1 parte meu TCC

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UNIVERSIDADE PAULISTA
CURSO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
AMAURI FUJIMOTO
GUILHERME LEITE DA SILVA
MATHEUS FRANÇA CATA PRETA
NICHOLAS BARALDI DA SILVA SOUZA
WILLIANS AUGUSTO GOMES JUNIOR
MELHORIA DE EFICIÊNCIA DE PAINEL SOLAR QUE ACOMPANHA LUZ
São José dos Campos, São Paulo
2021
AMAURI FUJIMOTO
GUILHERME LEITE DA SILVA
MATHEUS FRANÇA CATA PRETA
NICHOLAS BARALDI DA SILVA SOUZA
WILLIANS AUGUSTO GOMES JUNIOR
MELHORIA DE EFICIÊNCIA DE PAINEL SOLAR QUE ACOMPANHA LUZ
Trabalho de Conclusão de Curso para obtenção do
título de Graduação em Engenharia de Controle e
Automação apresentado à Universidade Paulista -
UNIP, de São José dos Campos.
Orientador: Prof. Dr. Anderson Harayashiki Moreira
São José dos Campos, São Paulo
2021
FICHA CATALOGRÁFICA
(Solicitação será feita após conclusão do trabalho)
AMAURI FUJIMOTO
GUILHERME LEITE DA SILVA
MATHEUS FRANÇA CATA PRETA
NICHOLAS BARALDI DA SILVA SOUZA
WILLIANS AUGUSTO GOMES JUNIOR
MELHORIA DE EFICIÊNCIA DE PAINEL SOLAR QUE ACOMPANHA A LUZ
Trabalho de Conclusão de Curso para
obtenção do título de Graduação em
Engenharia de Controle e Automação
apresentado à Universidade Paulista -
UNIP, de São José dos Campos.
Aprovado em:
BANCA EXAMINADORA
________________/__/____
Prof. (Nome do Professor)
Universidade paulista - UNIP
________________/__/____
Prof. (Nome do Professor)
Universidade paulista - UNIP
________________/__/____
Prof. (Nome do Professor)
Universidade paulista - UNIP
AGRADECIMENTOS
RESUMO
Visto que o mundo vem a tempos procurando novas formas eficientes de obtenção
de energia elétrica renovável e que o Brasil possui um território propício a dias
ensolarados em todo o ano, principalmente em certas regiões, criou-se o interesse
em melhorias de desempenho de Painéis Solares do tipo Fotovoltaico. Assim, esse
trabalho, além de relatar grande parte da história da criação das placas, apresenta
também o projeto de um seguidor solar para comparar sua eficiência com placas
fotovoltaicas que não possuem esse sistema. O sistema em questão possui dois
eixos, o que possibilita o rastreamento solar com mais precisão, um microcontrolador
Arduino, sensores de luminosidade, motores, entre outros componentes elétricos,
além de uma IHM para visualizar os dados em tempo real. Espera-se que o conjunto
funcione de forma que os sensores de luminosidade transmitam os valores para o
Arduino que processa os dados e aciona os motores, posicionando o painel
fotovoltaico de forma que ocorra a maior incidência de luminosidade, aumentando a
geração de energia.
Palavras-chave: Energia Elétrica Renovável. Painéis Solares. Fotovoltaico. Análise.
Melhoria.
ABSTRACT
Since the world has long been looking for new efficient ways of obtaining renewable
electricity and Brazil has a favorable territory for sunny days throughout the year,
especially in certain regions, an interest in improving Photovoltaic Solar Panels
performance has been created. Thus, this work, in addition to telling much of the
history of the creation of the plates, also presents the design of a solar tracker to
compare its efficiency with photovoltaic plates that do not have this system. The
system in question has two axes, which allows for more accurate solar tracking, an
Arduino microcontroller, luminance sensors, motors, among other electrical
components, in addition to an HMI to view the data in real-time. It is expected that the
set works in a way that the luminance sensors transmit the values to the Arduino that
processes the data and drives the motors, positioning the photovoltaic panel to
create the best incidence of light, increasing the generation of energy.
