação de bandas de energia para isolantes, 
semicondutores e condutores (PINHO e GALDINO, 2014). 
 
Figura 13: Estrutura de bandas de energia (a) condutor, (b) semicondutor e (c) isolante. 
 
Fonte: Pinho e Galdino, 2014. 
 
O silício possui quatro elétrons que se ligam aos vizinhos formando uma rede 
cristalina. Ao adicionar fósforo, por exemplo, que possui cinco elétrons de ligação, 
haverá um elétron sobrando ligado ao seu átomo de origem, sendo assim, o fósforo 
é um doador de elétrons tornando-o um dopante N. Quando é feito a adição de um 
componente de três elétrons como o boro, haverá uma lacuna com pouca energia 
térmica, o elétron passa de um sítio vizinho para outro, deslocando a lacuna, sendo 
assim, o boro é um receptor de elétron e dopante P. Partindo de um átomo de silício 
puro, fazendo a dopagem com boro e na outra parte inserir átomos de fósforo, é 
formado a junção PN, elétrons livres do lado N passa para lacunas do lado P, 
resultando no acúmulo de elétrons do lado P e uma atenuação de elétron no lado N, 
com isso, torna o lado P negativamente e o lado N eletricamente positivo. Na Figura 
14a e 14b é possível ver a discrição estrutural da ligação P e N. 
 
31 
 
Figura 14a: Átomo de Fósforo Ligação N. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: Bluesol Educacional. 
 
Figura 14b: Átomo de Boro ligação P. 
 
Fonte: Bluesol Educacional. 
 
 Para que ocorra a geração de pares elétron/lacuna é necessário que a 
junção PN seja exposta a fótons com energia maior que o gap. As cargas se 
aceleram quando o campo elétrico é diferente de zero, o que gera uma corrente 
através da junção. O aparecimento do efeito fotovoltaico é uma diferença de 
potencial que ocorre através do deslocamento de cargas. Ao conectar condutores 
nas extremidades do silício, há circulação de elétrons, formando o princípio de 
funcionamento das células fotovoltaicas (PINHO e GALDINO, 2014). Essa junção 
pode ser visualizada na Figura 15 onde é mostrado o corte transversal de uma 
célula com indicação de regiões do tipo P, N e junção PN. 
 
 
 
32 
 
Figura 15: Corte transversal de uma célula fotoelétrica mostrando a junção PN. 
 
Fonte: Beigelman, 2013. 
 
2.4.2 Silício Monocristalino 
 
O aquecimento à altas temperaturas, com blocos de silício ultrapuros seguem 
para o processo que dá forma de cristal por meio do método de Czochralski, que 
resulta no lingote (haste de silício fundido com silício líquido e cristalizado) de silício 
monocristalino. Após a utilização do método é feito o fatiamento do lingote, o qual 
tem aspecto uniforme e brilhante, a partir deste meio são produzidos os wafers. Ao 
receber o processo químico, são introduzidas as impurezas em ambos os lados do 
wafer, onde concebe camadas de silício tipo P (positivo) e do tipo N (negativo). O 
próximo passo do processo é acomodado uma camada de película metálica em um 
dos lados, a grade metálica e uma camada de material antirreflexivo na outra 
superfície onde a luz incidirá. Na maioria das vezes as células monocristalinas 
possuem cores azuladas ou pretas, sendo quebradiças e rígidas. São as células que 
tem maior eficiência produzida em nível comercial, corresponde a um valor de 15% a 
23% em laboratórios (VILLALVA; GAZOLI, 2012). 
O seu maior rendimento reflete no seu custo, que aumenta consideravelmente 
em relação aos outros tipos de célula. Outro aspecto que também eleva o seu valor 
é a complexidade na fabricação, esta requer que o silício utilizado seja de alta 
pureza, assim representa a ordem de 99,9999% com altas temperaturas em torno de 
1.400 °C. Esse processo exige uma sutil montagem que acarreta em um tempo 
maior para sua fabricação completa, comparada às demais tecnologias de outras 
células. O modo de montagem utiliza muita energia consequentemente seu payback 
time de retorno torna-se maior (PORTAL ENERGIA, 2011). 
33 
 
 
2.4.3 Silício Policristalino 
 
Em comparação à célula monocristalina, a policristalina tem uma eficiência 
menor comercialmente, porém, seu gasto energético para a fabricação e seu custo 
são menores. Além disso, o processo de preparação do material é menos rigoroso, 
são processos resultantes de mais de uma formação cristalina, por esse motivo 
apresenta mais imperfeições (ABINEE, 2012). 
A fabricação das células policristalinas é obtida através da fundição e 
cristalização do lingote de silício ou do deposito de filme em substrato, tanto por 
vapor como por imersão. A fabricação é simplificada, o que resulta uma qualidade 
menor, portanto, sua pureza é inferior comparada a monocristalina (CARVALHO, 
2013). 
Em razão de sua fabricação conter impurezas, seu rendimento é 
desfavorecido, o qual acarreta uma produção energética de até 18% em 
laboratórios. Essa redução na produção é causada devido às imperfeições no 
entorno de grãos ou cristais existentes nas células, causado pelo sistema de 
fabricação (IZIDORO et al, 2014). 
 
