DESENVOLVIMENTO DE UM SOFTWARE EM LABVIEW PARA O DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS DE BOMBEAMENTO DE ÁGUA

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAPÁ LUIZ EDUARDO MOREIRA DE JESUS DESENVOLVIMENTO DE UM SOFTWARE EM LABVIEW PARA O DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS DE BOMBEAMENTO DE ÁGUA Macapá - AP 2014

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAPÁ LUIZ EDUARDO MOREIRA DE JESUS DESENVOLVIMENTO DE UM SOFTWARE EM LABVIEW PARA O DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS DE BOMBEAMENTO DE ÁGUA Trabalho de conclusão de curso apresentado ao curso de bacharelado em Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Amapá, como requisito para obtenção do grau de bacharel em engenharia elétrica. Orientador: Prof. Dr. Alaan Ubaiara Brito Macapá-AP 2014

3 Universidade Federal do Amapá Título do Trabalho: DESENVOLVIMENTO DE UM SOFTWARE EM LABVIEW PARA O DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS DE BOMBEAMENTO DE ÁGUA AUTOR: LUIZ EDUARDO MOREIRA DE JESUS Banca Examinadora Prof. Dr. Alaan Ubaiara Brito Prof. Msc. Michele Nazaré Novaes Santos Prof. Msc. José Henrique Dias de Souza

4 AGRADECIMENTOS Agradeço a Deus, por toda a paciência e cuidado. A minha família, em especial aos meus pais, por todo o suporte e aprendizado. A minha namorada, Amanda, por toda a paciência e companheirismo. Aos meus amigos, Alberto e Rubens, por todos os momentos de lazer. Ao meu orientador, Prof. Dr. Alaan Ubaiara Brito, pelo apoio e contribuição em todos os momentos.

5 RESUMO Os sistemas fotovoltaicos de bombeamento de água são muito utilizados em regiões desprovidas do fornecimento de água e energia elétrica. Estes sistemas, em geral, têm em sua estrutura as motobombas, os painéis fotovoltaicos e os dispositivos de condicionamento de potência, sendo esta configuração denominada de conexão direta, já que não utiliza acumuladores de energia. A metodologia mais precisa para o dimensionamento de sistemas fotovoltaicos de bombeamento de água utiliza as curvas de capacidade instantânea da motobomba, sendo que estas curvas são do tipo potência versus vazão que possibilitam calcular o volume bombeado ao longo de um dia. Uma das metodologias para o levantamento destas curvas é a utilização de uma bancada de ensaios, sendo que esta bancada utiliza alguns transdutores (tensão, corrente, vazão, pressão e irradiância) para caracterizar um sistema fotovoltaico de bombeamento de água. Atualmente, esta bancada não possui um sistema de aquisição de dados automatizado e por conta disto o resultado só pode ser obtido através da análise dos dados recolhidos em planilhas eletrônicas. Por conta desta problemática, este trabalho teve por objetivo desenvolver um software (cujo nome é DIMAS) capaz de automatizar o dimensionamento de sistemas fotovoltaicos de bombeamento através da bancada de ensaios mencionada, sendo que o software DIMAS é conectado aos transdutores da bancada de ensaios através de um dispositivo de aquisição de dados (AGILENTE 34970A). O software DIMAS foi desenvolvido na linguagem gráfica do LabVIEW e foi dividido em três etapas: caracterização da motobomba por meio da bancada de ensaios, confecção do ábaco de dimensionamento e validação da qualidade do ábaco por meio de um ensaio a sol real. É importante ressaltar que com este programa é possível dimensionar um sistema fotovoltaico de bombeamento de água e ainda pode-se, através da etapa de ensaio a sol real, validar o funcionamento em campo do sistema dimensionado. Palavras-Chave: Sistema fotovoltaico. Bombeamento de água. LabVIEW. Aquisição de dados.

6 ABSTRACT Water pumping photovoltaic systems are highly utilized in water and electricity free regions. These systems, in general, have pumps, photovoltaic panels and power conditioning devices in their structure, this setup being called direct connection as it does not utilize energy accumulators. The most precise methodology for measuring of water pumping photovoltaic systems makes use of instantaneous capacity curves (power versus flux) of the pump, which in turn help calculate the volume of water pumped throughout the day. One of the methods for the acquisition of these curves is by means of a testing bench, that utilizes some transducers (voltage, current, flux, pressure and irradiance) to characterize a photovoltaic pumping system. Currently, this testing bench does not possess an automatic data acquisition system and because of that the result can only be obtained from worksheets. Because of such problem, this paper focus on the development of a software (namely DIMAS) capable of making automatic the process of measuring photovoltaic pumping systems through the testing bench. This software is connected to the transducers via a data acquisition device (AGILENTE 34970A). The software DIMAS was developed in the graphic language of LABVIEW and was split into three steps: Characterization of the pump via the testing bench, development of the abacus for measuring and validation of the quality of said abacus through the direct irradiance test. It s important to emphasize that with this software it is not only possible to measure a photovoltaic water pumping system but to also validate, through the direct radiance step, the field operation of the measured system. Keywords: photovoltaic system. pumping systems. LabVIEW. Data Acquisition

7 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Exemplo de motobomba Figura 2 - Tipos de motobombas Figura 3 - Sistemas fotovoltaicos de bombeamento de água com conexão direta Figura 4 - Exemplo de curvas de capacidade instantânea Figura 5 - Bancada de ensaio Figura 6 - Ábaco de dimensionamento Figura 7 - Comparação das curvas da motobomba Grundfos SQF N Figura 8 - Curvas obtidas pelo software RETScreen Figura 9 - Curvas obtidas pelo software PVSYST Figura 10 - Exemplo de sistema de supervisão e aquisição de dados Figura 11 - Réplica da bancada de ensaios Figura 12 - Datalogger Figura 13 - Sistema completo Figura 14 - Estrutura do software DIMAS Figura 15 - Exemplo de ábaco Figura 16 - Metodologia para a confecção de ábacos Figura 17 - Irradiancia versus tempo Figura 18 - Modelagem da irradiância Figura 19 - Temperatura ao longo de um ano (Macapá) Figura 20 - Temperatura média em um dia (Macapá) Figura 21 - Software DIMAS Figura 22 - Levantamento da curva de capacidade instantânea Figura 23 - Placa de aquisição de dados Figura 24 - Faixa de corte Figura 25 - Ajuste para o ensaio Figura 26 - Execução do sub painel Figura 27 - Visualização da curva interpolada Figura 28 - Curvas interpoladas Figura 29 - Interface de dimensionamento Figura 30 - Curvas calculadas Figura 31 - Interface de ensaio a sol real Figura 32 - Valores instantâneos

8 Figura 33 - Valores finais Figura 34 - Painel principal Figura 35 - Primeira Interface sub-vi de curva de capacidade instantânea Figura 36 - Janela iterativa Figura 37 - Tela de ajuste da bancada Figura 38 - Seleção de curvas Figura 39 - Analise do gráfico Figura 40 - Ajuste da bancada Figura 41 - Curvas salvas Figura 42 - Tela inicial sub-vi de dimensionamento Figura 43 - Curvas geradas Figura 44 - Ábaco gerado (página 1) Figura 45 - Ábaco gerado (página 2) Figura 46 - Tela inicial sub-vi de ensaio a sol real Figura 47 - Criação de arquivo Figura 48 - Tela de leitura em tempo real sub-vi de ensaio a sol real Figura 49 - Ciclo completo sub-vi de ensaio a sol real

9 8 SUMÁRIO INTRODUÇÃO... 9 CAPÍTULO I - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Dimensionamento de sistemas fotovoltaicos de bombeamento de água Sistemas de supervisão e aquisição de dados LabVIEW CAPÍTULO II - DESENVOLVIMENTO DO SOFTWARE Materiais utilizados Metodologia para o desenvolvimento do software DIMAS Levantamento da curva de capacidade instantânea Confecção do ábaco de dimensionamento Ensaio a sol real CAPÍTULO III - SOFTWARE DIMAS Sub-VI de levantamento de curva de capacidade instantânea Sub-VI de confecção do ábaco de dimensionamento Sub-VI de ensaio a sol real CAPÍTULO IV - MANUAL DE OPERAÇÃO DO SOFTWARE Sub-VI de levantamento de curvas de capacidade instantânea Sub-VI de confecção do ábaco de dimensionamento Sub-VI de ensaio a sol real CONCLUSÕES Bibliografia Apêndice A Código do Programa Anexo A Artigo publicado... 66

10 9 INTRODUÇÃO O homem depende do fornecimento de água para sobreviver, desta maneira, observa-se que qualquer comunidade, por mais pobre e primitiva que seja, necessita de alguma infraestrutura tecnológica para se abastecer de água (LORENZO et al., 2005). Neste contexto, as motobombas aparecem como uma solução viável, pois permitem um bombeamento de água simples e eficiente. O termo motobomba é proveniente do fato destes equipamentos possuírem em sua estrutura um motor responsável por converter energia elétrica em mecânica e uma bomba responsável por transferir energia cinética do motor para o líquido de transporte. Motobombas, em geral, são compostas por um motor de indução (ou motores de corrente contínua sem escovas) e uma bomba centrífuga multiestágios (em alguns casos, os fabricantes empregam bombas helicoidais ou de deslocamento positivo), formando um conjunto único (MELÉNDEZ, 2009), como mostra a Fig.1. Figura 1 - Exemplo de motobomba. Fonte - Modificado de MELÉNDEZ, As motobombas centrífugas multiestágios são as mais comuns no mercado convencional, principalmente por possuírem uma configuração padronizada (MELÉNDEZ, 2009), mas possuem outras configurações, sendo estas apresentadas na Fig.2.