Keywords: Renewable Energy. Solar Panels. Photovoltaic. Analyses. Improvement.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Matriz elétrica brasileira 2021 12
Figura 2 - Evolução da fonte solar fotovoltaica no Brasil 14
Figura 3 - Mudança de estação 16
Figura 4 - Variação do ângulo de declinação solar 18
Figura 5 - Ângulos notáveis 18
Figura 6 - Variação de radiação solar no Brasil 20
Figura 7 - Componentes da irradiância solar 22
Figura 8 - Energia residencial 24
Figura 9 - Célula de silício monocristalino 28
Figura 10 - Célula de silício policristalino 28
Figura 11 - Célula de silício amorfo 29
Figura 12 - Célula de filme fino 30
Figura 13 - Seguidores solares de eixo único 32
Figura 14 - Seguidor solar de eixo duplo 33
Figura 15 - Protótipo seguidor solar 38
Figura 16 - Sensores LDR 39
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABSOLAR Associação Brasileira de Energia Solar Fotovoltaica
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
IEA International Energy Agency
INPE Instituto Nacional de Pesquisa Espacial
EPE Empresa de Pesquisa Energética
IHM Interface Homem Máquina
LDR Lighting dependent Resistor
LISTA DE SÍMBOLOS
δ Ângulo de declinação solar
ω Ângulo do horário solar
Hs Horário solar
θz Ângulo zenital solar
φ Ângulo azimutal
Y Latitude local
Llocal Longitude local
Lfuso Grau do meridiano central
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO 11
1.1 Energia solar 15
1.2 Radiação solar 15
1.2.1 Geometria Solar 17
1.2.2 Radiação Solar no Brasil 20
1.3 IRRADIÂNCIA SOLAR 21
1.4 HISTÓRICO DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA 23
1.4.1 Descobrimento do Efeito Fotovoltaico 23
1.4.2 Criação da Célula Fotovoltaica 23
1.4.3 Primeira aplicação de Painéis Solares 24
1.5 Objetivos 24
1.6 Justificativa 25
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 27
2.1 Painéis fotovoltaicos 27
2.1.1 Células Fotovoltaicas de Silício Monocristalino 27
2.1.2 Células Fotovoltaicas de Silício Policristalino 28
2.1.3 Células Fotovoltaicas de Silício Amorfo 29
2.1.4 Células Fotovoltaicas de Filme Fino 29
2.1.5 Células Fotovoltaicas de Cobre, Índio e Gálio 30
2.1.6 Células Fotovoltaicas de Telureto de Cádmio 31
2.2 Condições Padrão de Teste 31
2.2.1 Temperatura da Célula 31
2.2.3 Massa de ar 32
2.3 Seguidor Solar 32
2.3.1 Eixo Único 32
2.3.2 Eixo Duplo 33
3 DESENVOLVIMENTO 36
3.1 MATERIAIS E METODOLOGIA 36
3.1.1 Materiais Utilizados 36
3.1.1.1 Materiais Suplementares 37
3.1.2 Métodos 37
3.1.2.1 Protótipo do seguidor solar 38
3.1.2.2 Lógica do seguidor solar 38
3.3 ANÁLISE DE DADOS 39
4 RESULTADOS 40
5 CONCLUSÃO 40
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 41
11
1 INTRODUÇÃO
Ao se observar o mundo atual, pode-se afirmar com exatidão que a energia
elétrica é um fator imprescindível quando correlacionada ao desenvolvimento e a
sobrevivência humana, de forma que ela se tornou extremamente necessária nos
mais diversos âmbitos, que variam desde setores econômicos até conforto e
bem-estar.
Não só o Brasil como o mundo inteiro tiveram um aumento de
desenvolvimento e avanços tecnológicos por conta da inclusão da eletricidade em
suas atividades. Apesar dos pontos positivos, o aumento e o uso frequente de
energia elétrica fez com que houvesse a necessidade de aumentar também sua
obtenção, o que interfere diretamente no meio ambiente, gerando novas
preocupações.
Segundo estudos, "a demanda total de energia primária dobrou no Brasil
desde 1990, liderada pelo forte crescimento no consumo de eletricidade e na
demanda por combustíveis para transporte, devido ao crescimento econômico
robusto e ao crescimento da classe média.” (IEA, 2021).
Conforme mostra a Figura 1 a seguir, a Energia Hidráulica é considerada a
principal fonte de energia do Brasil, possuindo quase 60% de participação no total
de carga gerada no país. Isso ocorre devido a grande concentração de bacias
hidrográficas existentes na região, entretanto mesmo sendo classificada como
métodode energia limpa, por não resultar em poluição, e renovável, por ser
ilimitada, o método possui ainda um peso impactante na fauna e flora, sem comentar
que nos últimos anos tem ocorrido complicações com a falta de chuva, levando a
falta de fluxo de água e comprometendo a eficiência do método em questão.
12
Figura 1 - Matriz elétrica brasileira 2021
Fonte: ABSOLAR, 2021.
Com a finalidade de proteger o planeta de possíveis complicações para as
próximas gerações em consequência de atos passados, vários países passaram a
enfatizar e incentivar uns aos outros a criarem métodos alternativos de fontes
energéticas. Através disso, alguns testes foram feitos e certos tipos de fontes
renováveis ganharam destaque por conseguirem trazer bons resultados de sua
aplicação nos solos brasileiros.
13
Por ter a maior parte de sua área localizada na zona térmica tropical do
planeta, o uso dos raios para gerar energia elétrica acaba sendo uma excelente
opção a ser investida no país, já que em diferentes localidades é possível encontrar
um céu limpo nas diferentes estações do ano, isso sem levar em conta a sua
eficiência energética.
Diariamente incide sobre a superfície da terra mais energia vinda do sol do
que a demanda de todos habitantes do planeta no ano. Dentre as diversas
aplicações da energia solar, a geração direta de eletricidade através do efeito
fotovoltaico se apresenta como uma das mais elegantes formas de gerar potência
elétrica. (RÜTHER, 2004).
Conforme havia sido previsto por Rodrigo Sauaia, presidente da Associação
Brasileira de Energia Solar Fotovoltaica (ABSOLAR), em entrevista para a Reuters
(2019), o Brasil teve um salto significativo nas capacidades de energia solar
instaladas levando ao crescimento de 44% no ano de 2019, e tendendo ao
crescimento nos próximos anos, assim como é apresentado na Figura 2 abaixo.
14
Figura 2 - Evolução da fonte solar fotovoltaica no Brasil
Fonte: ANEEL/ABSOLAR, 2021.