2.4.4 Filme Fino 
 
Por apresentar um alto grau de desordem na estrutura do átomo, a célula de 
silício de filme fino demonstra ser diferente das demais. O filme fino mostra 
vantagens nas propriedades elétricas por apresentar absorção da radiação solar na 
faixa do visível, pode ser fabricada por diversos tipos de substratos de baixo custo. 
Outra vantagem é no processo de fabricação, onde utiliza pouca energia e 
imprecisões na elaboração das células (CRESESB, 2008). 
O silício amorfo hidrogenado, denominado de filme fino, iniciou sua fabricação 
em células na década de 70, portanto, era comercialmente viável por ser a primeira 
opção. O uso deste material se tornou ideal para relógios, calculadoras e produtos 
eletrônicos de baixo consumo energético. Este filme fino apresenta resposta 
espectral mais próxima do azul no espectro eletromagnético da luz, o que mostrou 
ser eficiente em iluminação artificial, por exemplo, lâmpadas fluorescentes. A 
fabricação utiliza materiais mais baratos como o aço inox, vidro, entre outros 
34 
 
(RÜTHER, 2004). 
Em comparação ás células policristalinas, a de filme fino possui uma fabricação 
mais barata, apresenta menor eficiência de conversão energética em uma variação 
de 6% a 12%. Uma nova tecnologia recente conhecida como Cobre-Índio-Gálio-
Selênio CIGS, demonstrou ter eficiência em célula de até 20% e em módulo 
fotovoltaico 16% (ABINEE, 2012) 
 
 2.5 RASTREADOR SOLAR 
 
O uso do rastreador solar é importante para o aumento da geração de energia 
elétrica capaz de manter-se por mais tempo perpendicular ao ângulo de incidência 
da radiação solar. Com sua eficiência ampliada, é possível otimizar o espaço de 
instalação, quando comparado à um sistema convencional estático. Outro aspecto a 
ser avaliado é com relação ao custo do equipamento. O retorno do valor investido é 
mais rápido para este tipo de equipamento do que para equipamentos baseados em 
sistemas estáticos (SILVEIRA et al, 2016). 
Uma desvantagem do rastreador solar é uma estrutura mais complexa, 
necessitando de manutenção mais frequente pelo fato de que a quantidade de 
peças que constitui a estrutura aumenta consideravelmente, onde obtém um tempo 
de vida menor devido aos desgastes de movimentação. Considera-se também um 
custo financeiro maior para aderir à estrutura (VIEIRA, 2014). 
O rastreador solar é formado por uma estrutura que se movimenta a partir de 
motores controlados por microcontroladores,fixados em um suporte que dá 
liberdade à movimentação conforme a elevação de incidência de radiação solar. 
Dessa forma, os módulos, os arranjos fotovoltaicos, os concentradores de energia 
ou coletores solares devem ficar sempre perpendiculares ao ângulo de incidência da 
radiação solar (OLIVEIRA, 2008). 
Segundo Mousazadeh et al. (2009), o primeiro rastreador solar foi desenvolvido 
por Finster no ano de 1962, constituído por uma estrutura mecânica. No ano 
seguinte, Saavedra colaborou com a implantação de um pireliômetro com intuito de 
auxiliar o controle do posicionamento. A partir destes estudos surgiram outros novos 
modelos que proporcionaram um aumento de geração de energia elétrica. 
Segundo a Empresa de Pesquisa Energética (EPE, 2015), elaborou-se uma 
análise a partir dos vencedores do 2° Leilão de Energia de Reserva /2015 (LER), 
35 
 
onde constatou-se que 73% dos sistemas utilizam rastreadores para geração de 
energia fotovoltaica. 
Para obter-se o seguimento solar são realizados cálculos de posicionamento 
do conjunto de conversão de energia, que leva em consideração a declividade 
terrestre, ângulo horário, latitude, dia do ano, entre outros. Estes dados podem ser 
também determinados por sistemas eletrônicos, os quais garantem um grau de 
precisão importante para o posicionamento do rastreador (OLIVEIRA, 2008). 
O avanço da tecnologia permitiu o desenvolvimento de sistemas sofisticados 
de rastreamentos, são classificados em ativos ou passivos e subclassificados como 
de malha fechada ou malha aberta, conforme o modo de recebimento do sinal do 
circuito (NETO e SILVA, 2010). 
Existem rastreadores que possuem um ou dois eixos de movimentação, com 
um eixo pode ter orientação polar, Norte-Sul ou Leste-Oeste. Contendo dois eixos, 
um horizontal e outro vertical, o horizontal ajusta a inclinação dos módulos e o 
vertical o azimute da superfície (PAIVA, 2009). 
 
2.5.1 Rastreadores ativos 
 
Os rastreadores solares são classificados como ativos ou passivos. São ativos 
quando possui sistema de controle eletrônico de posição, com sensores de 
pireliômetro, luminosidade ou fim de curso. O sistema utiliza microcontroladores, 
microprocessadores ou controladores lógicos programáveis para auxiliar no controle, 
para a tração é empregados motores de passo, atuadores, motores de corrente 
continua ou motores de indução (LIRA, 2014). 
O rastreador de malha aberta não tem uma realimentação, resulta em não 
detectar se alcançou seu objetivo final. Este utiliza um modelo de coordenadas 
astronômicas e geometria de irradiação solar para controle. É um sistema com baixo 
custo e simples, entretanto não tem autonomia para correção de perturbações 
externas (NETO e SILVA, 2010). 
O rastreador ativo de malha fechada é constituído de um circuito com 
sensores que indicam sua alimentação e corrigem a postura para uma maior 
captação de radiação solar. A orientação é formada por sensores Resistores 
dependentes de luz conhecido como LDR, pode utilizar como sensor fototransistor 
ou fotodiodo, com o princípio de comparação. Para detectar a posição do Sol em 
36 
 
relação a Terra são utilizados sensores, podendo ter um circuito com ou sem 
microcontrolador, com identificação dos sinais que chegam dos sensores. Conforme 
a lógica da programação (quando tem microcontrolador), é enviado o sinal para o 
atuador, que pode ser um motor elétrico de corrente continua (CC), de passo ou 
servo (NETO e SILVA, 2010). Na Figura 16, abaixo é possível identificar um 
rastreador ativo de malha fechada. 
 