11 10 Figura 2 - Tipos de motobombas. Fonte - MELÉNDEZ, Em Fedrizzi (1997) a autora cita que as bombas de deslocamento positivo, em geral, são aplicadas em pequenas potências (até 400 W) ou em grandes alturas manométricas, e as motobombas centrífugas são aplicadas, em geral, para grande potência ou elevadas vazões. Por se tratarem de máquinas elétricas, as motobombas dependem de um fornecimento de energia primária para produzir trabalho. Dito isto, as mais utilizadas são as conectadas à rede elétrica, pois possuem alta eficiência e baixo custo de implantação e manutenção, que fazem com que tenha seu uso indicado sempre e quando houver rede elétrica a pequenas distâncias de sua utilização (FEDRIZZI, 1997). Contudo, existem situações em que a rede elétrica está distante ou inexistente, cuja solução é a escolha de outra fonte de energia primária que, neste trabalho, será a fotovoltaica. Os sistemas fotovoltaicos de bombeamento de água são assim denominados por conta da geração fotovoltaica para o fornecimento de energia ao conjunto motriz. Estes sistemas possuem em sua estrutura os painéis fotovoltaicos, responsáveis pela geração de energia elétrica que, neste caso, tem o papel de energia primária; as motobombas, responsáveis pelo

12 11 bombeamento de água em um reservatório, e; um equipamento de condicionamento de potência, cuja função é converter a energia gerada pelos módulos a valores compatíveis com o grupo motobomba. Sendo que esta configuração não utiliza acumuladores de energia eletrolíticos. Esta escolha deve-se ao curto tempo de vida útil dos acumuladores, que é cerca de quatro anos (MELÉNDEZ, 2009). Vale ressaltar que esta configuração é denominada como conexão direta, pois não possui acumuladores de energia, como mostra a Fig.3. Figura 3 - Sistemas fotovoltaicos de bombeamento de água com conexão direta. Fonte - MELÉNDEZ, Um ponto importante sobre os sistemas fotovoltaicos de bombeamento de água é a necessidade de um bom dimensionamento, pois quando este é realizado de uma maneira incorreta acaba ocasionando sobredimensionamentos ou subdimensionamentos. Nestes casos ocorre um aumento no tempo de amortização financeira e ainda, estes projetos podem frustrar as expectativas a respeito do uso de sistemas de bombeamento fotovoltaico (ZANIRATO et al., 2011). A metodologia mais precisa para dimensionar sistemas fotovoltaicos de bombeamento de água utiliza as curvas de capacidade instantânea (curva de carga) do sistema de bombeamento

13 12 (VILELA e FRAIDENRAICH, 2001; FEDRIZZI et al., 2004). Estas são curvas do tipo potência versus vazão em diferentes alturas manométricas, como mostra a Fig.4. Estas curvas em adição com os valores de energia gerada pelos módulos fotovoltaicos possibilitam estimar o volume de água bombeado pelo sistema. Em geral, estas curvas não são fornecidas por fabricantes de motobombas e quando o são geralmente apresentam divergências com os resultados obtidos em campo (MCLEAN, 2009). Figura 4 - Exemplo de curvas de capacidade instantânea. Fonte - Do Autor. Em Brito et al. (2006) o autor utiliza uma bancada de ensaios para obter as curvas de capacidade instantânea de uma motobomba, para através destas construir um ábaco de dimensionamento. Esta bancada também pode ser utilizada para avaliar a operação nominal de um sistema fotovoltaico de bombeamento de água (MELÉNDEZ, 2009). Por exemplo, em Meléndez (2009) o autor utiliza uma réplica da bancada proposta por Brito et al. (2006) e cita que os transdutores são ligados a um dispositivo de aquisição de dados (AGILENT-34970A) e que a análise dos valores recolhidos é feita de maneira off-line em planilhas eletrônicas com o software Microsoft Excel. A bancada de ensaios pode ser observada na Fig.5.

14 13 Figura 5 - Bancada de ensaio. Fonte - BRITO et al., Este trabalho tem o objetivo de desenvolver um software (cujo nome é DIMAS), capaz de automatizar o processo de ensaio da bancada proposta por Brito et al. (2006). A construção de um software é justificada por conta da existência e aplicação de diversos programas existentes na área de sistemas fotovoltaicos. Cita-se que no trabalho desenvolvido por Lalwani et al. (2010) os autores apresentam o atual cenário dos softwares existentes da área de sistemas fotovoltaicos. Menciona-se que nenhum dos softwares citados no trabalho supracitado atende as necessitadas descritas ao longo deste trabalho. O programa DIMAS permite dimensionar sistemas fotovoltaicos de bombeamento de água 1 através de um ábaco de dimensionamento, além de permitir avaliar estes sistemas em condições de trabalho nominais. Vale ressaltar que o programa foi desenvolvido na linguagem do software LabVIEW, que é um software oriundo da empresa National Instruments. A escolha da linguagem do LabVIEW se dá por conta de sua utilização em outros projetos de softwares da área de geração fotovoltaica. Por exemplo, em Dunea et al. (2010) os autores o 1 Do tipo de conexão direta

15 14 utilizam para desenvolver um software para dimensionar sistemas Híbridos e em Mclean (2009), o autor utiliza o LabVIEW para analisar sistemas fotovoltaicos de bombeamento de água. Esta monografia está organizada da seguinte maneira: O capítulo 1 abordará a revisão bibliográfica deste trabalho, onde a primeira parte é focada no dimensionamento de sistemas fotovoltaicos de bombeamento de água e em suas dificuldades. Esta primeira parte também apresentará as soluções encontradas por outros autores para dimensionar sistemas fotovoltaicos de bombeamento de água. Em seguida, o capítulo 1 introduzirá os sistemas de supervisão e aquisição de dados e depois mostrará as funcionalidades do LabVIEW. O capítulo 2 apresentará como o programa DIMAS foi desenvolvido, mostrando os materiais utilizados neste trabalho e a metodologia utilizada para o desenvolvimento do software. Os capítulos 3 e 4, por sua vez, apresentam o software DIMAS e seu respectivo manual de operação. E, por último, a conclusão do trabalho e as perspectivas futuras para o mesmo.

16 15 CAPÍTULO I - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 1.1 Dimensionamento de sistemas fotovoltaicos de bombeamento de água O processo de dimensionamento e seleção de um sistema fotovoltaico de bombeamento consiste em duas etapas distintas. Na primeira etapa (dimensionamento), cabe ao projetista calcular a energia necessária para efetuar o bombeamento de um volume diário (m³/dia). Em Fedrizzi (1997) a autora utiliza a Eq. (1) para calcular a energia necessária ( E ) onde, é a densidade da água (1000 Kg/m³), g é a gravidade (9,81 m/s²), H m é a altura manométrica (m) e Q d o volume diário (m³). H E H g Hm Qd [ Wh/ dia] (1) 3600 Posteriormente, determina-se a energia elétrica diária necessária conforme a Eq. (2) (MELÉNDEZ, 2009) sendo DCP e MB PV, respectivamente, a eficiência do dispositivo de condicionamento de potência e a eficiência média da motobomba em um ciclo completo de bombeamento. Para se estabelecerem parâmetros, a eficiência de uma motobomba submersível oscila entre os 0,25 a 0,6 (25 a 60%) para corrente contínua e 0,25 a 0,4 (25 a 40%) para corrente alternada. E el EH MB PV DCP [ Wh/ dia] (2) Finalmente, deve-se calcular a potência do gerador fotovoltaico conforme a Eq. (3) onde (HSP) 2 corresponde a hora de sol pico de projeto no plano do gerador fotovoltaico (MELÉNDEZ, 2009). P FV 2,725 Hm Qd 1,25 [ Wp] ( ) ( HSP) MB PV DCP (3) 2 HSP - horas de sol pico - Definida como o número de horas necessárias, para que, supondo uma irradiância de 1.000W/m², consiga-se coletar uma quantidade de energia equivalente à realmente incidente ao longo de um determinado dia sobre a superfície do módulo fotovoltaico.