Estudos afirmam que “projetos de geração distribuída (GD) deverão
acrescentar 628,5 megawatts (MW) em capacidade solar ao país, um crescimento
de 125%, enquanto grandes usinas fotovoltaicas devem somar 383 MW até o final
do ano, um avanço de 21%.” (REUTERS, 2019).
15
Uma das melhores formas de captação de raios solares é por meio de painéis
solares, estruturas formadas por um conjunto de células interligadas entre si de um
material propício à obtenção e transformação em eletricidade. Elas podem ser
aplicadas de diversas formas tanto em estruturas residenciais como em locais
industriais, geralmente no ponto mais alto como telhados e terraços, permanecendo
de estático durante seu funcionamento.
Tendo como finalidade atingir o máximo de eficiência possível dos painéis, é
necessário implementar uma estrutura que seja capaz de posicionar as placas
solares viradas diretamente para o Sol de forma automática.
O desenvolvimento do projeto baseia-se em alguns conceitos teóricos, que
estão diretamente relacionados às pesquisas, estudos e comprovações realizadas
no passado, portanto podemos dizer que esse conteúdo, de modo geral, está
atrelado ao conhecimento e a toda ciência que envolve o sistema do seguidor solar
proposto, possibilitando o entendimento de pontos cruciais de seu funcionamento.
1.1 Energia solar
Sendo a energia classificada como a capacidade de um corpo em realizar um
tipo de trabalho que se manifesta de formas distintas, pode-se definir a energia solar
como manifestação de calor originada do Sol, que se encontra a aproximadamente
150 milhões de quilômetros da Terra.
A energia solar chega à Terra nas formas térmica e luminosa. Segundo o
estudo sobre Outras Fontes Constantes do Plano Nacional de Energia 2030,
produzido pela Empresa de Pesquisa Energética, sua irradiação por ano na
superfície da Terra é suficiente para atender milhares de vezes o consumo anual de
energia do mundo. (ANEEL, 2008).
1.2 Radiação solar
A maior parte da energia solar, após atravessar a atmosfera terrestre, se
manifesta em forma de luz visível de raios ultravioletas e infravermelhos, capazes de
serem capturados e transformados em outra forma de energia, como a térmica e a
elétrica. (ANEEL, 2008).
Isso leva ao que se chama Lei de Lavoisier, criado pelo químico francês e
detentor da famosa frase: “Na natureza, nada se cria, nada se perde, tudo se
16
transforma.” devido a sua descoberta de conservação de massa em 1785. (NAHRA,
2019).
Assim, a definição de radiação solar consiste na quantidade de energia que
se propaga por meio de ondas eletromagnéticas, classificadas anteriormente, logo
se refere ao fluxo de potência de energia emitida pelo Sol.
É correto afirmar que o mecanismo pelo qual a Terra, junto da sua atmosfera,
entra em contato e minimiza a intensidade dos raios solares ao longo do seu
percurso até atingir a superfície pode ser determinado como transferência radiativa.
A energia originada pelo Sol, é emitida como radiação eletromagnética, e de acordo
com as afirmações formuladas pelos estudos de Pereira et al (2017): “parte dessa
energia é interceptada pela Terra, os diferentes comprimentos de onda da radiação
interagem de forma distinta com os constituintes atmosféricos, sofrendo processos
de absorção e espalhamento.”
O valor da radiação do planeta não é constante quando colocado em análise
por um período considerável. Isso ocorre, pois a radiação está vinculada à distância
do Sol com a Terra, que varia durante o ano devido a órbita elíptica em que o
planeta se apresenta ao redor do astro. A Figura 3 abaixo representa tais variações
anuais.
Figura 3 - Mudança de estação
Fonte: PEREIRA et al., 2017.
Além da translação orbital existente, “o movimento de rotação da Terra em
torno de seu eixo está ligado ao ciclo diário da variabilidade da incidência da energia
17
proveniente do Sol.” (PEREIRA et al., 2017). Isso acontece devido a inclinação de
aproximadamente 23,45º ao qual o planeta se encontra em relação ao seu
movimento de rotação, que acontece no próprio eixo imaginário, com o plano da sua
órbita, fazendo com que os raios que propagam iluminação não atinjam a superfície
de forma homogênea durante seu ciclo anual.
1.2.1 Geometria Solar
Para compreensão da variabilidade da radiação solar, faz-se o uso analítico
dos ângulos notáveis geométricamente e de modo espacial da posição do Sol em
relação ao planeta Terra. Tais ângulos, apresentados de modo ilustrativo nas Figuras
4 e 5, são:
● Declinação Solar (δ): Ângulo formado pela inclinação da Terra com a linha de
direção Sol-Terra que ao longo do ano varia seu valor (24º 17’) de positivo para
negativo, sendo esse último quando essa linha está direcionada ao hemisfério
Sul;
● Horário Solar (ω): Ângulo relacionado com o movimento aparente do Sol
durante o dia, onde cada hora (Hs) corresponde a 15º totalizando em 180º com
valores positivos na manhã, negativos a tarde e valor nulo as 12 horas;
● Zenital Solar (θz): Formado entre linha na vertical do ponto de vista do
observador com a linha ao qual liga ao ponto da superfície do Sol a Terra, sendo
igual a 90º quando o Sol nasce ou se põe. Esse pode ser calculado caso
obtenha os valores correspondentes aos ângulos de declinação solar (δ) e o
ângulo horário solar (ω), além da latitude do local (Y);
● Azimutal (φ): Consiste no ângulo que se forma da projeção da linha da direção
ao Sol na horizontal com o meridiano do observador.
