AUTOMAÇÃO DO APARELHODE DETECÇÃO DE RADIAÇÃO DIFUSA DE ANEL FIXO E DETECTOR MÓVEL

Transcrição

1 AUTOMAÇÃO DO APARELHODE DETECÇÃO DE RADIAÇÃO DIFUSA DE ANEL FIXO E DETECTOR MÓVEL Tecg. Felipe de Souza Domingues 1, Dr. Alexandre Dal Pai 2 1 FATEC, Botucatu, São Paulo, Brasil. felipesdomingues@yahoo.com.br 2 FATEC, Botucatu, São Paulo, Brasil. adalpai@fatecbt.edu.br 1. INTRODUÇÃO No estudo do clima, existem diversas técnicas e equipamentos para medir os fenômenos atmosféricos. Um fenômeno bastante estudado é a radiação difusa solar. Que consiste em um detector de radiação eletromagnética posicionado de forma que a radiação do sol não o atinja diretamente, ou seja, ele recebe apenas a radiação difundida na atmosfera. A radiação solar, ao penetrar na camada atmosférica, sofre constantes atenuações devido aos processos de espalhamento, absorção e reflexão provocados por partículas suspensas na atmosfera e pela própria superficie terrestre. A parte de espalhamento se promove em todas as direções, recebendo o nome de radiação difusa. A Fig.1 ilustra o espalhamento da radiação solar. Figura 1 - Radiação direta, difusa e circunsolar. Atualmente existem diversos modelos, desde simples anéis metálicos sobre o detector a sofisticados braços robóticos que acompanham o sol a fim de manter a sombra sobre o detector.

2 Um dos tipos de conjunto para medir radiação difusa é o de anel fixo e detector móvel. Nesse tipo, o detector se move a partir de uma barra roscada virada por uma manivela manual, o qual deve ser reposicionado a cada dia devido à declinação solar ao longo do ano. A Fig.2 ilustra a geometria deste dispositivo. Figura 2 Anel de sombreamento fixo e detector móvel. Onde, δ é o ângulo de declinação solar em relação ao equador. λ é o ângulo entre o eixo radial do anel e o eixo zenital, no referencial equatorial, é numericamente igual ao ângulo da latitude. é o ângulo da declinação solar em relação ao eixo zenital. R é a distância entre o centro do pico do anel e o detector. r é o raio do anel. h é a menor distância entre o centro do pico do anel e o plano do detector. d é distância entre a projeção do raio do anel com o plano do detector e o detector. O processo de ajuste manual da posição do detector está suscetível à falha humana, uma vez que depende de uma pessoa todos os dias para fazer a correção da

3 posição. E, também, é necessário que a sombra esteja bem nítida, ou seja, com céu sem nuvens, para que a pessoa posicione corretamente na região sombreada, o que não é possível em dias nublados. A solução para evitar as falhas humanas é automatizar o processo de correção da posição. Porém, os dispositivos existentes ou são muito caros, por constituir de robótica avançada, ou não funcionam em dias nublados. Um modo de solucionar o problema de custo elevado e não funcionamento em dias nublados é utilizar um sistema que substitua a pessoa na manivela do conjunto de anel fixo e detector móvel. Esse tipo de automação eficaz e de baixo custo pode ser feita utilizando-se de eletrônica e microcontroladores simples e o cálculo de declinação solar. 2. MATERIAIS E MÉTODOS O projeto exigiu os seguintes recursos: Dois microcontroladores PIC16F876A; Resistores, capacitores, osciladores e cabos; Uma fonte 5V; Protoboard e placa para circuito impresso; Um display de LCD; Chaves elétricas; Sensor de distância ultrassônico; Conjunto de motor de passo; Dispositivo de gravação para microcontroladores via USB; Computador com os softwares CCS C Compiler e ISIS Proteus7; Ferragem para a estrutura. O sistema desenvolvido constitui-se em uma unidade de controle ligado ao sensor ultrassônico e ao motor de passo que, em função da latitude local e do Dia Juliano do ano, ajusta automaticamente a posição do detector de radiação em relação ao anel do conjunto de modo que fique sempre na região de sombra ao longo de todo o ano. A unidade de controle é formada por dois microcontroladores PIC juntamente com os outros componentes eletrônicos, tais como capacitores, resistores, etc. Os dois