Figura 16: Rastreador ativo de malha fechada. 
 
Fonte: Adaptado de Portal Energia, 2016. 
 
2.5.2 Rastreadores passivos 
 
Os rastreadores passivos são baseados na atuação da força da gravidade em 
dois cilindros interligados entre si, contendo um fluido. A movimentação ocorre 
quando a radiação solar incide em um dos cilindros, onde aquece e aumenta a 
pressão do fluido, o que o leva a deslocar-se para o outro cilindro, sendo modificado 
seu ponto de equilíbrio e movimentado em direção ao sol (VIEIRA, 2014). De acordo 
com a Figura 17 é possível ver um esquema deste tipo de rastreador passivo. 
 
Figura 17: Rastreador passivo. 
 
Fonte: Clifford & Eastwood, 2004 
37 
 
 
A vantagem deste equipamento é sua baixa manutenção e montagem 
robusta, tendo restrições no seu uso por não gerar ganhos consideráveis para dias 
curtos. Este segue a trajetória do sol a cada dia, iniciado a partir do nascer do Sol. 
Quando o astro atinge sua altitude máxima, obtém um menor ângulo de inclinação 
dos painéis, ao anoitecer o painel restabelece o ângulo de origem. (OLIVEIRA, 
2008). 
De acordo com Neto e Silva (2010), as desvantagens do sistema surgem 
devido ao impacto da força do vento, que altera a sensibilidade do movimento da 
estrutura, além de que em dias nublados há falta parcial de radiação solar e baixas 
temperaturas. 
O movimento utilizado nos rastreadores passivos, sobre o eixo horizontal 
orientado na direção Leste-Oeste faz com que sua incidência seja minimizada e com 
aplicações térmicas, sendo com maior benefício em concentradores de energia 
radiante com espelhos cilíndricos parabólicos. O ângulo azimutal solar varia 
conforme a trajetória aparente do sol, o azimute da superfície ficará estático, sendo 
0° no hemisfério norte e 180° no sul (PAIVA, 2009). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
38 
 
 
3 PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DO RASTREADOR DE DUPLO EIXO E 
PAINEL ESTÁTICO 
 
Neste capítulo será abordado como foi elaborado o protótipo, onde inclui cada 
material que foi utilizado para a montagem e programação para coordenar os servos 
motores e sensores. 
 
 3.1 PROTÓTIPO 1 (PAINEL RASTREADO) 
 
No presente estudo, o protótipo supracitado tem como meta apresentar a 
parte física e lógica do sistema rastreado. 
 
 3.1.1 Parte física 
 
Para a aplicação deste trabalho foi desenvolvido um protótipo com liberdade 
de eixos, o qual permite fazer a localização do sol através de sensores em toda 
trajetória do mesmo. Dividido em duas partes, sendo a primeira responsável pela 
movimentação do painel permitindo a extração da melhor geração de energia 
elétrica, e a segunda parte relacionada com a aquisição de dados de tensão e 
corrente provenientes da radiação solar incidente do painel fotovoltaico. 
O fotosensor Light Dependent Resistor (LDR) é um componente do tipo 
resistor variável, conforme a intensidade da luz varia, sua resistência também varia, 
de forma que possui resistência máxima no escuro e mínima sob iluminação direta. 
É constituído de célula de sulfeto de cádmio que forma uma estrutura em 
ziguezague para maximizar a superfície sensível, além disso, é um sensor 
bidirecional, não contendo polo positivo ou negativo (HEINZ, 2016). Na Figura 18a e 
18b é possível ver o LDR e o gráfico de variação da resistência, respectivamente. 
 
Figura 18a: Componente eletrônico LDR. 
 
Fonte: Projectshopbd, 2016. 
39 
 
 
Figura 18b: Gráfico Lux versus Resistência. 
 
Fonte: datasheet LDR GL5528, 2018. 
 
Os sensores LDR’s foram ligados em série para realizar a comparação de 
resistência. Conforme o sol se movimenta e muda a incidência da radiação, os 
LDR’s alteram as resistências, e o servo motor terá um novo posicionamento até 
igualar as resistências, sendo assim, se a resistência de cada permanece igual, o 
servo motor não se movimenta. Na Figura 19a e 19b é possível visualizar o 
movimento dos sensores e o protótipo real da base dos LDR’s. 
 
Figura 19a: Movimentação dos sensores. 
 
Fonte: Barsoum; Vasant, (2010). 
 
Figura 19b: Protótipo real da base dos LDR’s. 
 