18
Figura 4 - Variação do ângulo de declinação solar
Fonte: PEREIRA et al., 2017.
Figura 5 - Ângulos notáveis
Fonte: PEREIRA et al., 2017.
19
O valor do ângulo do horário solar é calculado em função do horário local (Hs)
pela Equação 1:
ω = 15°. (Hs -12) (1)
Através da Equação 2, pode-se determinar o valor do ângulo de declinação
solar, variando esse de acordo com o dia do ano (D) que se aplica o estudo:
δ = – 23,45º. cos ((360º /365).(D+10)) (2)
Conhecendo a latitude local (Y), assim como foi descrito anteriormente, existe
a possibilidade de se calcular o ângulozenital solar da forma em que a Equação 3 é
apresentada abaixo:
cos θz = sen Y . sen δ + cos Y . cos δ . cos ω (3)
Também é possível realizar o cálculo do ângulo azimutal solar por meio do
resultado da Equação 4:
sen φ = cos δ sen ω / sen θz (4)
Existe a diferença entre o horário solar, ao qual todos os cálculos dos ângulos
estão relacionados, com o horário legal, que é o qual utilizamos de modo comum
acompanhado geralmente pelo relógio para controle de afazeres diários
determinados pelo fuso de cada região.
Assim, descobre-se que o valor do horário solar verdadeiro se baseia na
posição de latitude do local em graus. Esse valor terá uma diferença entre o valor
meridiano central do fuso dessa localidade.
Sabendo que em 24 horas o planeta faz uma rotação em seu próprio eixo
num total de 360º, entende que a cada 1 hora o Sol ilumina cerca de 15º, sendo
então que a cada 4 minutos exista a iluminação de 1º.
Logo, a diferença da longitude do local (Llocal) com o grau do meridiano central
(Lfuso) multiplicado pelos 4 minutos, resultará na diferença verdadeira do horário solar
com o horário marcado no relógio, conforme descrito na Equação 5:
Hs = (Llocal - Lfuso) . 4 (5)
20
Portanto um conceito ainda deve ser considerado nessa diferença na questão
na qual ela é deve ser atribuída ou subtraída do horário determinado pelo fuso.
Considerando que o Sol tende a nascer no ponto Leste e se por ao Oeste, caso a
localidade em estudo esteja na posição Oeste do meridiano, seu valor deve ser
subtraído do fuso e o contrário caso esteja ao Leste dele.
1.2.2 Radiação Solar no Brasil
De acordo com os dados do Atlas Solarimétrico do Brasil do Plano Nacional
de Energia 2030, “essa radiação varia de 8 a 22 MJ (Megajoules) por metro
quadrado (m²) durante o dia, sendo que as menores variações ocorrem nos meses
de maio a julho, variando de 8 a 18 MJ/m².” (ANEEL, 2008).
Segundo os estudos realizados pelo EPE (Empresa de Pesquisa Energética),
no Brasil a região do Nordeste é a que possui a maior concentração anual de
radiação solar do país em comparação às outras localidades, como é possível
observar na Figura 6.
Figura 6 - Variação de radiação solar no Brasil
Fonte: ANEEL, 2008.
21
1.3 IRRADIÂNCIA SOLAR
Descrita como irradiância solar, é a taxa de energia pela área no topo da
superfície em que ela se aplica, gerando assim um valor que garante a possibilidade
de análises comparativas entre uma parcela e outra.
A irradiância solar (W/m²) que incide em uma superfície é composta por suas
componentes direta e difusa. A irradiância solar direta apresenta direção de
incidência na linha imaginária entre a superfície e o Sol e representa a parcela que
não sofreu os processos radiativos de absorção e espalhamento que ocorrem na
atmosfera. A componente difusa engloba a radiação proveniente de todas as demais
direções que são decorrentes dos processos de espalhamento pelos gases e
partículas presentes na atmosfera. (PEREIRA et al., 2017).
Mediante isso, ao passar pela atmosfera da terra, uma taxa de energia acaba
sendo dividida por diversas outras taxas, espalhando pelo meio de formas
diferentes, podendo então cada uma delas serem classificadas como:
● Irradiância extraterrestre (G0): Consiste na taxa de energia incidente por
unidade de área em um plano imaginário de forma horizontal localizado no topo
da atmosfera;
● Irradiância direta normal (Gn): Também conhecido como (DNI), é a taxa de
energia por unidade de área vindo diretamente do Sol que incide de modo
perpendicular à superfície;
● Irradiância difusa horizontal (Gdif): É a taxa de energia incidente sobre uma
superfície horizontal por unidade de área, devido ao espalhamento do feixe solar
direto por moléculas, material particulado, nuvens, entre outros constituintes da
atmosfera;
● Irradiância direta horizontal (Gdir): Taxa de energia por unidade de área do
feixe solar direto numa superfície horizontal, é o produto entre a irradiância direta
normal (Gn) e o cosseno do ângulo zenital solar.
● Irradiância no plano inclinado (Gi): é a taxa de energia total por unidade de
área incidente sobre um plano inclinado na latitude do local em relação à
superfície da Terra.
