Desenvolvimento de um sensor de radiação solar de baixo custo para aplicações em placas fotovoltaicas
Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de um sensor de radiação solar de baixo custo para aplicações em placas fotovoltaicas. Desenvolvido na disciplina de Projeto Integrador 3 do curso de graduação em Engenharia Eletrônica do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina (IFSC).
- Monitorar a radiação solar medida pelo sensor para comparação com a potência gerada pela placa fotovoltaica, e assim verificar se a placa fotovoltaica está suja.
- Desenvolver um sensor de baixo custo, que não precise de muita manutenção.
Este projeto dividiu-de em 7 etapas, sendo elas:
- Análise bibliográfica sobre energia fotovoltaica e radiação solar, averiguando informações sobre modelos de sensores que pudessem ter baixo custo.
- Escolha da 'case' e dos componentes a serem usados no projeto.
- Planejamento de comunicação entre o microcontrolador e o sensor vinculado à placa fotovoltaica.
- Desenvolvimento do sensor.
- Desenvolvimento do software para aquisição de dados advindos do sensor.
- Integração do microcontrolador com a placa fotovoltaica e o sensor para aquisição de dados.
- Finalização, testes e deferimento do projeto.
Placas fotovoltaicas estão sempre em desenvolvimento e avanços, uma delas é a inserção de sensores que possam captar a radiação para verificar se o painel está fornecendo a energia máxima. Fatores externos podem alterar a eficiência de um painel, e um fator bastante importante que tem sido deixado de lado é o "fator sujeira". Elementos como o ácaro, folhas, lama, restos de seres vivos e entre outros, podem formar uma camada de sujeira com o passar do tempo necessitando assim manutenção periódica do painel.
Figura 1. Painel fotovoltaico sujo.
Figura 2. Painel fotovoltaico limpo.
Para que seja possível conferir se o painel está com essa camada de sujeira, é necessário um microcontrolador vinculado à um sensor de radiação que possa mostrar a comparação entre a potência gerada pelo painel fotovoltaico e a radiação captada pelo sensor, onde, muita radiação e pouca energia gerada pelos painéis informa que as placas podem estar sujas e precisam de manutenção. Um tipo de sensor utilizado é o piranometro SP Lite2, localizado no Instituto Federal de Santa Catarina com um valor de alto custo.
Figura 3. Pyranometro SP Lite2.
É importante salientar que a energia solar não depende da intensidade luminosa do Sol. Pois o dispositivo usado para determinar a quantidade de energia solar, concentra em um ponto e mede a radiação (radiometria) ao invés do fluxo luminoso (fotometria). A figura abaixo mostra a energia contida no espectro solar (área sob a curva). Pode ser visto que a porção principal da energia está contida entre 300nm e 1300 nm de comprimento de onda.
Figura 4. Diagrama do espectro da radiação solar.
O objetivo deste trabalho é projetar e construir um sensor de radiação solar capaz de coletar dados de irradiância usando componentes de baixo custo, e com base no artigo "DESIGN OF A LOW-COST SENSOR FOR SOLAR IRRADIANCE" disponível em: (http://twixar.me/8Zdn), foi possível fazer implementação e testes.
Utilizou-se um fototransistor, onde uma excitação de luminosidade na base do fototransistor gera uma corrente entre o coletor e emissor, que é proporcional à incidência de radiação. Para isso utilizou-se o fototransistor PT204C na configuração de emissor comum como mostrado no circuito da Figura 1. Nesta configuração, uma variação na corrente do coletor é proporcional a variação de tensão entre emissor e GND(ground - terra).
Figura 5. Esquemático do circuito.
Utilizando o PT204C e esta configuração, a máxima radiação que ele consegue medir é de 50W/m² com uma tensão de 5V. Porém esse valor é muito menor do que a radiação que precisa medir em Florianópolis-SC, e para isso precisou utilizar um atenuador para que o sensor não saturasse. A estrutura física do sensor foi composta por uma placa com o circuito da Figura 1, um cano de PVC e algumas camadas de teflon. O fototransistor foi colocado no centro de um cano de PVC de 24mm à 10mm do topo do cano como mostra a Figura 8.
Figura 6. Posição do PT204C no cano de PVC.
Para que o sensor não saturasse foi utilizado um atenuador feito com teflon. Utilizou-se 24 camadas de teflon, dispostas uma em cima da outra como mostra a Figura 7, e após isso foi colocado um peso em cima deixando lá por 24h, para que saísse todo o ar entre as camadas.
Figura 7. Camadas de teflon.
Após colocar as camadas de teflon no cano de PVC, obtivemos como resultado a Figura 8. Com as camadas de teflon obtivemos uma atenuação de 92%, ou seja o máximo de radiação que ele conseguirá medir sem saturar é de 1242 W/m², o suficiente para a cidade de Florianópolis-SC. Como suporte para o sensor de radiação utilizou-se uma tampa de cano de PVC com um furo central onde foi colocado o sensor.
Figura 8. Sensor com atenuador de teflon.