Fonte: Autor. 
40 
 
 
Inicialmente o protótipo necessita de alguns itens para começar a ter forma, 
como por exemplo, uma base para fixar os equipamentos e uma estrutura para fixar 
o eixo que terá o movimento Leste-Oeste e Norte-Sul. Deste modo, foi selecionada 
uma base e umaestrutura que suportem as intempéries durante as medições. Na 
Tabela 2, é possível identificar qual equipamento foi utilizado, comprimento e tipo de 
material. 
 
Tabela 2: Descrição dos equipamentos utilizados para elaborar a base e estrutura do protótipo 
EQUIPAMENTO COMPRIMENTO TIPO DO MATERIAL 
Base do protótipo 40x28x2cm Madeira 
Estrutura do protótipo 30x5x3,8cm Alumínio 
Fonte: Autor. 
 
Este eixo é movimentado por dois servos motores, sendo o servo motor que 
movimenta no sentido Leste-Oeste com uma liberdade de 120° e um torque de 
13kg/cm de cor preta da marca TOWER PRO, e o servo motor com movimentação 
Norte-Sul com uma liberdade de 62° e um torque de 9kg/cm de cor preta da marca 
SERVO. Na Figura 20 (a) e (b) é possível visualizar os servos motores. 
 
Figura 20a: Servo motor de 13kg/cm. 
 
Fonte: Autor. 
41 
 
Figura 20b: Servo motor de 9kg/cm. 
 
Fonte: Autor. 
 
 Estes motores são alimentados por uma fonte externa de 5V e 1ª devido a 
sua potência, assim o arduino ficou responsável somente pelo sinal de comando e a 
referência (GND). Da mesma maneira o arduino também foi alimentado com uma 
fonte externa de 12V e 500mA. 
Afim de que o trabalho tenha um desenvolvimento satisfatório, foi escolhido 
um painel fotovoltaico que fosse capaz de gerar os dados com um custo de 
aquisição baixo. Na Tabela 3 é possível identificar o modelo e especificações 
. 
Tabela 3: Modelo e especificações do painel fotovoltaico rastreado 
MARCA INTERTEK ETL SEMKO 
TIPO DA CÉLULA Policristalino 
POTÊNCIA 10Whp 
TENSÃO (VOC) 21V 
TENSÃO (VPB) 18V 
IRRADIAÇÃO PADRÃO 1000Wm-2 
COMPRIMENTO 30,5x28,5x2,5cm 
Fonte: Autor. 
 
Para que o sistema possa atuar no tempo, onde ocorre às intempéries, uma 
42 
 
caixa com isolamento foi adicionada ao protótipo para armazenar os circuitos, a qual 
possui um grau de proteção IP66, estabilidade dimensional de -0,5°C a +70°C, 
rigidez dielétrica conforme a NBR IEC 62208, ensaiados com 2500V a 1 minuto, 
resistência à cargas estáticas na tampa de 10Kg, placa de montagem com 
resistência de 50Kg, todo o material é isolante e acreditado pelo Inmetro. A caixa de 
isolamento da marca CEMAR da cor bege, mede 24 cm de comprimento por 19 cm 
de largura e 12,5 cm de espessura. Na Figura 21 é possível visualizar a caixa. 
 
Figura 21: Caixa de isolamento. 
 
Fonte: Autor. 
 
 Para o protótipo identificar os sinais que os sensores LDR recebem e se 
movimentar de acordo com o Sol é necessário um controlador programável. A 
programação e o algoritmo foram implementados utilizando o Arduino Uno R3, que 
monitora os sensores e controla os servos motores. 
O controlador dispõe de um microcontrolador Atmega328 (G) que possibilita 
armazenar até 8 bits de programação, possui 6 entradas analógicas (F), 6 entradas 
com modulação de largura de pulso (A), conhecido também como Pulse Width 
Modulation (PWM), contém 6 entradas digitais (B). Para a compilação da 
programação para o microcontrolador do arduino, a placa possui uma entrada USB 
(C) e na alimentação de todo o circuito é composto por uma entrada de 12V (D). 
 Conforme a inserção da programação e a definição para o uso das portas 
43 
 
digitais, analógicas ou pwm, o arduino também possui saídas de terra ou GND, 5V e 
3,3V (E) para alimentar os componentes físicos do projeto, como servo motores e 
LDR. Na Figura 22 é possível identificar um Arduino Uno R3. 
 
Figura 22: Arduino Uno R3. 
 
 
Fonte: Autor. 
 
O protótipo necessitou de alguns componentes eletrônicos para captar os 
dados coletados do painel fotovoltaico, adaptadores para fazer as ligações dos 
servomotores e sensores. Foi desenvolvida uma placa capaz de interagir com o 
arduino denominado de escudo ou conhecida como Shield, onde possibilita fazer o 
acoplamento dos componentes nos pinos do arduino tornando didático e prático 
para uma montagem posterior. 
 Na aquisição de sinais foi utilizado um método simples baseado em divisor 
de tensão, visando à simplicidade e redução do custo do protótipo. A coleta de 
dados dos painéis fotovoltaicos foi através do arduino e de resistências, que tem 
como função identificar os níveis de tensão e corrente que será coletado do painel. 
Para não ter problemas de sobretensão no circuito, devido a placa fotovoltaica gerar 
até 21V e o arduino suportar no máximo 5V, é utilizado o divisor de tensão com duas 
resistências, uma com 100kOhm e outra com 330kOhm para cada painel, com isso 
obtém uma tensão máximo de 5V na saída do divisor. Na Equação 6, é possível 
44 
 
identificar como é elaborado o divisor de tensão. 
 