22
● Irradiância global horizontal (G): Energia total por unidade de área incidente
numa superfície horizontal. Essa pode ser calculada tanto pela Equação 6
quanto pela Equação 7:
G = Gdif + Gdir (6)
G = Gdif + Gn .cos(θz) (7)
● Albedo: Parte da radiação solar que se refletem e retornam para o espaço
depois de atingirem superfícies que possuem uma inclinação em relação ao
plano horizontal.
O momento em que a irradiância atinge a atmosfera e se espalha é visível por
meio da ilustração apresentada na Figura 7.
Figura 7 - Componentes da irradiância solar
Fonte: PEREIRA et al., 2017.
Quando integrada no tempo, a irradiância é definida como irradiação, ou seja,
quantidade de energia acumulada em um determinado intervalo de tempo (Wh/m²).
23
1.4 HISTÓRICO DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
A implementação das placas solares, ocorre de forma gradativa com o passar
dos tempos, com avanços tecnológicos e consequentemente com a ampliação de
suas aplicações e formas de uso pelo ser humano. Portanto, para que todas essas
evoluções aconteçam e para que inovações sejam criadas no futuro sempre será
necessário o entendimento das suas origens e a compreensão de seu
funcionamento básico.
1.4.1 Descobrimento do Efeito Fotovoltaico
Resultado de contínuos estudos e aprimoramentos de cientistas, a história da
criação do painel solar fotovoltaico teve início através do físico francês Alexandre
Edmond Becquerel, que descobriu os efeitos fotovoltaicos em experimentos e
observações utilizando eletrodos, que em uma solução condutora acabava criando
corrente elétrica, no ano de 1839. (STROM, 2014).
Apesar da energia solar ter sido considerada uma tecnologia futurista, pelo
seu entendimento ter sido restrito somente para pessoas que tinham a vida voltada
para pesquisa, muitos avanços de interesse e conhecimento do assunto com o
passar dos anos levaram ao marco da concretização de conseguir energia limpa
através dela.
1.4.2 Criação da Célula Fotovoltaica
O estadunidense Russell Shoemaker Ohl é reconhecido na história por ter
patenteado a tão moderna célula solar da Era Moderna da Energia Solar, porém sua
invenção não teria êxito se não fosse por Calvin Fuller e Gerald Pearson, que
desenvolveram e melhoraram o projeto.
Em 1954, durante a reunião anual da National Academy of Science, foi
oficialmente apresentada a primeira célula solar, essa com eficiência superior e
eliminando muito dos problemas que a versão de Ohl possuía, graças aos
conhecimentos químicos de Fuller que adicionou arsênio e boro junto ao silício.
(STROM, 2014).
Nos últimos anos, o uso e os estudos da energia solar vem crescendo
exponencialmente devido aos seus benefícios, ao mercado e ao meio ambiente, já
24
que a aquisição de energia por meio dos painéis não prejudica a sustentabilidade. O
aumento da procura e interesse foi benéfico não somente para novas pesquisas,
mas também de forma econômica, já que os recursos se tornaram mais acessíveis,
fazendo com que residências, comércios e indústrias pudessem fazer instalações
dos sistemas solares, como mostrada na Figura 8.
25
Figura 8 - Energia residencial
Fonte: ENVO, 2019.
1.4.3 Primeira aplicação de Painéis Solares
Quatro anos após a criação dos painéis solares, seu uso começou a ter
prioridades em projetos espaciais, como foi o caso do satélite denominado Vanguard
1, alimentado por energia solar de painel de 1 Watt. (NASA, 2021).
Depois que diversos outros satélites foram desenvolvidos pelo mesmo
sistema, novos aperfeiçoamentos passaram a surgir com o decorrer dos anos, como
por exemplo melhor eficiência de conversão e capacidade energética, possibilitando
a sua utilização em variados tipos de aplicações.
1.5 Objetivos
Levando em consideração a menção feita nesse capítulo, de existir a
possibilidade de umganho maior de captação de raios solares por meio dos painéis
solares que acompanham o Sol, tem-se como objetivo principal do trabalho construir
um protótipo capaz de gerar dados, apresentados através de uma Interface Homem
Máquina, que serão analisados para concluir se sua eficiência é de fato viável,
26
mesmo com todas as variáveis possíveis que possam vir a interferir no sistema de
modo geral.
O estudo realizado para formulação deste trabalho consiste em certos
objetivos específicos, pontos importantes que refletem diretamente no resultado e na
sua análise final, sendo eles:
● Levantamento de materiais e equipamentos necessários, tanto hardware
quanto software;
● Montagem de um sistema bem estruturado, capaz de realizar os movimentos
dos eixos rotativos e garantir bom controle do posicionamento das placas
fotovoltaicas;
● Aplicação de uma IHM, com entrega de dados funcionais e necessários para
consulta de informações importantes do sistema;
● Identificação do sistema com a finalidade de identificar vantagens e
desvantagens, abrindo supostas ideias para realização de ajustes e então
conclusões definitivas de eficiência e viabilidade.
1.6 Justificativa
Visto que o consumo de energia elétrica tende a crescer junto com a busca
pela geração de energia mais eficiente com o mínimo de impacto ambiental, é
necessário saber se uma placa fotovoltaica com um seguidor solar é realmente mais
eficiente que uma placa fixa.