17 16 A segunda etapa consiste em selecionar um sistema fotovoltaico de bombeamento dentre os vários disponíveis no mercado. Nesta etapa, os ábacos, a exemplo da Fig. 6, são ferramentas muito úteis, pois auxiliam o projetista na seleção do sistema mais adequado. Ou seja, seleciona-se um sistema com as características semelhantes ao que foi projetado. O risco é confiar no que é apresentado pelo fabricante, porém, com base nas informações do ábaco é possível calcular a eficiência média da motobomba por meio da Eq.(2) e verificar se está dentro da faixa de valores conhecidos da literatura, dando um indicativo se o ábaco apresentado é confiável ou não. Figura 6 - Ábaco de dimensionamento. Fonte - ANAUGER SOLAR, A elaboração de ábacos não é simples, pois se necessita do modelo experimental da curva de capacidade instantânea da motobomba em diferentes alturas manométricas, perfis diários de radiação solar, perfis diários de temperatura ambiente e das características técnicas dos módulos fotovoltaicos (ALONSO-ABELLA et al.,2003). A maior parte destas informações, no entanto, pode ser obtida por modelos matemáticos aproximados, a exceção se dá por conta das curvas de capacidade instantânea que dependem das características das motobombas. Por conta desta situação, não é incomum a existência de softwares que permitam estimar ou interpolar estas curvas de capacidade instantânea.

18 17 No entanto, em Mclean (2009) o autor utiliza três softwares (PVSYST, WinCAPS, RETScreen) para efetuar três dimensionamentos de um único sistema fotovoltaico de bombeamento de água e utiliza também um sistema de supervisão para avaliar cada dimensionamento. Esta verificação ocorre através de uma comparação com os dados obtidos em campo com os três dimensionamentos efetuados. Os resultados destas comparações constataram que as curvas obtidas por estes softwares divergem das curvas medidas em campo, principalmente nos pontos de baixa vazão bombeada (MCLEAN, 2009). Menciona-se que o software WinCAPS é fornecido pela Grundfos, fabricante de motobombas (GRUNDFOS MANAGEMENT, 2004), sendo que a Fig.7 mostra a comparação entre as curvas obtidas no software WinCAPS e as curvas medidas de uma motobomba Grundfos SQF N. Figura 7 - Comparação das curvas da motobomba Grundfos SQF N. Fonte Modificado de MCLEAN, Em Mclean (2009) o autor também demonstra que as curvas obtidas pelos softwares PVSYST (MERMOUD e BONVIN, 2009) e RETScreen (NATURAL RESOURCES CANADA, 2004) apresentam uma simetria em relação as curvas obtidas pelo software WinCAPS, como apresentam as Fig.8 e Fig.9. Com isto o autor concluiu que os três softwares (PVSYST, WinCAPS, RETScreen) possuem divergências de cálculo em certas faixas de valores de vazão bombeada e que estes softwares podem ser utilizados desde que seja considerada esta divergência (MCLEAN, 2009). Menciona-se que para analisar os resultados

19 18 o autor utilizou uma bancada semelhante à proposta por Brito et al. (2006). Vale ressaltar que esta bancada está conectada a um microcomputador com um código produzido no LabVIEW, contudo o autor precisa utilizar outro programa para verificar alguns dados recolhidos em campo, por isto a análise não é totalmente on-line (MCLEAN, 2009). Figura 8 - Curvas obtidas pelo software RETScreen. Fonte Modificado de MCLEAN, Figura 9 - Curvas obtidas pelo software PVSYST. Fonte Modificado de MCLEAN, 2009.

20 19 Outro exemplo de obtenção de curvas de capacidade instantânea pode ser observado em Bakelli et al. (2011), onde os autores utilizam uma interpolação polinomial para estimar estas curvas. Contudo o trabalho menciona que a aquisição de dados é feita de maneira off-line. Este tipo de aquisição de dados dificulta a análise dos resultados obtidos por este trabalho, principalmente por conta de que sua metodologia utiliza um conjunto de quatro equações polinomiais (de terceiro grau) para construir uma equação resultante (Eq.4). Além disso, a Eq.4 fornece a potência em função da vazão quando na prática o melhor é obter a vazão em função da potência. (4) Q é a vazão em m³/h P é a potência de entrada em W. a(h), b(h), c(h), d(h) são constantes que dependem da altura manométrica. Neste trabalho o software DIMAS automatiza o processo de obtenção da curva de capacidade instantânea e ainda, utilizará um modelo matemático simplificado porém preciso de interpolação da curva de capacidade instantânea, conforme mostra a Eq.5. Menciona-se que este modelo matemático foi comprovado por ensaios realizados em motobombas reais (JESUS et al., 2012). Menciona-se ainda que o programa DIMAS permite avaliar o dimensionamento e a curva de capacidade instantânea interpolada. Esta avaliação é realizada através de um ensaio a sol real que consiste em um ensaio em campo com o sistema dimensionado. (5) Onde: Q é a vazão em m³/h P é a potência de entrada em W. A e b são constantes que dependem da altura manométrica.

21 Sistemas de supervisão e aquisição de dados As inovações tecnológicas na área de instrumentação digital têm apresentado avanços significativos nos últimos anos. Os sistemas digitais de supervisão e aquisição de dados proporcionaram avanços significativos em inúmeras aplicações. Estes sistemas são comumente utilizados em diversas áreas de atuação, desde indústrias às pesquisas científicas, cujo papel é permitir a visualização das variáveis ou parâmetros medidos em um determinado processo (SMAR, 2013). Os sistemas de supervisão, em geral, são compostos por transdutores e hardwares de aquisição. Os transdutores são responsáveis por relacionar uma grandeza física em uma grandeza elétrica de resposta (tensão ou corrente), já o hardware de aquisição é responsável por recolher os sinais elétricos de saída dos transdutores e apresenta-los em uma interface homem-máquina. Entretanto, em alguns casos os valores medidos são incompatíveis com o hardware de aquisição, sendo necessária a utilização de condicionadores de sinais que filtram as respostas provenientes dos transdutores para níveis devidamente apropriados (SMAR, 2013). Um exemplo de sistema de supervisão pode ser visualizado na Fig.10. Figura 10 - Exemplo de sistema de supervisão e aquisição de dados. Fonte - Do Autor. Antes do início da utilização de computadores nos sistemas de aquisição de dados, a coleta das informações era efetuada através de sistemas de armazenamento específicos ou controladores lógicos programáveis de modo off-line, ou seja, era necessário primeiramente coletar os dados e no final do processo resgatá-los da memória física do equipamento. Atualmente, diversos instrumentos analógicos podem ser visualizados virtualmente em um computador de modo on-line, que se dá através da conexão de um instrumento digital (hardware de aquisição).

22 21 A visualização dos dados coletados necessita da implantação de um software para a comunicação entre o hardware de aquisição e o computador. Sua função é criar uma interface homem-máquina (IHM) que permita a correta e eficiente comunicação entre o sistema de supervisão com o usuário. Estes tipos de softwares também permitem ampliar a funcionalidade de um instrumento, acrescentando novas funções executadas pelo computador com as medidas fornecidas pelo instrumento. Menciona-se a utilização de um osciloscópio digital que não tem a função de análise espectral conectado a um computador com um algoritmo de FFT (Fast Fourrier Transform) e que através da IHM realiza-se a análise espectral do sinal (BORGES, 2012; SOUSA, 2005). Sendo que o software utilizado para desenvolver o programa DIMAS é o LabVIEW. O LabVIEW é muito utilizado em aplicações fotovoltaicas, principalmente por conta de sua facilidade para a construção de interfaces e sua flexibilidade de conexão com dispositivos e outros softwares. Por exemplo, em Dunea et al. (2010) os autores utilizam o LabVIEW para desenvolver um programa (EnergOPTIMIZER) capaz de projetar sistemas Híbridos e analisalos em campo através de um sistema de supervisão que utiliza protocolos de comunicação multimídia (GSM/GPRS). Em outro trabalho (MCLEAN, 2009) o autor utiliza o LabVIEW para automatizar o tratamento dos dados provenientes de sistemas fotovoltaicos de bombeamento de água, conforme citado neste capítulo. 1.3 LabVIEW O LabVIEW (acrônimo para Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) é um software para o desenvolvimento de sistemas de supervisão e automação, proveniente da empresa National Instruments. Suas principais vantagens são a facilidade de construção de interfaces e a comunicação com dispositivos e softwares. O LabVIEW utiliza uma linguagem de programação gráfica denominada de G, onde suas funções são dispostas em blocos organizados em fluxogramas ligados através de linhas. Os códigos produzidos nesta linguagem são denominados de VI s (Virtual Instruments), e quando são utilizados como funções são denominados de sub-vi s. As VI s são organizadas em duas interfaces: o diagrama de blocos e o painel frontal (NATIONAL INSTRUMENTS, 2003). O diagrama de blocos é responsável pela construção do código, onde são conectados os blocos funcionais do software com a finalidade de criar uma rotina. Também é onde se