 𝑽𝟐 =
𝑹𝟏
𝑹𝟏+𝑹𝟐
∗ 𝑽𝟏 (6) 
 
Onde a tensão que se quer obter V2 é dada em Volt, tensão da fonte V1 e as 
respectivas resistências R1 com unidade de medida dada em Ohm, que está em 
série com a fonte e R2 em série com a resistência R1. 
Na coleta de dados para corrente, foi utilizado uma resistência de 10W, capaz 
de identificar através da tensão qual é a corrente que circula sobre ela. A partir da 
junção da tensão obtida pelo divisor de tensão e a corrente obtida através do resistor 
de 10W, foi possível calcular a potência que o painel gerou e identificar a 
porcentagem de geração. Na Figura 23 é possível visualizar um resistor de 10W. 
 
Figura 23: Resistor de 10W utilizado na Shield para captar corrente. 
 
Fonte: Autor. 
 
O programa utilizado para elaborar a placa eletrônica foi o PROTEUS 8 
PROFESSIONAL, este é um programa que serve para desenhar circuitos, simular o 
funcionamento dos componentes e até mesmo testar uma programação inserida em 
um arduino. Portanto, o Proteus foi de grande valia para o desenvolvimento da placa 
eletrônica. Na Figura 24a, é possível visualizar a placa elaborada no programa 
PROTEUS 8 PROFESSIONAL e na Figura 24b, a placa 3D elaborada no mesmo 
programa. 
 
 
 
 
45 
 
Figura 24a: Placa elaborada no programa PROTEUS 8 PROFESSIONAL. 
 
Fonte: Autor 
 
Figura 24b: Placa em 3D elaborada no programa PROTEUS 8 PROFESSIONAL. 
 
Fonte: Autor 
 
Após a elaboração da placa eletrônica no programa, foi salvo e gerado um 
arquivo Gerber, que possibilita a leitura em uma impressora de circuitos. Assim, o 
circuito desenvolvido em um programa se tornou físico, podendo acoplar seus 
componentes eletrônicos. Esta placa foi desenvolvida com pinos para ser montada 
em cima de um arduino, onde facilita as ligações de componentes e otimiza espaço. 
Na Figura 25a, 25b e 25c é possível visualizar a impressora imprimindo a placa e o 
produto final. 
46 
 
Figura 25a: Imprimindo a placa eletrônica. 
 
Fonte: Autor. 
 
Figura 25b: Imprimindo a placa eletrônica. 
 
Fonte: Autor. 
 
Figura 25c: Placa impressa pronta. 
 
Fonte: Autor. 
47 
 
3.1.2 Parte lógica 
 
O arduino possui um microcontrolador que é programável, assim é possível 
descarregar programações como, por exemplo, comandar um relé ou um servo 
motor. Esta programação foi desenvolvida no software ARDUINO IDE, que é capaz 
de elaborar, editar, testar e compilar as programações executadas no arduino. 
Assim, torna mais prático e rápido elaborar uma programação, tendo em vista que é 
possível testar se a programação está apta para ser compilada para o 
microcontrolador e elaborado em linguagem C. 
Conforme a programação foi elaborada, algumas variáveis foram levadas em 
consideração como, por exemplo, motor_lo que representa o servo motor Leste-
Oeste, motor_ns que representa o servo motor Norte-Sul, si_lo e si_ns que 
representa sensor Leste-Oeste e Norte-Sul, posição inicial dos servos motores, 
limites superiores e inferiores que o servo motor pode atingir para obter o ângulo 
correto. Outro comando utilizado como if dá a condição de trabalho da programação, 
caso os valores dos sensores LDR’s atingirem um valor de 400 a 420 o movimento 
do servo motor Norte-Sul não é executado,caso ele atinja valores abaixo de 400 ou 
acima de 420 o servo motor é acionado para uma nova posição e reajuste, até 
alcançar novamente este intervalo. 
Nos sensores Leste-Oeste tem um intervalo de 450 a 500, dentro dessa faixa 
de valores o servo motor não se movimenta, caso atinja valores abaixo de 450 ou 
acima de 500 terá um deslocamento dos sensores até reajustar e entrar no intervalo 
citado. Essa variável na programação é chamada de sensmin_ns que representa a 
sensibilidade mínima Norte-Sul, sensmax_ns que representa a sensibilidade máxima 
para Norte-Sul e sensmin_lo que representa a a mínima para Leste-Oeste e 
sensmax_lo para máxima. 
A movimentação que os servos motores executam através de comando do 
microcontrolador, foi executado utilizando um controlador on/off de passo fixo de 2° 
graus. Na programação foi atribuída uma condição if, no qual dependendo da 
sensibilidade dos sensores LDR, os servos motores acrescenta 2°graus ou encurta 
2° graus da movimentação em cada leitura feita pelo microcontrolador do protótipo 1, 
assim sendo esse valor de 2° graus de movimento é fixo em todas as condições. Na 
Figura 26 é possível visualizar um diagrama de blocos de controlador on/off de 
passo fixo. 
48 
 
Figura 26: Diagrama de blocos do controlador on/off de passo fixo. 
 
Fonte: Autor. 
 