Assim, por meio de etapas sob o uso de certos parâmetros como seleção de
equipamentos, montagem, aplicações de testes, desenvolvimento de protótipo,
simulações, cálculos e estudos analíticos, desenvolvidos através dos conhecimentos
e da prática, procura-se descobrir as vantagens e desvantagens de um sistema de
placa fotovoltaica que segue o sol, para que possa ser feita a melhor comparação de
eficiências entre a placa com seguidor solar e a fixa.
Os estudos e a tal busca para atingir os objetivos definidos, não devem se
limitar apenas à proposta de melhoria da eficiência da geração de energia pelos
painéis solares, mas também em equipamentos desenvolvidos que possam
aumentar a sua funcionalidade e controle estatísticos do sistema, como por exemplo
27
a implementação de uma Interface Homem Máquina, trazendo inovações
complementares ao uso dos seguidores solares.
27
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Esse capítulo do trabalho apresenta as variações de placas solares e de
estruturas presentes no mercado e tem como propósito servir de base para as
melhores escolhas dos componentes necessários ao desenvolvimento do projeto,
em virtude das vantagens que possam oferecer, a fim de que os objetivos sejam
cumpridos com êxito.
2.1 Painéis fotovoltaicos
Nos últimos 60 anos, várias tecnologias de fabricação de células fotovoltaicas
foram desenvolvidas e, atualmente, células fotovoltaicas fabricadas a partir de
lâminas de silício cristalino (monocristalino ou policristalino) dominam o mercado
mundial. Desde 2000, essa tecnologia responde por mais de 81% da produção
mundial e atingiu 87,9% do mercado em 2011. Mas também existem outros tipos de
placas que são baseadas na tecnologia de filmes finos.
Também estão em desenvolvimento células fotovoltaicas multijunção de alta
eficiência e células baseadas em corante (DSSC – Dye Sensitized Solar Cells) ou
polímeros.
2.1.1 Células Fotovoltaicas de Silício Monocristalino
Células fotovoltaicas de silício monocristalino ilustradas pela figura 9 são,
atualmente, as mais eficientes, entre 15% e 22%. Essa célula é historicamente a
mais usada e comercializada, e a tecnologia para seu processo de fabricação é
básica e muito bem constituída. A célula é produzida a partir de um único cristal de
silício, que é cortado em finas lâminas mantendo um padrão e cor uniforme.
A vida útil dos painéis monocristalinos costuma ser maior do que 30 anos, e
tende a funcionar melhor do que painéis solares policristalinos em condições de
pouca luz.
28
Figura 9 - Célula de silício monocristalino
Fonte: CRESESB, 2008.
2.1.2 Células Fotovoltaicas de Silício Policristalino
As Células Fotovoltaicas de Silício Policristalino, representadas pela imagem
10, estão em segundo lugar quando se trata de eficiência, entre 14% e 20%. Isso
acontece pelo seu método de fabricação, que é a principal diferença entre as
tecnologias. Nas células policristalinas, os cristais de silício são fundidos em um
único bloco, o que preserva a formação de múltiplos cristais que podem ser
observados quando o bloco é fatiado.
Devido ao menor rigor de fabricação quando comparado ao Monocristalino, o
preço das células policristalinas também é menor, mas apesar disso elas têm o
mesmo tempo de vida útil, mais do que 30 anos.
Figura 10 - Célula de silício policristalino
Fonte: CRESESB, 2008.
29
2.1.3 Células Fotovoltaicas de Silício Amorfo
Já a Célula Fotovoltaica de Silício Amorfo, que pode ser vista na figura 11,
possui o menor rendimento entre todas elas, sendo realmente viável apenas quando
utilizada com a técnica do empilhamento, que combina várias camadas de células
resultando em um rendimento de 6% a 9%.
A fabricação de células de silício amorfo é muito mais barata porque só 1% de
silício usado nas células de silício cristalino é necessário para produção de uma
célula de silício amorfo, no entanto o empilhamento possui um custo elevado e, além
disso, as células começam a se degradar nos primeiros seis meses, reduzindo muito
a vida útil delas, fazendo com que sejam majoritariamente utilizadas apenas em
calculadoras.
Figura 11 - Célula de silício amorfo
Fonte: ARCHIEXPO, 2021.
2.1.4 Células Fotovoltaicas de Filme Fino
Filme fino é uma categoria de células fotovoltaicas que é produzida
depositando uma ou mais camadas de material fotovoltaico sobre um substrato
como mostra a figura 12. As principais células produzidas utilizando essa técnica são
30
as de silício amorfo (a-Si), telureto de cádmio (CdTe) e a de cobre, índio e gálio
(CIS/CIGS).
Em 2015 os painéis de filme fino representavam aproximadamente 20% do
mercado mundial. As principais vantagens desses painéis sobre os de silício
cristalino são a simplicidade da produção em massa, flexibilidade do painel e
resistência a altas temperaturas. Já as desvantagens são menor eficiência por m² e
degradação mais rápida.
Figura 12 - Célula de filme fino
Fonte: ALIBABA, 2021.
2.1.5 Células Fotovoltaicas de Cobre, Índio e Gálio
Quando comparada com as outras tecnologias de filme fino, as células
fotovoltaicas de cobre, índio e gálio possuem o maior potencial de eficiência,
variando entre 10% a 12%.