23 22 encontram as principais funções do LABVIEW, organizadas em grupos de acordo com a sua finalidade. Os principais grupos de funções do LabVIEW podem ser visualizadas na Tab.1. Tabela 1 - Grupos de funções do diagrama de blocos. Grupo de Funções Timing Numeric Comparison File I/O Array Structures String Descrição Controle de tempo no programa Aritmética Básica Lógica Booleana Trabalhar com arquivos externos Trabalhar com arranjo de elementos Trabalhar com estruturas de controle Trabalhar com caracteres Fonte - Do autor. Já no painel frontal, as saídas ou respostas das rotinas criadas no diagrama de blocos são visualizadas e as variáveis iniciais são inseridas. De maneira semelhante ao diagrama de blocos, suas principais funções são organizadas de acordo com a sua finalidade. Podem-se citar os diversos tipos de gráficos e tabelas para a visualização dos dados gerados. Suas principais funções podem ser observadas na Tab.2. Tabela 2 - Grupos de funções do painel frontal. Grupo de Funções XY Graph 3D Graph Descrição Gráficos do Tipo X Versus Y Gráficos tridimensionais

24 23 Waveform Chart Num Ctrls Buttons Gráficos de variação temporal Controles numéricos Botões de entrada Booleana Fonte - Do autor. Com a rotina criada no diagrama de blocos e a interface de visualização criada no painel frontal, executa-se o software pressionando o botão Executar na barra de ferramentas. Desta maneira, os cálculos ou importações são executados no diagrama de blocos e visualizados no painel frontal. Vale ressaltar que os dados são inseridos no diagrama de blocos através do painel frontal por blocos denominados de control, cuja denominação é apenas referente ao sentido do fluxo do código, pois o fluxograma sai deste bloco. Já para a visualização de dados do diagrama de blocos no painel frontal, utiliza-se blocos do tipo indicator, onde o fluxo do código chega nestes blocos. Outro detalhe sobre o LabVIEW é a biblioteca VISA (Virtual Instrument Software Architecture): esta biblioteca possui rotinas de alto nível que possibilitam o controle de equipamentos, escrita, leitura e configuração, de modo a permitir estas funcionalidades de um determinado equipamento sem que haja a necessidade de se conhecer os detalhes de controle do dispositivo (SOUSA, 2005). Um ponto importante sobre a linguagem "G" são suas vantagens em relação à programação escrita. Entre estas estão a facilidade na visualização do funcionamento de seus algorítmos, a revisão, a reutilização e a atualização dos mesmos. Além disto, o LabVIEW permite a execução de VI s em paralelo, aumentando a velocidade de execução e possibilitando aumentar a abrangência do software em tempo real. Uma outra funcionalidade do Labview denominada TDMS (technical data management solution) permite criar arquivos de extensão TDMS. Eles permitem uma leitura e escrita de dados em arquivos pré-organizados, facilitando o seu armazenamento e ainda a utilização em programas, pois a análise torna-se mais fácil com os mesmos, tanto na programação quanto na revisão ou teste do programa. Vale ressaltar que estes arquivos podem ser lidos em diversos aplicativos, como por exemplo o Matlab 3. 3 Software de alto desempenho oriundo da empresa MathWorks.

25 24 Outro detalhe do LabVIEW é a possibilidade de criação de executáveis com o mesmo painel frontal e sem a possibilidade de modificações nos códigos para usuários comuns. Vale ressaltar que o LabVIEW cria um instalador comum para sistemas operacionais da plataforma Windows.

26 25 CAPÍTULO II - DESENVOLVIMENTO DO SOFTWARE 2.1 Materiais utilizados Este trabalho utiliza uma réplica da bancada de ensaios proposta por Brito et al. (2006) (Fig.11). Esta réplica está situada no laboratório do IEPA (Instituto de Pesquisas Científicas e Tecnológicas do Estado do Amapá), na cidade de Macapá-AP. Figura 11 - Réplica da bancada de ensaios. Fonte - Do autor. Esta réplica possui os transdutores de irradiância, vazão bombeada, pressão, tensão e corrente 4. Além destes transdutores a bancada possui um inversor de frequência que funciona como dispositivo de condicionamento de potência. O armazenamento dos valores medidos nos transdutores da bancada de ensaio é realizado através da conexão de um datalogger da empresa Agilent (Fig.12) aos transdutores da bancada de ensaio. As configurações deste equipamento podem ser consultadas em Agilent Technologies (200). Este equipamento possui uma memória interna que armazena a leitura dos transdutores e permite que estes dados sejam analisados de modo off-line. 4 Na saída do gerador fotovoltaico

27 26 Figura 12 - Datalogger. Fonte - Do Autor. Esta situação é contornada quando o equipamento é conectado a um microcomputador, em que este possui o software DIMAS para analisar os dados recolhidos e possibilitar a análise on-line da bancada de ensaios. A Fig.13 apresenta a disposição completa do sistema utilizado no âmbito deste trabalho. Figura 13 - Sistema completo. Fonte - Do Autor.

28 Metodologia para o desenvolvimento do software DIMAS O software DIMAS foi desenvolvido em três módulos sequenciais integrados (ou três sub-vi s), com a finalidade de facilitar sua programação e execução. A primeira sub-vi é responsável por levantar as curvas de capacidade instantânea da motobomba. A segunda é responsável por confeccionar o ábaco de dimensionamento de um sistema fotovoltaico de bombeamento; e a terceira é responsável por realizar o ensaio a Sol real. Menciona-se que estas sub-vi s farão parte de um único programa, apenas estão separados para facilitar a sua construção e execução. A Fig.14 mostra a estrutura de organização do software DIMAS. Figura 14 - Estrutura do software DIMAS. Fonte - Do autor Levantamento da curva de capacidade instantânea A sub-vi de levantamento de curvas de capacidade instantânea de motobombas é construída para possibilitar a análise on-line dos transdutores da bancada de ensaio. Esta funcionalidade é útil para a realização do ensaio, pois mitiga a possibilidade de erros durante o mesmo. A principal função deste módulo, no entanto, é interpolar os dados de potência e vazão medidos no ensaio em uma curva logarítmica, como mostra a Eq.5. (5)

29 28 Um ponto importante sobre esta interpolação é a existência uma curva para cada altura manométrica, pois o valor da vazão bombeada por uma motobomba depende da pressão ou altura manométrica de trabalho da mesma. Ao término do ensaio o módulo permite salvar as curvas interpoladas em um arquivo (TDMS) que será analisado no módulo de dimensionamento Confecção do ábaco de dimensionamento Esta sub-vi tem a função de dimensionar um sistema fotovoltaico de bombeamento e apresentar o resultado em forma de ábaco de dimensionamento, idealizado conforme a Fig.15. Onde o gráfico superior é o volume bombeado no dia para cada altura manométrica versus energia produzida, e o gráfico inferior é a potência nominal do gerador fotovoltaico versus energia produzida para cada HSP. Tais gráficos estão alinhados aos seus respectivos eixos de energia gerada e este alinhamento será utilizado para possibilitar um dimensionamento de um sistema fotovoltaico de bombeamento, utilizando a potência nominal do gerador fotovoltaico. Figura 15 - Exemplo de ábaco. Fonte - Modificado de BRITO, O ábaco apresentado na Fig.15 permite estimar o volume de água bombeada em função da potência nominal do gerador fotovoltaico e as características de trabalho da localidade do

30 29 sistema de bombeamento (HSP e altura manométrica). A metodologia para a construção deste ábaco, no entanto, pode ser observada na Fig.16, onde a união dos valores de temperatura e irradiância com os dados do gerador fotovoltaico permitem estimar a potência entregue pelo mesmo, e com estes valores torna-se possível estimar o volume bombeado pelo sistema fotovoltaico de bombeamento ao longo do dia. Figura 16 - Metodologia para a confecção de ábacos. Fonte - Do Autor. A irradiância pode ser modelada de acordo a norma da IEC de 1997, como mostra a Fig.17. Onde G significa a irradiância em W/m² e o valor G máx varia de acordo com as horas de sol pico. Figura 17 - Irradiancia versus tempo. Fonte - Modificado de IEC 61725,1997.