A ação conjunta desses componentes faz com que o painel fotovoltaico fique 
sempre perpendicular aos raios solares incidentes, portanto, convertendo mais 
energia luminosa em energia elétrica. 
Para certificar-se que o protótipo está em funcionamento, foi realizado o teste 
de rastreamento, onde foi possível identificar e calibrar o sistema. De modo, que em 
diferentes situações de incidência solar ou iluminação interna possa responder com 
êxito. Além disso, a calibração dos fotosensores foi necessária devido a imprecisão. 
Na Figura 27 é possível identificar um diagrama funcional do protótipo. 
 
 
49 
 
Figura 27: Diagrama funcional do protótipo. 
 
Fonte: Autor. 
 
Com a estrutura física completa e a parte lógica pronta e compilada para o 
arduino, foram procedidos os testes de rastreamento, definindo os graus de 
50 
 
execução de cada movimento, para que o painel fotovoltaico não se danifique na 
movimentação. Na calibração dos motores foi definida na programação a posição 
inicial do servo motor Leste-Oeste e Norte-Sul, denominado na programação como 
pos_motor_lo e pos_motor_ns. Para a posição Leste-Oeste foi definido 128° graus e 
para Norte-Sul 120° graus, assim o painel fotovoltaico inicia o sistema na posição 
paralela com a superfície da terra. 
Na movimentação máxima e mínima foi desenvolvido na programação uma 
variável denominada de liminf_m_ns e limisup_m_ns para limite inferior do motor 
Norte-Sul e limite superior do motor Norte-sul, como também feito para o motor 
Leste-Oeste. Definido um ângulo inferior no motor Norte-Sul de 70° graus e ângulo 
superior de 150 graus, assim o servo motor não é forçado e a placa não é 
prejudicada pelo movimento. No ângulo Leste-Oeste os limites inferiores são de 75 
graus e os superiores são de 170 graus. 
 
3.2 PROTÓTIPO 2 (PAINEL ESTÁTICO) 
 
No presente estudo o protótipo supracitado tem como meta apresentar a parte 
física e lógica do sistema estático. 
 
3.2.1 Parte física 
 
O segundo protótipo consiste em uma estrutura fixa em que o painel é 
inclinado em 23,5° graus, devido a latitude e longitude do local de medição que se 
encontra em Foz do Iguaçu, Paraná, assim esta inclinação acolhe a melhor taxa de 
incidência de raios solares sem o auxílio de sensores ou servomotores. Desse 
modo, sem o auxilio dos aparatos utilizados no protótipo 1 a geração do protótipo 2 
torna-se menos eficiente, tendo em vista que a maior geração de energia elétrica a 
partir de incidência solar se dá quando o protótipo se encontra perpendicular aos 
raios solares. 
Para que este protótipo fosse finalizado, foi criado uma estrutura acoplado em 
cima de um telhado que tem inclinação de 11° graus. Assim, a estrutura necessitou 
de uma inclinação de 13° graus adicionais para que o protótipo fique com a 
inclinação estipulada pela região de Foz do Iguaçu que é de 24° graus. 
O painel fotovoltaico utilizado para extrair as medições foi da mesma potência 
que o protótipo 1, sendo possível fazer uma comparação de geração de energia 
51 
 
elétrica. Na Tabela 4 é possível identificar o modelo e a especificação do painel. 
 
Tabela 4: Modelo e especificações do painel fotovoltaico estático 
MARCA SUNWORLD 
TIPO DA CÉLULA Policristalino 
POTÊNCIA 10Whp 
TENSÃO (VOC) 21,96V 
TENSÃO (VPB) 17,56V 
IRRADIAÇÃO PADRÃO 1000Wm-2 
COMPRIMENTO 35,5x25x1,7cm 
Fonte: Autor. 
 
Na acoplagem do painel fotovoltaico foi necessária uma estrutura que suporte 
as intempéries, assim foi desenvolvida uma estrutura em alumínio, resistente de 
modo a não sofrer danos devido ao peso ou variações climáticas. O tamanho da 
estrutura será de 31 cm de comprimento por 25 cm de largura com ângulo de 13 
graus. Na Figura 28a e 28b é possível visualizar o início da montagem e a estrutura 
finalizada. 
 
Figura 28a: Início da montagem da estrutura. 
 
Fonte: Autor. 
 
 
 
 
 
52 
 
Figura 28b: Montagem finalizada da estrutura. 
 
Fonte: Autor. 
 
 A partir da definição e execução da estrutura, foi feito uma ligação do painel 
com a placa que interliga o arduino e que contém o divisor de tensão com 
resistências de 100kOhm e 330kOhm, utilizado devido a tensão de 21,56V, foi 
adicionado uma resistência de 10W que serviu para suprir a carga que o painel gera, 
esse circuito se encontra dentro da caixa de isolamento. Assim, as medições não 
tem necessidade de ser interrompidas em climas chuvosos. Na Figura 29 é possível 
visualizar o diagrama elétrico do projeto completo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
53 
 
Figura 29: Diagrama elétrico do projeto completo. 
 
Fonte: Autor. 
 