Devido a sua alta absorção essas células gastam menos material para serem
produzidas em relação às células de silício, sendo necessário apenas uma película
de 1 μm de espessura, enquanto células de silício necessitam de camadas entre 200
a 300 μm de espessura.
31
2.1.6 Células Fotovoltaicas de Telureto de Cádmio
A Célula Fotovoltaica de Telureto de Cádmio é a única tecnologia de painéis
solares de filme fino que conseguiu superar o custo/eficiência dos painéis solares de
silício cristalino e ganhar uma parcela significativa do mercado mundial. Sua
eficiência fica em torno de 9% a 16%.
Quando comparado às tecnologias mencionadas anteriormente, o telureto de
cádmio pode ser produzido em larga escala com custos menores que os de silício
cristalino e são mais eficientes que os de silício amorfo. O lado ruim dessas células,
no entanto, é a baixa disponibilidade do composto químico e sua toxicidade.
2.2 Condições Padrão de Teste
A classificação da Potência Nominal Máxima (Pmax) que os painéis solares
trazem, tem como parâmetro de referência as condições de teste padrão ou STC (do
inglês: Standard Test Conditions) onde tira-se de base a produção de energia
medida em condições de laboratório, sendo estabelecidas estas para manter a
uniformidade na padronização e comparação dos painéis solares.
2.2.1 Temperatura da Célula
A potência nominal do painel solar nas CondiçõesPadrão de Teste baseia-se
em um painel com a temperatura de 25 °C. Isso significa que para estabilizar sua
potência nominal máxima (Pmax), e gerar a quantidade de watts esperada, conforme
estabelecido em sua ficha técnica, é necessário controlar a temperatura na célula
fotovoltaica por todo o período de testes, sendo de suma importância pois perde-se
eficiência quando painéis solares são superaquecidos.
Na prática existirá um significativo impacto nos resultados por meio desta
diferença de temperatura, um proposto painel solar instalado externamente ficará,
em média, 20 °C mais quente do que a temperatura ambiente. Ou seja, um dia que a
temperatura ambiente estiver em 20 °C o seu painel solar vai estar, provavelmente,
com uma temperatura de aproximadamente 40 °C.
2.2.2 Incidência de irradiação solar
Tendo em vista que os módulos fotovoltaicos são classificados de acordo com
sua saída de energia CC máxima (watts) em ambiente de laboratório onde são
32
instaladas as placas fotovoltaicas, se baseia na incidência da radiação solar
terrestre, sendo uma média de 1000 W/m². Como a irradiância solar não possui
linearidade, surgiu a necessidade de criar-se um padrão pois medindo a irradiância
foi constatado que há fatores que interferem os resultados desejados, sendo eles:
latitude, variação solar, estações do ano, clima, poluição atmosférica no local, etc.
2.2.3 Massa de ar
Massas de ar são ventos que formam bolsões de ar conforme se deslocam
por diferença de pressão, carregando características de temperatura, pressão e
umidade, até que essa massa de ar se dissipe ela terá influência sobre o painel
solar. Portanto foi estabelecido um padrão para testes sendo a massa do ar 1,5 e a
velocidade do vento de 1 m/s.
2.3 Seguidor Solar
Seguidor solar também conhecido como Tracker, é usado para aumentar a
captação de luz solar. Este dispositivo é capaz de “seguir” a posição do sol usando
um microcontrolador e motores para girar seus eixos.
Os seguidores podem ser encontrados em dois tipos, um com eixo único e
outro de eixo duplo, sendo ambos mais eficientes que o sistema fixo sem rastreador,
que servirá de comparação para esse trabalho.
2.3.1 Eixo Único
O sistema dotado de eixo único tem a sua rotação apenas vertical, horizontal
ou oblíqua, seguindo o sol de oeste a leste com base numa programação feita para
cada estação do ano e horário do dia, conforme representa a Figura 13. Embora
seja mais simples que o sistema de eixo duplo, este sistema é mais barato, possui
menos pontos de falha e exige pouca manutenção.
33
Figura 13 - Seguidores solares de eixo único
Fonte: Microgeração Fotovoltaica, 2016.
2.3.2 Eixo Duplo
Já o sistema de eixo duplo, exemplificado pela Figura 10, tem a sua rotação
ao longo do azimute conseguindo seguir de forma mais assertiva a posição do sol já
que ele tem acesso a todas as posições (norte, sul, leste e oeste) gerando assim um
rendimento maior. Porém, diferente do eixo único, é mais caro e exige mais
manutenção, além de possuir mais pontos de falhas.
Figura 14 - Seguidor solar de eixo duplo
Fonte: Microgeração Fotovoltaica, 2016.
34
Como esse trabalho busca obter a melhor eficiência, o uso do sistema de eixo
duplo seria o mais apropriado. Porém cada projeto é único, portanto o mais indicado
é contratar um profissional e verificar as melhores opções no mercado.
36
3 DESENVOLVIMENTO
Neste capítulo serão detalhadas as etapas relacionadas ao desenvolvimento
do seguidor solar, especificando cada parte do circuito para uma melhor
compreensão do funcionamento abrangendo toda a parte de hardware, software,
projeto e montagem, para que uma possível comparação do seguidor solar possa
ser contemplada diante a tradicional placa fotovoltaica com eixo fixo.
