DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE POSICIONAMENTO AUTOMÁTICO TICO DE PLACAS FOTOVOLTAICAS PARA A GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

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1 UNESP - UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE POSICIONAMENTO AUTOMÁTICO TICO DE PLACAS FOTOVOLTAICAS PARA A GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA José Angelo Cagnon FEB/Bauru Alceu Ferreira Alves FEB/Bauru Odivaldo José Seraphim- FCA/Botucatu

2 Introdução Energia renovável, não poluente e confiável ; Geração de energia elétrica através de sistemas fotovoltaicos; Atendimento de comunidades isoladas; Melhoria da qualidade de vida das populações da zona rural e promoção do desenvolvimento.

3 Introdução Motivação e Relevância Pesquisa Aplicada Fontes de Energia Sistemas fotovoltaicos para a geração de energia elétrica Controle de Processos

4 Objetivos Desenvovimento de um Sistema de posicionamento do painel fotovoltaico, para captar e converter o máximo da radiação solar incidente em eletricidade

5 Objetivos Arquitetura de um Sistema de Controle Dedicado; Aplicação para movimentação e posicionamento de placas fotovoltaicas; Converter o máximo da radiação solar incidente em eletricidade; Aumento da eficiência comparado a sistema tradicionais.

6 Revisão da Literatura Sistemas de Posicionamento Automático Vorobiev (2004): Rastreador automático aumento no rendimento de 30% a 40%; Rastreadores c/utilização de sensores fototransistores microcontrolador e servo motor; Posicionamento feito em intervalos de 20 minutos.

7 Revisão da Literatura Sistemas de Posicionamento Automático Piao (2005): Técnicas do arranjo do silício mais eficiente; Algoritmo de controle do tipo MPPT (Maximum Power Point Tracking) extração da maior potência elétrica; Ajuste da carga; uso de um conversor eletrônico de potência de alta eficiência.

8 Revisão da Literatura Sistemas de Posicionamento Automático Ito (2003): Sistemas fotovoltaicos do deserto de altíssima Escala (Very Large Scale PV Systems) 100 MW; Custos de 0,10 (USD) geração com sistemas fixos contra 0,08 por kwh para geração com sistemas de rastreamento automático; Economia de 20% no custo total de produção da energia elétrica com o uso destes sistemas

9 O Sistema de Posicionamento Automático possui as seguintes características: Solução alternativa; Sem a utilização de sensores; Evita a movimentações desnecessárias; Independente das interferências que possam estar ocorrendo, como sombras ou nuvens.

10 O Sistema de Posicionamento Automático possui as seguintes características: O algoritmo de controle baseado na movimentação do sol coordenadas geográficas e medida do tempo real; O mecanismo de movimentação do tipo declinação-azimute 02 motores de passo - corrigem o ângulo de azimute ao longo do dia; Movimenta-se lentamente, resultando numa significativa economia de energia.

11 Mecanismo do Sistema de Posicionamento

12 O programa que calcula o posicionamento dos paineis fotovoltaicos está baseado: Posição do sol em relação a terra: Medida do tempo; Conversão do tempo; Cálculo do Angulo de Declinação (δ).

13 Medida do tempo: Medição do período de rotação da Terra em torno do seu eixo - referência o meridiano de Greenwich ; Medição do período de rotação da Terra em torno do sol, em órbita elíptica e com período médio de 365,25 dias ;

14 A diferença entre o tempo solar médio e o tempo solar real é chamada de Equação do Tempo EOT : EOT = cos x sin x cos 2x sin 2 x 1 ( )

15 O ângulo x é definido em função do dia do ano N, o qual é contado a partir de 1º de janeiro: x = 360( N 1 ) ( ) (graus) 2

16 O tempo solar é baseado no Sol sendo exatamente ao norte (para o hemisfério sul) no meio-dia em qualquer dia; Diferença acumulada entre o tempo solar médio e o verdadeiro tempo solar pode aproximar-se de 17min adiante ou atrás da média durante o ano.

17 21/03 Equinócio de Outono Polares 21/06 Solstício de Inverno 23,5 SOL Equador Declinação Solar δ Movimento de Rotação Equador Declinação Solar δ Pólo Norte 21/12 Solstício de Verão Trópico de Capricórnio 23,5S Movimento de Translação 21/09 Equinócio de Primavera Pólo Sul Equador

18 SOL Zênite Normal Θ S β Placas Fotovoltaicas β Norte α

19 Equação do Tempo [min] Dia do Ano variação anual da diferença - tempo solar médio e o tempo solar real

20 Conversão do tempo: Converter a hora solar à hora do relógio ; Necessário conhecer-se a localização; O dia do ano; Padrões locais sobre os quais os relógios locais estão ajustados

21 Conversão do tempo: EOT LCT = ts + LC + D 60 (horas) ( 3) LCT - hora local do relógio no formato 24h ; t S - hora solar ; EOT -cálculo da Equação do Tempo para a data desejada ; D - um parâmetro que indica se é utilizado o Horário de Verão na localidade desejada; LC - correção de longitude.