3.2.2 Parte lógica 
 
 O protótipo 2 não interagiu com a movimentação igual ao protótipo 1, deste 
modo, não foi necessário acoplar ao sistema uma programação ou qualquer tipo de 
eixo ou motores, pois sua função será explicitamente estática. E por isso foi 
realizado somente uma ligação com componentes eletrônicos que fez com que 
reduza a tensão para não danificar a placa arduino. 
 Este protótipo tem como função gerar tensão (V) e corrente (A) em modo 
estático de maneira que possa confrontar com os dados do protótipo 1. Onde levou 
em consideração o fato que os protótipos estavam na mesma localidade e no 
mesmo telhado, possibilitando uma comparação precisa de local. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
54 
 
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES 
 
Neste capítulo, analisou-se os dados obtidos através das medições entre o 
protótipo 1 e 2, sendo discutido os resultados e desempenhos apresentados pelos 
painéis rastreado e estático. 
Foi realizado 7 dias de medições para os dois sistemas, do dia 28 de maio até 
dia 03 de junho, sendo observado o período das 8:00 horas ás 17:59 horas, com 
medições de um minuto a cada leitura. 
 
4.1 DESEMPENHO DO PROTÓTIPO 1 (PAINEL RASTREADO) 
 
A medição do sistema com rastreador está apresentada na Tabela 5 onde 
exibe o horário, tensão, corrente e potência, por um período de 10 horas com 
temperatura média de 28°C sem nuvens e dia ensolarado. Conforme os horários e 
as posições do Sol se alteravam, o rastreador também alterou, assim foi realizado 
medições a cada minuto desconsiderando o consumo dos servos motores e placas 
eletrônicas. Na Tabela 5, são apresentadas as médias de medições a cada 1 hora, e 
na Figura 30 ilustra o gráfico com os dados por minuto e na Figura 31 apresenta o 
protótipo instalado no telhado onde foi tirado as medições. 
 
Tabela 5: Médias de medições do protótipo 1 (rastreado) 
Horário Tensão (V) Corrente (A) Potência (W) 
08:00 12,289 0,314 3,86 
09:00 17,630 0,453 7,98 
10:00 18,082 0,463 8,38 
11:00 18,192 0,4688,51 
12:00 18,010 0,461 8,29 
13:00 17,887 0,459 8,22 
14:00 17,808 0,457 8,14 
15:00 17,426 0,445 7,75 
16:00 15,798 0,407 6,43 
17:00 5,204 0,133 0,69 
Fonte: Autor. 
 
 
 
 
 
 
55 
 
Figura 30: Gráfico de potência por minuto do sistema com rastreador. 
 
Fonte: Autor. 
 
Figura 31: Protótipo 1 (painel rastreado) instalado no telhado onde foi extraído as medições. 
 
Fonte: Autor. 
 
4.1.1 Consumo energético do protótipo 1 (PAINEL RASTREADO) 
 
A utilização do arduino e da programação fez com que houvesse um consumo 
de energia elétrica para suprir a necessidade de rastreamento solar. O sistema 
utilizava rastreios a cada 1 minuto, no qual obteve 60 medições por hora e 600 
medições por dia, onde cada movimentação levou 1 segundo para se cumprir. Os 
servos motores funcionaram em média de 10 minutos por dia, a placa do arduino 
56 
 
com a Shield ethernet e rastreador ficou às 10 horas em funcionamento. 
O servo motor do eixo Norte-Sul tem capacidade de 9kg/cm, sendo o eixo 
localizado a 8 cm do servo motor que tem a capacidade de realizar um torque de 
1,125 Kg, a qual é suficiente para fazer a movimentação. Alimentado com uma 
tensão de 5V e corrente de 170mA resultou uma potência de 0,85 Wh. Quando o 
painel estava totalmente inclinado, o servo motor exigia uma potência próxima da 
nominal para suprir a necessidade do movimento e satisfazer a programação 
inserida no microcontrolador, como o servo motor funcionou 10 minutos por dia, 
esse consumo médio foi de 0,14W/h. 
O servo motor do eixo Leste-Oeste tem capacidade de 13kg/cm, este eixo 
está localizado a 6cm do servo motor e realizou uma força de 2,16kg onde 
demonstrou com facilidade exercer a movimentação exigida pelo microcontrolador. 
Alimentado com uma tensão de 5V e uma corrente de 250mA resultou uma potência 
de 1,25Wh. No início ou final do dia, as posições do servo motor exigia mais força, 
chegando próximo a sua corrente nominal, como o servo motor funcionou por 10 
minutos no dia, o consumo médio foi de 0,208W/h. 
O arduino tem uma tensão de operação de 5V e uma corrente máxima em 
cada porta analógica de 20mA e porta digital de 50mA. Neste protótipo foi utilizado 5 
portas analógicas e 4 portas digitais, as portas analógicas foram utilizadas para 
receber informações dos sensores. Assim como os servos motores foram utilizados 
a cada 1 minuto, os sensores foram utilizados da mesma maneira. Portanto, o 
consumo da placa de arduino foi com uma tensão de 5V e uma corrente de 0,05A 
totalizando 0,25W/h. 
Todo o conjunto instalado no protótipo de rastreamento, incluindo servo 
motores, sensores e Shield obtiveram um consumo em média de 0,598W/h. De 
acordo com a geração acima da média do rastreador, esse consumo de energia 
equivale a 8,76% da energia elétrica gerada pelo protótipo 1. 
 