31 30 Observa-se que este modelo aproxima-se de uma função cosseno, em que sua estimativa é realizada por meio das equações 6, 7 e 8. Onde H d é a energia solar ao longo do dia e h é o tempo entre o nascer e o pôr do sol. (6) (7) (8) Estas equações têm seus parâmetros variados de acordo com as horas de sol pico que, em geral, são variações discretas de 3h às 7h, como mostra a Fig.18. Onde as curvas calculadas estão integradas internamente no módulo de dimensionamento. Figura 18 - Modelagem da irradiância. Fonte - Do Autor.

32 31 A modelagem da temperatura, no entanto, é mais complexa, pois depende das características físicas da localidade bem como do dia Juliano. Desta maneira, torna-se mais prático utilizar a temperatura média da localidade onde o sistema fotovoltaico de bombeamento for instalado. Este trabalho utilizou os dados do software METEONORM.2 5 para estimar uma curva de temperatura média para cada capital brasileira. Esta média é feita sobre os dados de temperatura ao longo de um ano para cada cidade. Como exemplo, a Fig.19 apresenta os dados de temperatura ao longo do ano para a cidade de Macapá-AP. Figura 19 - Temperatura ao longo de um ano (Macapá). Fonte - Do Autor. As curvas apresentadas na Fig.19 são utilizadas para determinar uma curva média que permitirá estimar a temperatura ao longo de um dia. Vale ressaltar que este trabalho utiliza um arquivo do tipo TDMS para representar a curva de temperatura média de cada capital 5 Software que possui os dados da condição climática de inúmeras cidades.

33 32 brasileira e que é utilizado como um dado de entrada no módulo de dimensionamento. Como exemplo, a curva que representa a temperatura média ao longo de um dia para a cidade de Macapá é apresentada na Fig.20. Figura 20 - Temperatura média em um dia (Macapá). Fonte - Do Autor. Após a confecção da curva de temperatura média e da modelagem de irradiância, o próximo passo é o cálculo da potência entregue pelo gerador fotovoltaico ao longo do dia. Este cálculo é efetuado de acordo com as Eq.10 e Eq.11, simplificadas de Bakelli et al. (2011). P cor PSTC. G.[1.( TC 25)] (10) G0 G TC Ta ( TNOC 20). (11) 800 Onde: P cor é a potência corrigida ou entregue pelo módulo fotovoltaico; Ta é a temperatura ambiente; Tc é a temperatura da célula fotovoltaica;

34 33 T NOC e γ são constantes do módulo fotovoltaico; P STC é a potência nominal do gerador fotovoltaico; G o é igual a W/m². Menciona-se o fato das constantes do módulo fotovoltaico serem inseridas como um dado de entrada na tela inicial da sub-vi de dimensionamento. Esta escolha se deve ao fato destes valores variarem para cada tipo de fabricante. As curvas geradas pelas Eq.10 e Eq.11 são do tipo Potência Versus tempo para cada hora de Sol pico. Elas permitem estimar a energia gerada Versus a potência nominal do gerador fotovoltaico, e por conta disto formam o gráfico inferior do ábaco. As Eq.10 e Eq.11 também permitem, em adição com as curvas de capacidade instantânea (Eq.5), estimar o volume bombeado diário Versus a energia gerada, sendo que este gráfico pertence à parte superior do ábaco. Menciona-se o fato de que as curvas de capacidade instantânea são importadas do arquivo gerado pela sub-vi de levantamento da curva de capacidade instantânea. Após os cálculos efetuados, a interface do módulo de dimensionamento permite visualizá-los juntamente com os resultados em gráficos, e posteriormente salvar estes em um arquivo de formato PDF Ensaio a sol real A sub-vi de Ensaio a sol real é executada no final do software DIMAS. Isto ocorre pelo fato de sua execução ser opcional, pois o mesmo não tem influência no dimensionamento. Sua finalidade é atestar a qualidade do ábaco, calcular a eficiência média do sistema fotovoltaico de bombeamento e monitorar a operação do sistema. Ou seja, ele monitora o comportamento do sistema em condições normais de trabalho. A estrutura da sub-vi de ensaio a Sol real é idealizada para a visualização de gráficos da variação instantânea dos transdutores da bancada de ensaio (tensão e corrente na saída do gerador fotovoltaico, vazão, pressão e irradiância). Esta visualização é feita para um ciclo completo de bombeamento e no final dele a sub-vi de ensaio a Sol real apresenta os valores recolhidos em gráficos do tipo variável versus tempo, assim como também permite salvar estes resultados em um arquivo do tipo TDMS.

35 34 CAPÍTULO III - SOFTWARE DIMAS O software DIMAS foi desenvolvido segundo as especificações do capítulo 2 e sua interface principal pode ser observada na Fig.21. Figura 21 - Software DIMAS. Fonte - Do Autor. Esta interface permite acessar cada uma das sub-vi s descritas no capítulo 2. Este acesso se dá ao pressionar um dos três botões apresentados na Fig.21 (Curva de Capacidade Instantânea, Ábaco e Ensaio a Sol Real) que após serem pressionados, automaticamente abrem uma nova janela no sistema operacional. 3.1 Sub-VI de levantamento de curva de capacidade instantânea A sub-vi de levantamento da curva de capacidade instantânea de motobombas foi dividida em quatro interfaces (ou telas), sendo que a primeira (Fig.22) permite ajustar os ganhos dos transdutores para a conversão ao SI (Sistema Internacional de Unidades), configurar o modo de comunicação do datalogger ao computador (Protocolo, Barramento e Porta) e configurar o canal de conexão do transdutor. Este canal é a posição física de conexão do transdutor à placa de aquisição de dados do datalogger que possui três placas de aquisição, que por sua vez são um meio de conexão entre o equipamento e os transdutores (Fig.23).

36 35 Como exemplo o canal do transdutor de corrente (canal 111) informa que o transdutor de corrente está conectado a 1º placa na posição 11. Figura 22 - Levantamento da curva de capacidade instantânea. Fonte - Do Autor.

37 36 Figura 23 - Placa de aquisição de dados. Fonte - Do Autor. A segunda interface permite ajustar os valores de corte para a interpolação da curva de capacidade instantânea. Estes valores de corte da vazão e da potência (Fig.24) funcionam como filtros (JESUS et al.,2012), pois todos os dados recolhidos da bancada de ensaio que estiverem fora desta faixa são excluídos. Esta funcionalidade aumenta a fidelidade da curva interpolada, pois a não exclusão dos valores fora da faixa ajustada ocasiona um erro de interpolação. A segunda interface é apresentada na Fig.25. Figura 24 - Faixa de corte. Fonte - Do Autor.

38 37 Figura 25 - Ajuste para o ensaio. Fonte - Do Autor. Na terceira interface há a montagem da curva interpolada a partir da coleta dos valores de vazão e potência, sendo feita em três passos em um sub painel (Fig.26). O primeiro passo apresenta o botão interpolar que após ser pressionado gera a curva e a equação resultante, acende a opção análise do gráfico e automaticamente aparece a aba passo dois. O segundo passo apresenta a opção de deletar ou salvar a curva gerada e o terceiro passo consiste nos ajustes da bancada, caso seja necessário. A terceira interface é apresentada na Fig.27.

39 38 Observa-se que este sub-painel é controlado por um grupo de blocos de comando, como podese observar no código em anexo (Pág.63). Figura 26 - Execução do sub painel. Fonte - Do Autor. Figura 27 - Visualização da curva interpolada Fonte - Do Autor.

40 39 Na quarta interface há a visualização das curvas e o endereço onde foram salvas (Fig.28), cuja explicação será no capítulo 4. Esta interface apresenta também o botão reiniciar que após ser pressionado volta automaticamente a interface para a primeira tela. Esta funcionalidade é possível porque o código da sub-vi utiliza um grupo de loop s do tipo while (Pág.63). Figura 28 - Curvas interpoladas. Fonte - Do Autor.

41 Sub-VI de confecção do ábaco de dimensionamento Na primeira interface há a seleção dos arquivos com os dados da temperatura ambiente (explicada no capítulo 2) e com as curvas da motobomba (explicada no capítulo anterior). Há também dois espaços para a inserção das especificações da motobomba e da localidade, conforme a Fig.29. Menciona-se que estas especificações aparecerão no arquivo final desta interface. Figura 29 - Interface de dimensionamento. Fonte - Do Autor. Após a coleta dos dados e arquivos, o botão ok deve ser pressionado para que a segunda interface se abra. Na segunda interface (Fig.30) há a visualização das curvas calculadas, bem como as opções de Salvar em PDF, Deletar e Reiniciar o cálculo das curvas, voltando para a primeira interface. Esta iteração com o usuário é possível porque o

42 41 código desta sub-vi utiliza um conjunto de loop s do tipo while e structure, vide código em anexo (Pág.64). Figura 30 - Curvas calculadas. Fonte - Do Autor. 3.3 Sub-VI de ensaio a sol real Pressionado o botão Ensaio a Sol Real, a interface Dados Iniciais se abrirá (Fig.31). A partir dessa primeira interface é possível ajustar o modo de comunicação do datalogger com o computador, configurar o tempo de início e término da coleta de dados, assim como o seu intervalo durante o período selecionado, e também configurar o ajuste de ganho dos transdutores que estão conectados à placa de aquisição do datalogger. Após a inserção dos dados, ao pressionar o botão Criar Arquivo todos os dados serão salvos no arquivo criado, cuja explicação será no capítulo 4.