22 LC é a correção de longitude ajusta a hora com precisão dentro de um mesmo fuso horário, a partir da longitude local e da longitude do meridiano: LC = ( Longitude ) Local Longitude do M eridiano de Fuso horario local 15 (horas) ( 4)

23 Cálculo do Angulo de Declinação (δ) : Ângulo de declinação - entre uma reta traçada do centro da Terra até o Sol, e o plano que inclui a linha do Equador (Plano Equatorial ; Para rastreamento a precisão de um 1 no cálculo do ângulo de declinação é suficiente para um preciso posicionamento ;

24 Polo sol Meridiano sol do meio dia p (Eixo polar) Observador meridiano Plano equatorial S S p S m ω δ C (centro da terra) S e m Q observador e (leste)

25 Estação Meteorológica Desenvolvimento do Sistema Temperatura do Ar Umidade do Ar Velocidade do Vento 1 Radiação solar Radiação solar Sensor de Radiação (móvel) Painel Solar Sensor de Radiação (fixo) 4 CLP Software de controle Relógio Tempo Real Sistema de Supervisão Registro de Dados 3 2 Sistema Mecânico 3 Motores Passo Posicionamento Carga Inversor controlador GPS Grupo de Baterias Computador Grupo de Sensores Potência Solar Incidente Potência Elétrica Tensão e Corrente Elétrica Radiação Incidente (Móvel) Tempetarura do painel 1 Painéis Fotovoltaicos 4 Controlador Lógico Programável 2 Estrutura Metálica 5 Controlador de Carga 3 Motores / Redutores 6 Conversor de CC / CA

26 Cálculo do Angulo de Declinação (δ) : ( ) sen δ = cos ( N 173 ) 5 A partir do Ângulo de Declinação, calcula-se o Ângulo de Altitude Solar, o qual define a inclinação do painel.

27 Sistema de Movimentação: Dois motores de passo; Redutor de velocidade para aumento de torque e precisão de posicionamento; Placas de drive para acionamento dos motores; Simplicidade de implementação e baixo custo

28 Controle de Movimentação: Controlador lógico programável (PLC); oexecuta o algoritmo de calculo dos ângulos; ocomando de pulsos para o motor de passo; ocoleta de dados: tensão e corrente instantâneas, para o cálculo da potência instantânea e da energia gerada ao longo do dia

29 Sistema de fotovoltaico e de coleta de dados: Instalação de 02 painéis idênticos 01 fixo e outro c/ o rastreador automático; Fabricante Shell Solar, de silício monocristalino, com 50Wp, modelo SE-50; Instalados lado a lado com as mesmas condições de insolação, climáticas e de carga em seus terminais (resistiva 12V/40W).

30 Sistema em operação

31 Resultados e Conclusões Sistema eletro-mecânico de posicionamento: Boa estabilidade mesmo em condições adversas de clima (chuva e ventos fortes); O sistema de controle composto pelos drivers de potência e o CLP posiciona o painel com precisão (há mais de 400 dias em funcionamento); Os dados de potência instantânea coletados demonstram a vantagem do sistema móvel em relação ao fixo.

32 Resultados e Conclusões 35 Potencia Instantanea do Painel Fotovoltaico [Watts] Azul -o- = Painel Movel Verm -*- = Painel Fixo Ganho 15h40min: na geração diferença = a 41,86% = 217% Painel fixo: 135,1 5,63 Wh W Painel móvel: m 191,7 17,86 Wh W Tempo [hora do dia] Potência fornecida pelo Painel Móvel e pelo Painel Fixo (mês de agosto inverno)

33 Resultados e Conclusões Azul -o- = Painel Movel Verm -*- = Painel Fixo 8h39min: Ganho na diferença geração a = 68,08% 567% Painel fixo: 201,8 4,77 W Wh Painel móvel: m 31,83 339,2 W Wh Potencia Instantanea do Painel Fotovoltaico [Watts] Tempo [hora do dia] Potência fornecida pelo Painel Móvel e pelo Painel Fixo (mês de março verão)

34 Resultados e Conclusões 1200 Radiacao Solar Incidente na Superficie do Painel [Watts/m2] Verm -*- = Painel Fixo Azul -o- = Painel Movel Tempo [hora do dia] Radiação Solar Incidente no Painel Móvel e no Painel Fixo (mês de março - verão)

35 Agradecimentos Fundação de Auxílio à Pesquisa do Estado de São Paulo - FAPESP Fundação Para o Desenvolvimento da Universidade Estadual Paulista Julio de Mesquita Filho - FUNDUNESP Faculdade de Engenharia de Bauru FEB/UNESP