4.2 DESEMPENHO DO PRÓTOTIPO 2 (ESTÁTICO) 
 
O protótipo 2 (estático) foi analisado da mesma maneira que o protótipo 1 
(rastreado), considerando que ambos estavam no mesmo local. Com condições 
climáticas favoráveis e céu limpo, obteve-se uma temperatura média de 28°C. Neste 
protótipo não foi utilizado nenhum tipo de servo motor ou qualquer tipo de placa 
57 
 
eletrônica, não sendo possível seguir o sol. Este protótipo teve como finalidade fixar 
em uma única posição durante todo o tempo de geração das 08:00 as 17:59 horas. 
Na Tabela 6 são apresentados os dados de horário, tensão, corrente e potência por 
hora e na Figura 32 é apresentado o gráfico de potência por minuto e na Figura 33 
mostra onde o protótipo 2 (painel estático) estava instalado para tirar medições. 
 
Tabela 6: Médias de medições do protótipo 2 (estático) 
Horário Tensão (V) Corrente (A) Potência (W) 
08:00 1,601 0,040 0,06 
09:00 6,289 0,162 1,02 
10:00 17,347 0,445 7,72 
11:00 17,990 0,460 8,28 
12:00 17,997 0,460 8,28 
13:00 17,993 0,460 8,28 
14:00 17,680 0,454 8,03 
15:00 16,086 0,413 6,64 
16:00 10,765 0,276 2,97 
17:00 2,456 0,063 0,15 
Fonte: Autor. 
 
Figura 32: Gráfico de potência por minuto do sistema estático. 
 
Fonte: Autor. 
 
 Uma equação é utilizada para determinar a energia solar através do foco em 
um campo plano de painel fotovoltaico, esta equação foi estudada por Vant-Hull 
(1976). Na equação 7 a concentração geométrica C é dado por: 
58 
 
 𝐶 =
𝜋∗(
ℎ
cos(𝐴)
)2∗𝐹
0,5∗𝜋∗𝐷2∗(1+𝑠𝑒𝑛(𝐴)−0,5 cos(𝐴))
 (7) 
 
Onde A é o ângulo do campo, F é a cobertura da fração do campo com o painel 
fotovoltaico, D é o diâmetro do painel e h é o comprimento. 
 
Figura 33: Protótipo 2 (painel estático) instalado no telhado onde foi extraído as medições. 
 
Fonte: Autor. 
 
4.2.1 Consumo energético do protótipo 2 (PAINEL ESTÁTICO) 
 
O consumo do protótipo 2 é praticamente desprezível, pois utiliza somente 
uma porta analógica para fazer as medições de tensão extraída do painel estático. 
Portanto, pode-se dizer que este consumo é insignificante em relação a potência 
gerada. A utilização de uma porta analógica utiliza 20mA em uma tensão de 5V 
totalizando uma potência de 0,016W/h, isto quer dizer que o sistema consumiu 
somente 0,32% da geração de energia elétrica. 
 
59 
 
4.3 COMPARAÇÃO ENTRE O PROTÓTIPO RASTREADOR E ESTÁTICO 
 
Desta vez foi elaborada a comparação entre os dois protótipos, afim de 
averiguar a porcentagem de geração de energia elétrica que o rastreador solar teve 
se sobressaindo do eixo fixo. Deste modo, os dois protótipos ficaram no mesmo 
local durante os dias de medições. Como o desempenho de ambos foram medidos a 
cada minuto, foi possível fazer uma comparação clara que resultou em uma 
vantagem no protótipo 1 pelo falo do deslocamento durante o dia para uma maior 
geração de energia elétrica. 
Para efetuar uma comparação foi sobreposto os gráficos de potência de cada 
protótipo. Observa-se que o protótipo 1 estende o período máximo de incidência 
solar sobre o painel, no qual o Figura 34 exemplifica isso, onde as curvas 
encontram-se somente das 11:30h da até as 14:40h. 
 
Figura 34: Comparação de geração de potência de ambos protótipos. 
 
Fonte: Autor. 
 
A análise do valor de potência média fornecida pelos protótipos 1 e 2 
extraíram valores significativos para a comparação, no qual o sistema dotado de 
rastreamento obteve 68,25W durante o dia de medição, entretanto, o sistema 
estático obteve 51,44W durante o mesmo dia de medição em condições climáticas 
favoráveis. Na Tabela 7 é possível visualizar a comparação, obtidos do cálculo da 
equação 3. 
 
𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐴 − 𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐵
𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐵
∗ 100 (8) 
60 
 
 
onde a potência A representa o protótipo rastreador e a potência B representa o 
protótipo estático 
 
Tabela 7: Percentual de potência do protótipo 1 em relação do protótipo 2 
 Protótipo 2 (estático) 
Protótipo 1 (rastreado) 32,68% 
Com consumo energético 23,92% 
Fonte: Autor. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
61 
 
5 CONCLUSÃO 
 
A análise do protótipo de rastreamento e o protótipo estático mostraram-se 
eficiente, pois trouxe resultados significativos para o trabalho proposto, o protótipo 1 
(rastreio) obteve uma vantagem em relação ao protótipo 2 (estático) pois tinha 
componentes eletrônicos que influenciavam sua performance alterando em 32,68% 
a geração de energia elétrica. 
A comparação realizada na seção 4.3 mostrou que o protótipo com rastreador 
mostrou grandes diferenças ao sistema fotovoltaico, onde no protótipo 1 a potência 
total durante o dia foi de 68,25W contrapondo o protótipo 2 que durante o dia obteve 
uma potência total de 51,44W. 
O consumo de energia extra devido aos servos motores, sensores e 
microcontrolador analisados na seção 4.1.1, mostrou-se pouco em relação à 
geração de energia elétrica. A analise mostrou também que os motores e os 
sensores ficaram ligados