43 42 Figura 31 - Interface de ensaio a sol real. Fonte - Do Autor. Após a criação do arquivo, o software DIMAS abrirá a segunda interface (Fig.32) automaticamente conforme o tempo de início configurado na interface anterior, assim como o término configurado irá abrir a terceira interface. Nela há a visualização dos gráficos das grandezas lidas pelos transdutores em um curto período, o tempo inicial (Primeira Leitura), o tempo final (Leitura Final) e a cronometragem para o fim da coleta (Tempo Atual). Vale ressaltar que o processo de controle das telas desta sub-vi se dá através de um controle de loop s do tipo while. Sendo que as variáveis de controle destes loop s são funções booleanas que utilizam o tempo remoto do computador como entrada, como pode-se observar no código em anexo (Pág.65).

44 43 Figura 32 - Valores instantâneos. Fonte - Do Autor. A terceira interface mostra a coleta final com a visualização dos gráficos no período completo configurado na primeira interface. Há também a opção de Reiniciar a coleta de dados, voltando para a interface inicial (Fig.33). Figura 33 - Valores finais. Fonte - Do Autor.

45 CAPÍTULO IV - MANUAL DE OPERAÇÃO DO SOFTWARE 44 O software DIMAS foi construído conforme a Fig.14 apresentada no capítulo 2 deste trabalho. A interface principal do software apresenta um botão de atalho para cada uma das três Sub-VI s (Curva de Capacidade Instantânea, Ábaco e Ensaio a Sol Real), como mostra a Fig.34. Figura 34 - Painel principal. Fonte - Do Autor. 4.1 Sub-VI de levantamento de curvas de capacidade instantânea Ao pressionar o botão Curva de Capacidade Instantânea, o software DIMAS abre uma janela no Sistema Operacional que contém a tela inicial (interface) da sub-vi de levantamento de curva de capacidade instantânea. Esta sub-vi foi dividida em quatro interfaces (telas), sendo a primeira interface a etapa de configurações iniciais. Esta interface permite inserir as configurações de comunicação do datalogger, como mostra a Fig.35. Menciona-se que antes do início do ensaio ajusta-se a altura manométrica pretendida para o mesmo.

46 45 Figura 35 - Primeira Interface sub-vi de curva de capacidade instantânea. Fonte - Do Autor. Após as configurações iniciais de comunicação e pressionado o botão OK, a sub-vi abre uma janela no Sistema Operacional do computador (Fig.36) para escolher o local onde será salvo o arquivo TDMS que terá os resultados do ensaio a ser realizado.

47 46 Figura 36 - Janela iterativa. Fonte - Do Autor. Após a escolha do endereço do arquivo TDMS, a sub-vi troca a interface exibida e apresenta a tela de ajuste de interpolação, como mostra a Fig.37. Esta segunda interface da Sub-VI permite escolher o intervalo que a mesma utilizará para interpolar a curva de capacidade instantânea.

48 47 Figura 37 - Tela de ajuste da bancada. Fonte - Do Autor. Após ajustar os valores de potência e vazão de corte e pressionar o botão Ajuste Finalizado, a sub-vi aciona a terceira interface que é a de coleta de dados. Esta interface é uilizada para a aquisição de dados durante o ensaio e permite que os mesmos sejam analisados imediatamente, como mostra a Fig.38. Vale ressaltar que nesta etapa torna-se possivel ajustar a altura manométrica da bancada para um novo ensaio.

49 48 Figura 38 - Seleção de curvas. Fonte - Do Autor. Ao pressionar o botão interpolar e após a partida da motobomba até sua potência nominal 6, o led Analise do gráfico acende e a aba Passo Dois é exibida (Fig.39). Sendo que esta permite excluir ou salvar a curva interpolada. 6 Isto é feito para se verificar cada ponto de funcionamento da motobomba

50 49 Figura 39 - Analise do gráfico. Fonte - Do Autor. Após a escolha, a interface passa a executar a aba Passo Três que possui a opção de ajustar a bancada (Fig.40). Menciona-se que nesta etapa a altura manométrica da bancada pode ser ajustada.

51 50 Figura 40 - Ajuste da bancada. Fonte - Do Autor. Concluído o ajuste da bancada, a interface retorna à aba Passo Um (Fig.38). Este processo continua até que o botão terminar seja pressionado. Com esta ação a sub-vi muda sua interface para a final, em que esta apresenta todas as curvas salvas durante o ensaio, bem como o endereço em que se encontra o arquivo TDMS que as contém (Fig.41).

52 51 Figura 41 - Curvas salvas. Fonte - Do Autor.

53 Sub-VI de confecção do ábaco de dimensionamento Ao executar o software DIMAS (Fig.34) e pressionar o botão Ábaco, abre-se uma janela no Sistema operacional com a interface da sub-vi de confecção do ábaco de dimensionamento. Sua primeira tela permite selecionar o arquivo de temperatura média da localidade pretendida e o arquivo das curvas de capacidade instantânea de uma motobomba, sendo este ultimo arquivo o resultado do ensaio com a sub-vi de levantamento de curva de capacidade instantânea. Esta tela também permite inserir os dados do gerador fotovoltaico (mencionados no capitulo 2) e ainda permite configurar a escala do eixo da potência nominal do gerador fotovoltaico. Além destas configurações, a interface permite também inserir o cabeçalho do ábaco que a mesma irá produzir, como mostra a Fig.42. Figura 42 - Tela inicial sub-vi de dimensionamento. Fonte - Do Autor. Pressionado o botão OK, a sub-vi troca a interface e apresenta outra contendo os resultados dos cálculos efetuados em gráficos que formarão o ábaco, como mostra a Fig.43.

54 53 Figura 43 - Curvas geradas. Fonte - Do Autor. O primeiro gráfico mostra o volume diário bombeado em cada altura manométrica em função da energia gerada pelo gerador fotovoltaico. O segundo gráfico mostra a energia gerada pelos módulos em função da potência nominal do gerador fotovoltaico, cuja escala teve seus valores ajustados na primeira tela. O terceiro gráfico mostra as curvas de capacidade instantânea da motobomba. Esta sub-vi permite apagar os cálculos efetuados (botão deletar ) ou salvar os valores (botão salvar ) em um arquivo de formato pdf, como mostram as Fig.44 e 45. Menciona-se o fato de que ao pressionar o botão reiniciar com seu respectivo led aceso, a sub-vi retorna à tela inicial.

55 54 Figura 44 - Ábaco gerado (página 1). Fonte - Do Autor.

56 55 Figura 45 - Ábaco gerado (página 2). Fonte - Do Autor. 4.3 Sub-VI de ensaio a sol real Conforme as outras duas sub-vi s, esta é executada pressionando o seu respectivo botão Ensaio a Sol Real na interface principal do software DIMAS. A sua primeira interface permite configurar o modo de comunicação do datalogger e programar o tempo de início da coleta (Fig. 46). Este tempo de início da coleta (tempo inicial) é o que a sub-vi começa a ler os dados da bancada e o tempo final da coleta é o tempo (do computador) que a sub-vi termina sua coleta. Figura 46 - Tela inicial sub-vi de ensaio a sol real. Fonte - Do Autor.

57 56 Pressionado o botão Criar arquivo, a sub-vi abre uma janela iterativa no Windows. Sendo que esta janela, assim como na sub-vi de levantamento de curva de capacidade instantânea, permite escolher o endereço do arquivo TDMS que terá os dados que serão recolhidos, como mostra a Fig.47. Figura 47 - Criação de arquivo. Fonte - Do Autor. Após a criação do arquivo TDMS, o led Arquivo Gerado acende e a sub-vi fica em espera até que o tempo do sistema (Windows) alcance o tempo inicial previamente ajustado. Com a chegada deste tempo, a sub-vi troca de interface e começa a coletar os dados da bancada, como mostra a Fig.48.

58 57 Figura 48 - Tela de leitura em tempo real sub-vi de ensaio a sol real. Fonte - Do Autor. Após a chegada do tempo final, a sub-vi executa sua tela final que contém todas as leituras efetuadas, assim como o endereço do arquivo salvo com estes valores, como mostra a Fig.49. O botão reiniciar também permite, quando seu respectivo led esteja aceso, retornar à interface inicial. Figura 49 - Ciclo completo sub-vi de ensaio a sol real. Fonte - Do Autor.