4 microcontroladores estão integrados por meio de três pinos que utilizam um padrão de comunicação desenvolvido neste trabalho, isto foi necessário, pois apenas um microcontrolador não comportaria todo o programa do sistema por não ter memória ROM suficiente e também não permitiria que as tarefas de relógio e controle da posição sejam executadas simultaneamente e de maneira independente, evitando a perda de desempenho dos processadores. O processo geral do sistema consiste basicamente em receber, ao ser ligado, três valores que correspondem a duas variáveis e uma constante que são necessárias para o cálculo da posição correta do detector de radiação no dia. As variáveis são a data e a hora exata e a constante é o valor da latitude do local onde será utilizado. Uma vez fornecidos esses valores, o sistema começa a contar o relógio, atualizando o Dia Juliano a cada dia que passa, sempre levando em consideração anos bissextos. O Dia Juliano é definido apenas ao ano, ou seja, todo dia 1 de janeiro é o Dia Juliano 1 e todo dia 31 de dezembro é o Dia Juliano 365. Para anos bissextos, o dia 29 de Fevereiro será sempre considerado como dia 28 de Fevereiro, ou seja, dia 28 e 29 de Fevereiro serão o mesmo dia para o sistema. do detector. Com os valores Dia Juliano (DJ) e latitude, o sistema calcula a posição correta Após ter calculado o valor da posição correta do detector, a unidade de controle faz a leitura do sensor ultrassônico para definir a posição atual do detector e, caso esta posição medida seja diferente da calculada, o motor de passo é acionado em uma quantidade de passos suficiente para fazer a correção até os valores medidos e calculados sejam iguais. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Todas as informações e cálculos são processados pelos microcontroladores do sistema, os quais comandam a posição do detector de radiação utilizando o motor de passo. Para o sistema ter o feedback da posição do detector, ele utiliza um sensor de distância por ultrassom que informa o tempo que um pulso sonoro levou para atingir um anteparo e voltar onde, conhecendo-se a velocidade do som, obtêm-se a distância. O sistema se divide entre unidade de controle e periféricos dependentes e independentes. Os periféricos dependentes são o sensor ultrassônico, o motor de passo,

5 os suportes e estruturas, e os periféricos independentes são o anel de sombreamento e o detector de radiação. controle. A unidade de controle possui dois módulos: o módulo do relógio e o módulo de O módulo do relógio é responsável em controlar a informação do Dia Juliano, a partir da data e hora, e da latitude local cujos valores são enviados para o módulo de controle diariamente. Por ele é feita a interface entre o usuário, conectando-se a um display que informa a hora e o Dia Juliano ou a configuração em sua inicialização feita por dois botões pulsadores. Dele também saem três terminais para o módulo de controle, onde é feita a comunicação entre eles. A Fig. 3 mostra o circuito do sistema, onde o microcontrolador da esquerda é o módulo de controle e o da direita é o módulo do relógio. Figura 3 - Circuito do sistema.

6 O módulo de controle é responsável por verificar a posição do detector de radiação através do sensor ultrassônico e corrigi-la com o motor de passo com base nos valores de Dia Juliano e latitude fornecidos pelo módulo do relógio pelos três terminais de comunicação. A Fig. 4 mostra o sistema já montado. Figura 4 - O Sistema montado. Barra roscada Suporte para o detector de radiação Anel de sombreamento 4. CONCLUSÕES Embora existam sistemas que automatizam métodos de detecção de radiação difusa, foi possível a elaboração de um desses sistemas com baixíssimo custo, apenas R$ 236,50. A utilização de microcontroladores e sua programação simples tornou possível a criação deste sistema utilizando-se poucos componentes. Mesmo sendo simples e barato, o sistema apresentou um excelente desempenho. Uma vez que o sistema motor de passo > redução do eixo de saída > barra roscada apresentou precisão de 0,0031mm no deslocamento do suporte. Apesar da ótima precisão, existe a limitação da diferença máxima entre a posição medida e a posição