Como o sensor ficará ao ar livre optamos por colocar uma cúpula de uma lâmpada de LED, vedada com silicone para proteger o sensor da chuva e da sujeira que poderia ficar acumulada no teflon. A Figura 9 mostra o resultado final da produção do sensor, a case vedada com silicone foi utilizada para armazenar o microcontrolador e a bateria utilizada, para que estes também ficassem protegidos da chuva.
Figura 9. Protótipo Sensor de Radiação.
Para aquisição de dados foi desenvolvido um código em C utilizando o microcontrolador ATMEGA328P, com o conversor analógico - digital do microcontrolador, foi possível adquirir os resultados do sensor de radiação e da potência da placa fotovoltaica. Para que fosse possível obter resultados satisfatórios, utilizou-se um RTC(Real Time Clock) para que ficasse salvo em qual horário foi adquirido o valor do sensor de radiação, e um módulo com cartão de memória para salvar estes dados. Ou seja, a cada 30 segundos é realizado uma média móvel de 8 valores adquiridos pelo ADC do microcontrolador (que representam os valores do sensor de radiação) e após isso é gravado em uma planilha no cartão de memória o valor dos ADCs e o horário. Com isso obtém-se uma planilha com os dados de radiação e potência da placa fotovoltaica.
FOTO DA PLAQUINHA Figura 10. Foto da placa
Para que fosse possível obter os dados da potência da placa fotovoltaica, utilizou como carga um circuito composto por 3 resistores em série: 2 resistores no valor de 20 ohms e um no valor de 3,19 ohms. Sendo assim, foi medido a tensão em cima do resistor de 3,19 ohms utilizando o ADC do microcontrolador e com isso obtivemos o valor da corrente deste circuito, sendo possível fazer o cálculo da potência consumida pela placa fotovoltaica. Foi medido a tensão no resistor de menor valor pois o máximo de tensão que pode ser lido pelo ADC é de 5V.
Para detectar se a placa fotovoltaica está suja ou não, utilizou-se o sensor de radiação fabricado em comparação com a potência fornecida da placa fotovoltaica. Onde há muita radiação e baixa potência fornecida, conclui-se assim que a placa fotovoltaica está suja ou com algum objeto em cima, atrapalhando o fornecimento de energia.
Para caracterização desta aplicação, foi colocado o sensor de radiação juntamente com a placa fotovoltaica limpa para testes em um dia de sol, conforme mostra a Figura 10, como resultados obteve-se o gráfico da Figura 11.
Figura 11. Testes com o painel fotovoltaico limpo.
Figura 12. Grafico potência da placa e radiação solar.
Este gráfico da Figura 12 foi composto por valores do ADC do microcontrolador (de 0 a 1024), a cada 10 segundos o microcontrolador grava no cartão de memória a leitura da radiação e da potência da placa fotovoltaica. Onde a curva em vermelho representa a potência da placa fotovoltaica e em azul a radiação. Neste gráfico o painel fotovoltaico estava limpo, sendo assim, temos que a potencia medida é maior do que a radiacao.
O valor da potência e da radiação possuem uma diferença no valor da amplitude por conta da potência fornecida não ser uma curva linear, como consegue-se observar na Figura 13. Onde a máxima potência fornecida acontecerá quando tiver uma determinada tensão Vmpp, que ocorre quando a placa chega a sua máxima transferência de potência.
Figura 13. Máxima potência da placa fotovoltaica.
Após os testes com a placa fotovoltaica limpa, foi colocado terra e folhas em cima do painel, para simular um painel sujo e obter os resultados para caracterização desta aplicação.
Figura 14. Painel fotovoltaico sujo.
Com o painel sujo, tem-se como resultado o gráfico da Figura 14. Neste gráfico observa-se que a potência fornecida diminui drasticamente se comparado a potência quando o painel estava limpo. Em alguns pontos do gráfico a potência cai pela metade. Com isso é possível observar que quando a potência está menor do que a radiação a placa fotovoltaica está suja.
Figura 15. Gráfico de radiação e potência do painel fotovoltaico sujo.
Para validação de resultados, foi realizada mais uma medida com um dia de sol. Parte do dia pode-se ver os o gráfico com valores próximos da radiação e da potência, onde não havia nada em cima da placa(limpa). Logo à frente há um decaimento muito abrupto da potência gerada pela placa, nesse momento foi colocado o módulo do sensor em cima da mesma para que uma parte maior da placa ficasse coberta, desse modo várias células ficaram tampadas fazendo com que a potência entregue seja muito menor, sendo possível ser verificada na Figura 16.
Figura 16. Gráfico de radiação e potência do painel fotovoltaico com/sem o módulo.
Com sucesso pode-se verificar que o sensor tem uma excelente aquisição e poder de comparação, este protótipo também conseguiu chegar à um custo significantemente menor que outros sensores disponíveis no mercado, chegando à um valor aproximado de R$ 50,00 ainda não sendo contabilizados a calibração e sua devida certificação para venda.
- NUNES, Letícia de Oliveira .
- ROSA, Hellen Ávila.
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Figura 11. Teste do sensor de radiação com as autoras.