59 58 CONCLUSÕES O dimensionamento de sistemas fotovoltaicos de bombeamento de água foi facilitado com o desenvolvimento do software DIMAS, pois este permite gerar um ábaco de dimensionamento de uma maneira automatizada e ainda permite validar a qualidade do ábaco gerado através de um ensaio a sol real. Esta automação foi realizada através da conexão de uma réplica da bancada de ensaios proposta por Brito et al. (2006). O ábaco gerado pelo software DIMAS foi validado tanto por sua função de ensaio a sol real quanto por outros dimensionamentos já realizados e disponíveis na literatura, no qual foram utilizados os mesmos sistemas fotovoltaicos de bombeamento. Os resultados do software DIMAS substituem os resultados de ábacos de fabricantes de motobombas, visto que alguns não apresentam uma precisão satisfatória e o software DIMAS é capaz de validar seu ábaco gerado. A escolha do LabVIEW permite que o software DIMAS seja expandido através do uso de sub-vi s ou da conexão de outros softwares, visto que o LabVIEW permite a comunicação horizontal com diferentes tipos de softwares, como por exemplo o MATLAB. Esta funcionalidade é útil, pois permitirá que o programa seja expandido. Por exemplo, o programa pode ser expandido e dimensione sistemas de bombeamento abastecidos por outras fontes de energia primaria, por exemplo, a solar-eólica. Menciona-se que para trabalhos futuros também seria interessante aumentar o número de idiomas que o software DIMAS possui. Esta ampliação visa aumentar a aplicação do software DIMAS em diferentes regiões.

60 59 Bibliografia 1. AGILENT TECHNOLOGIES. Data Logger Agilent 34970A. Manual em Inglês. Estados Unidos, Disponível em:< Acesso em: 1 fev ALONSO-ABELLA, M.; LORENZO, E.; CHENLO, F. PV Water Pumping Systems Based on Standard Frequency Converters. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, p , 19 February, ANAUGER SOLAR. Disponível em:< 17> Acesso em: 04 de Nov, BAKELLI, Y.; ARAB, A. H.; AZOUI, B. Optimal sizing of photovoltaic pumping system with water tank storage using LPSP concept. Solar Energy, p , 2011, published online in sciencedirect ( 5. BORGES, A. P. Instrumentação Virtual Aplicada a um Laboratório com Acesso Pela Internet. Dissertação de Mestrado, Universidade de São Paulo USP, São Paulo, BRITO, A.U. Otimização de acoplamento de geradores fotovoltaicos a motores de corrente alternada através de conversores de freqüência comerciais para acionar bombas centrífugas. Tese (Doutorado em Energia), UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO USP, SÃO PAULO, BRITO A. U., FEDRIZZI, M. C., ZILLES, R., PV Pumping Systems: A Useful Tool to CheckOperational Performance. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, Published online in Wiley InterScience ( DOI: /pip DUNEA, D.; DUNEA, A.; MOISE, V.; MOISE, L. Developing Energy-Optimized Photovoltaic Applications using Virtual Instruments. Selected Topics in Energy, Environment, Sustainable Development and Landscaping. 2010

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63 62 Apêndice A Código do Programa Programa Principal

64 Sub-VI de Levantamento de Curva de Capacidade Instantanea 63

65 Sub-VI Confecção do Ábaco de Dimensionamento 64

66 Sub-VI de Ensaio a Sol Real 65

67 Anexo A Artigo publicado 66

68 IV Congresso Brasileiro de Energia Solar e V Conferencia Latino-Americana da ISES São Paulo, 18 a 21 de setembro de 2012 DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE SUPERVISÃO E AQUISIÇÃO DE DADOS PARA BANCADA DE ENSAIOS DE MOTOBOMBAS UTILIZANDO LABVIEW Luiz Eduardo Moreira de Jesus luiz_engenheiro@hotmail.com Alaan Ubaiara Brito aubrito@unifap.br Universidade Federal do Amapá, Departamento de Ciências Exatas e Tecnológicas, Curso de Engenharia Elétrica Instituto de Pesquisa Científicas e Tecnológicas do Estado do Amapá - IEPA Maria Cristina Fedrizzi fedrizzi@iee.usp.br Aimé Pinto afpinto@iee.usp.br Roberto Zilles zilles@iee.usp.br Universidade de São Paulo, Instituto de Eletrotécnica e Energia, Laboratório de Sistemas Fotovoltaicos - LSF Resumo. A metodologia mais criteriosa de dimensionamento de sistemas de bombeamento fotovoltaico utiliza a curva de capacidade instantânea da motobomba (W versus m³/h), obtida experimentalmente, na altura manométrica de projeto. Obter essa curva não é simples, pois exige a utilização de instrumentação capaz de simular poços para diferentes profundidades. Neste trabalho utiliza-se uma réplica da bancada de ensaios de motobombas propostas por Brito (2006). Atualmente os ensaios são realizados e as variáveis de interesse (potência, vazão e altura manométrica) são armazenadas em um datalogger para posterior coleta e análise em planilhas eletrônicas, onde a curva de capacidade instantânea da motobomba ensaiada é obtida. Tendo em vista dar maior agilidade à realização do ensaio, este trabalho objetiva o desenvolvimento de um sistema de supervisão e aquisição de dados para a bancada de ensaios de motobombas. O sistema foi desenvolvido em linguagem LabVIEW e permite a visualização dos resultados em tempo real. Esta funcionalidade proporciona maior agilidade na realização dos ensaios, pois permite ao usuário descartar, imediatamente, ensaios mal sucedidos assim como ajustar os equipamentos da bancada de ensaios de forma mais eficaz. Palavras-chave: Bombeamento Fotovoltaico, LabVIEW, Aquisição de Dados. 1. INTRODUÇÃO Dentre as metodologias existentes para dimensionamento de sistemas de bombeamento fotovoltaico, a mais criteriosa utiliza a curva de capacidade instantânea da motobomba (W versus m³/h), obtida experimentalmente, na altura manométrica de projeto (Vilela e Fraidenraich, 2001; Fedrizzi et al., 2004). No entanto, raramente os fabricantes disponibilizam essa informação, principalmente quando se trata de motobombas convencionais (3φ c.a.) que podem ser utilizadas em um sistema de bombeamento fotovoltaico, quando da utilização de um inversor de frequência como dispositivo de condicionamento de potência (Alonso-Abella et al., 1998; Brito e Zilles, 2006). Uma forma para determinar a curva de capacidade instantânea de motobombas é por meio de uma bancada de ensaios que simula poços de diferentes profundidades (Brito, 2006). Durante o ensaio, a motobomba a ser caracterizada tem sua potência de entrada controlada por meio de um inversor de frequência que é programado para variar a potência de entrada, lentamente, de zero até o valor nominal (W). Durante a caracterização da motobomba, a bancada de ensaios matem a altura manométrica constante, enquanto os parâmetros de interesse (corrente, tensão, vazão e irradiância) são armazenadas em um datalogger. Os ensaios podem ser realizados utilizando uma fonte c.c. ou um gerador fotovoltaico. Finalizado o ensaio com fonte c.c., são coletados os dados de vazão instantânea e analisados em planilhas eletrônicas onde é obtida a equação matemática por meio de regressão logarítmica. Quando o ensaio é realizado com gerador fotovoltaico, são geradas diversas curvas de desempenho ao longo de um dia de bombeamento com os dados coletados (Fedrizzi et al., 2007). Como se pode observar, o procedimento de realização do ensaio não permite que o técnico visualize as informações em tempo real e possa realizar uma análise imediata, tendo em vista descartar ensaios mal sucedidos, evitando assim o trabalho de analisar dados inválidos. Uma forma de solucionar este problema é integrando à bancada de ensaios um sistema de supervisão e aquisição de dados. Todavia, dificilmente se encontra no mercado um sistema que atenda a esta aplicação específica. Dado o exposto, o trabalho teve por objetivo o desenvolvimento de um sistema de supervisão e aquisição de dados para as bancadas de ensaios de motobombas desenvolvidas por Brito (2006). Uma das bancadas encontra-se em funcionamento desde 2002 no Laboratório de Sistemas Fotovoltaicos, do Instituto de Eletrotécnica e Energia da Universidade de São Paulo e a outra no Laboratório de Hidrometeorologia e Energias Renováveis do Instituto de Pesquisas Científicas e Tecnológicas do Estado do Amapá NHMET/IEPA. O sistema foi desenvolvido em linguagem LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench).