Tendo como objetivo aumentar a produção de energia que o sistema
fotovoltaico vinha entregando a quem usufruía de sua finalidade, desenvolveu-se o
fator que procura potencializar sua eficiência, implementado uma forma de alterar a
posição dos painéis ao longo do dia, chamado de seguidor solar.
Em meio desse conceito, profundas análises vêm sendo feitas
constantemente com a finalidade de tornar ainda melhor o sistema contemplado
neste trabalho, tornando possível então mudanças e melhorias em etapas do
projeto, sendo elas desde dos parâmetros físicos como também de forma inteligente,
considerando todos os desenvolvimentos programados existentes.
3.1 MATERIAIS E METODOLOGIA
Com a finalidade de que o resultado seja positivo em relação aos objetivos
definidos inicialmente, é preciso considerar necessário como uma base sólida do
projeto uma metodologia significativa acompanhada de uma construção o mais
precisa possível. Logo tem-se como plano os parâmetros citados nos próximos
tópicos do trabalho.
3.1.1 Materiais Utilizados
Coleta de informações são ideais para assim poder chegar a uma conclusão
sobre os melhores componentes a se utilizar no projeto que possa garantir o bom
funcionamento dele, já que o mercado possui imensas variações e opções de
combinação.
Para a obtenção de resultados consideráveis de tempo de resposta, controle,
detecção, movimento, posicionamento e outros fatores necessários, lista-se abaixo
os materiais que devem ser utilizados:
37
● 1 Placa Arduino Uno SMD + Cabo USB para Arduino;
● 1 Mini Módulo Solar Fotovoltaico 54 x 54 mm 12v;
● 1 Estrutura em MDF para Rastreador Solar;
● 2 Micro Servo Motor 9g SG90 180°;
● 1 Extensor de Portas com Jack P4;
● 4 LDR Sensor de Luminosidade 5mm;
● 5 Parafuso Phillips M3 x 10mm Metálico;
● 6 Jumper Premium para Protoboard Macho-Fêmea 20 cm;
● 2 Jumper Premium para Protoboard Macho-Macho 20 cm;
● 4 Jumper Premium para Protoboard Macho-Macho 30 cm;
● 2 Jumper Premium para Protoboard Fêmea-Fêmea 30 cm;
● 1 Fonte de Alimentação Chaveada 5VDC 1A.
3.1.1.1 Materiais Suplementares
Responsáveis pelo auxílio nos processos que compõem ajustes, fixações, e
programação algumas ferramentas são classificadas indispensáveis, sendo
materiais extremamente exigidos para que exista a construção do projeto. São eles:
● Chave de Fenda Cruzada (Philips) 10mm;
● Multímetro;
● Arduino Software (IDE).
3.1.2 Métodos
Após a definição de todos os materiais necessários para realização da
montagem de toda a estrutura da placa fotovoltaica com seguidor solar e também de
aparelhos com instalações de softwares requisitados, o próximo passo será a
organização de ideias de forma organizada que irá garantir que a construção seja
resistente e que o conjunto montado receba códigos e execute as ações com
maestria.
Para isso, análises e desenvolvimentos serão prioridades nessa parte do
projeto, partindo não só dos estudos, mas também de coleta de dados referentes ao
valor com que o painel entrega de acordo com o seu posicionamento, e se de fato a
sua posição é a mais adequada em referência a luz que está destinado a
acompanhar.
38
3.1.2.1 Protótipo do seguidor solar
Os dados devem ser tomados por testes feitos durante todo o processo, e
para isso um protótipo, tendo como base um Arduino Uno, que será ligado a
sensores LDR e servo motores, será o ponto inicial para controle de progresso das
alterações em busca do melhor resultado, assim como é mostrado na Figura 15.
Conhecidos como LDR, do inglês Light Dependent Resistor, esses sensores
são capazes de medir a variação de luminosidade que incide sobre eles, onde
quanto maior for intensidade de luz propagada sobre ele, menor sua resistência
elétrica. Depois da leitura, esse sinal é enviado de forma analógica para o Arduino,
que por sua vez dá o comando para os servos motores moverem a placa
fotovoltaica. (ALVES, 2021).
Figura 15 - Protótipo seguidor solar
Fonte: USINAINFO, 2020.
39
3.1.2.2 Lógica do seguidor solar
Para que todos esses materiais conversem entre si da forma desejada é
escrito um código em linguagem de programação C, que é interpretado pelo arduino,
que manda os comandos para os motores posicionarem a placa na melhorposição
possível, e isso é definido pelos sensores LDR.
Como ilustrado na Figura 16, para que o sistema funcione corretamente é
necessário que os quatro sensores LDR sejam colocados acima da placa
fotovoltaica e sejam separados por divisores, fazendo com que a luz que cada um
recebe só seja igual quando todos eles se encontrarem perpendicular ao sol, que é o
melhor ângulo para absorção de energia.
Figura 16 - Sensores LDR
Fonte: USINAINFO, 2020.
Na prática isso quer dizer que enquanto os sensores passarem sinais
diferentes para o Arduino os motores moveram a placa no sentido do sensor com
menor resistência, que por sua vez é o que está com maior incidência de luz solar,
até que os sinais sejam todos idênticos.
40
3.3 ANÁLISE DE DADOS
(A ser desenvolvido).
4 RESULTADOS
(A ser desenvolvido).
5 CONCLUSÃO
(A ser desenvolvido).
41
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