69 IV Congresso Brasileiro de Energia Solar e V Conferencia Latino-Americana da ISES São Paulo, 18 a 21 de setembro de AMBIENTE LABVIEW O LabVIEW é uma linguagem de programação gráfica originária da National Instruments. Os principais campos de aplicação são a realização de medições e a automação. A programação é feita de acordo com o modelo de fluxo de dados, o que oferece a esta linguagem vantagens para a supervisão e aquisição de dados, e para a sua manipulação. Os programas em LabVIEW são chamados de instrumentos virtuais ou, simplesmente, VIs, e são compostos pelo painel frontal, que contém a interface, e pelo diagrama de blocos, que contém o código gráfico do programa. O LabVIEW permite o desenvolvimento de aplicações personalizadas de forma rápida, fácil e com excelente interface gráfica, além de incluir diversas VIs de análises (processamento de sinal para filtragem, transformadas, detecção de pico, análise de harmônicas, análise de espectro, etc). O LabVIEW pode adquirir dados utilizando os mais diversos dispositivos (GPIB, interface serial/usb, PCM/CA, etc.). Nesta aplicação o LabVIEW adquire os dados da bancada de ensaios assumindo o controle do datalogger (Agillent HP34970A) via interface serial RS 232. No datalogger são armazenados os sinais dos transdutores de tensão, corrente, vazão e pressão, conforme a Tab. 1. Tabela 1. Descrição dos transdutores da bancada de ensaios de motobombas. VARIÁVEL MONITORADA TIPO DE TRANSDUTOR FAIXA DE MEDIÇÃO Tensão (ac) - entrada do inversor de frequência que aciona a motobomba Transdutor de tensão 0-5 A0-10 Vc.c. Corrente (ac) entrada do inversor de frequência que aciona a motobomba Transdutor de corrente V 0-10 Vc.c. Pressão interna da bancada de ensaios Transdutor de pressão 0-10 bar 0-10 Vc.c. Vazão da motobomba ensaiada Transdutor de vazão 0-32 m³/h 4-20mA 3. DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA DE SUPERVISÃO E AQUISIÇÃO DE DADOS COM FONTE c.c. O sistema de supervisão e aquisição de dados foi desenvolvido conforme o diagrama de blocos apresentado na Fig. 1. Por meio do LabVIEW é ativado o processo de aquisição de dados onde estes são amostrados com uma taxa prédefinida pelo usuário. O processo é realizado continuamente sendo as variáveis enviadas para uma interface gráfica e visualizadas em tempo real. Ao final do ensaio os dados são interpolados. Na Fig. 2 é apresentado o código gráfico do sistema de supervisão e aquisição de dados desenvolvido. Figura 1- Diagrama de blocos do sistema de supervisão e aquisição de dados com fonte c.c.

70 IV Congresso Brasileiro de Energia Solar e V Conferencia Latino-Americana da ISES São Paulo, 18 a 21 de setembro de 2012 Figura 2 - Código gráfico do sistema de supervisão e aquisição de dados desenvolvido. 4. OPERAÇÃO DO SISTEMA DE SUPERVISÃO E AQUISIÇÃO DE DADOS Para validar o sistema de supervisão e aquisição de dados desenvolvido, foi realizado um ensaio para obter a curva de capacidade instantânea de uma motobomba centrífuga de ½ CV trifásica. A bancada de ensaios, apresentada na Fig. 3, foi ajustada para simular um poço de 20 m de profundidade. Figura 3 Bancada de ensaios de motobombas do NHMET/IEPA. Os resultados são apresentados na Fig. 4, onde é possível visualizar simultaneamente a realização do ensaio, a evolução dos parâmetros de interesse (potência, vazão e pressão) assim como a interpolação dos pontos e a obtenção da curva de capacidade instantânea da motobomba ensaiada.

71 IV Congresso Brasileiro de Energia Solar e V Conferencia Latino-Americana da ISES São Paulo, 18 a 21 de setembro de 2012 Figura 4 Ambiente virtual de supervisão e aquisição de dados. A interface da Fig. 4 apresenta todos os gráficos, abas e subprogramas do sistema de supervisão e aquisição de dados, o funcionamento do programa ocorre da seguinte maneira, quando o mesmo é ativado inicia a coleta de dados e os gráficos da potência, vazão e pressão possibilitam a visualização em tempo real destes parâmetros, posteriormente, quando a motobomba entra em regime permanente (potência nominal) os valores de potência e vazão não se alteram, neste momento pressiona-se o botão interpolar e o LabVIEW retorna o gráfico da curva interpolada. 5. DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA DE SUPERVISÃO E AQUISIÇÃO DE DADOS COM GERADOR FOTOVOLTAICO Para a realização do ensaio de motobombas com gerador fotovoltaico são necessários vários dias de ensaio, o que gera alguns problemas como: falta de memória suficiente no datalogger, necessidade de supervisão local, etc. Como não há um programa de computador específico para isso, uma boa solução é a criação de um sistema de supervisão e aquisição de dados feito sob demanda, o qual pode ser feito através da ferramenta LabVIEW. Para a solução desses problemas foi criado um sistema de aquisição de dados e supervisão, em LabVIEW, capaz de armazenar os dados de vários dias e que não precisa de intervenção local para a realização dessas tarefas. A Fig. 5 mostra o diagrama de blocos do sistema desenvolvido. Figura 5 Diagrama de blocos do sistema de supervisão e aquisição de dados com gerador fotovoltaico.

72 IV Congresso Brasileiro de Energia Solar e V Conferencia Latino-Americana da ISES São Paulo, 18 a 21 de setembro de 2012 Este sistema permite que um datalogger sem ou com pouca memória seja utilizado em um ensaio de vários dias, além de permitir que os dados sejam visualizados instantaneamente e de forma remota (via VNC) e que os dados de um dia inteiro de ensaio sejam enviados por automaticamente ao término desse dia. As Fig. 6, 7 e 8 mostram a interface do sistema de aquisição de dados e supervisão. Figura 6 Interface gráfica do sistema de supervisão e aquisição de dados com gerador fotovoltaico, parte de configuração. Figura 7 Interface gráfica do sistema de supervisão e aquisição de dados com gerador fotovoltaico, parte de visualização dos dados.

73 IV Congresso Brasileiro de Energia Solar e V Conferencia Latino-Americana da ISES São Paulo, 18 a 21 de setembro de 2012 Figura 8 Interface gráfica do sistema de supervisão e aquisição de dados com gerador fotovoltaico, parte de envio de CONCLUSÕES Os sistemas desenvolvidos em linguagem LabVIEW permitem a visualização de todos os parâmetros de interesse durante a realização dos ensaios de motobombas, sendo possível a análise imediata e o descarte de ensaios mal sucedidos. O sistema com fonte c.c. fornece como resultado a curva de capacidade instantânea da motobomba ensaiada, além de permitir melhor ajuste da bancada de ensaios. O sistema com gerador fotovoltaico permite a geração de diversas curvas de desempenho ao longo de um dia de bombeamento, armazenando de grande quantidade de dados, com o acesso remoto do programa e o envio dos dados via de forma automática. Agradecimentos Os autores manifestam seus agradecimentos ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pela concessão de bolsa de Iniciação Científica ao primeiro autor, modalidades PIBIC/CNPq, e ao Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Energias Renováveis e Eficiência Energética da Amazônia (INCT-EREEA). REFERÊNCIAS Alonso-Abella, M.; Chenlo, F.; Blanco, J.; Manso, D., Use of Standard Frequency Convertes in PV Pumping Systems. 2nd World Conference on Photovoltaic Solar Energy Conversion, Viena, Austria, pp Brito, A. U., Otimização do acoplamento de geradores fotovoltaicos a motores de corrente alternada através de conversores de frequência comerciais para acionar bombas centrífugas. Tese de doutorado apresentada no Programa Interunidades de Pós-Graduação em Energia da Universidade de São Paulo, São Paulo. Brito, A. U.; Zilles, R., Systematized procedure for parameter charactherization of a variable-speed drive used in photovoltaic pumping applications. Progress in Photovoltaics, Inglaterra, v. 14, pp Brito, A.U., Fedrizzi, M.C., Zilles, R., PV Pumping Systems: A useful tool to check operational performance. Progress in Photovoltaics: Research and applications. pp Fedrizzi, M. C., Brito. A. U., Zilles, R., Procedimento para averiguação operacional de sistemas fotovoltaicos de bombeamento. V Encontro de Energia no Meio Rural e Geração Distribuída AGRENER 2004, UNICAMP, Campinas. Fedrizzi, M. C., Brito. A. U., Zilles, R., Procedimentos para realização de ensaios com sistemas de bombeamento fotovoltaico em bancada de teste. I Congresso Brasileiro de Energia Solar - ABENS, 2007, Fortaleza. Vilela, O. C.; Fraidenraich, N., A Methodology for the Design of Photovoltaic Water Supply Systems. Progress in Photovoltaics, Inglaterra, v. 9, pp