7 calculada de 10cm, devido a própria capacidade numérica dos microcontroladores, portanto, recomenda-se o pré-posicionamento do suporte na região de sombra do anel de sombreamento ao inicializar o sistema. A utilização do cálculo de declinação solar e da capacidade de cálculo dos microcontroladores tornou possível a correção automática da posição do detector de radiação independentemente da claridade do dia, posição direta do sol ou outros parâmetros externos que podem ocasionar falhas na posição. A automação do sistema eliminou o fator humano diretamente da correção da posição, eliminando possíveis falhas humanas, como a falta de correção manualmente. Assim, não sendo mais necessário o acompanhamento diário por pessoas no local, pois o sistema se corrige sozinho. A única intervenção humana no sistema é apenas em sua inicialização. Ainda serão necessários alguns ajustes no sistema para que ele trabalhe com mais exatidão por um longo período de tempo, mas para isto é preciso realizar testes ao longo de um ano para que sejam identificados os pontos onde possam ser aplicadas melhorias. Estes testes e melhorias são oportunidades para trabalhos futuros, já que o sistema funcionou conforme programado sem divergências. 5) REFERÊNCIAS BATTLES, F. J., OLMO, F. J., ALADOS-ARBOLEDAS, L., On shadowband correction methods for diffuse irradiance measurements. Solar Energy, v.54, n.2, p CABRERA, F. J., BAILLE, A., LÓPEZ, J. C., GONZALEZ-REAL, M. M., PÉREZ-PARRA, J Effects of cover diffusive propoerties on the components of greenhouse solar radiation. Biosystems engineering, v. 103, p CODATO, G, OLIVEIRA, A P, SOARES, J, ESCOBEDO, J F, GOMES, E N, DAL PAI, A., Global and diffuse solar irradiances in urban and rural areas in southeast Brazil. Theor Appl Climatol, v 93, p DEHNE, K., Diffuse solar radiation measured by the shade ring method improved by a correction formula. Instruments and observing methods, Report n. 15, World Meteorological Organization, p DRUMMOND, A. J., On the measurements of sky radiation. Archiv. fur Meteorologie. Geophysik Bioklimatologie, v.7, p GRANT, R. H Shadow-band corrections for photosynthetically-active radiation under clear and overcast conditions. Agricultural and Forest Meteorology, v. 87, n. 2-3, p INEICHEN, P, GREMAUD, J M, GUISAN, O, MERMOUD, A., Study of the corrective factor involved when measuring the difuse solar radiation by use of the ring method. Solar Energy, v.32, p KUDISH, A I, EVSEEV, E G., The assessment of four different correction models applied to the diffuse radiation measured with a shadow ring using global and normal beam radiation measurements for Beer Sheva, Israel. Solar Energy, v.82, p LEBARON, B. A., MICHALSKY, J. J., PEREZ, R., A simple procedure for correcting shadowband data for all sky conditions. Solar Energy, v.44, n.5, p LEBARON, B. A., PETERSON, W. A., DIRMHIRN, I Corrections for diffuse irradiance measured with shadowrings. Solar Energy, v.25, n. 1, p 1-13.

8 LOPEZ, G., MUNEER, T., CLAYWELL, R Assessment of four shadow band correction models using beam irradiance data from the United Kingdom and Israel. Energy Conversion and Management, v.45, n , p MELO, J. M. D., ESCOBEDO, J. F., Medida da radiação solar difusa. In: ENERGÍAS LÍMPIAS EN PROGRESO, VII CONGRESSO IBÉRICO DE ENERGIA SOLAR, Vigo, Espanha. Anais INTERNATIONAL SOLAR ENERGY SOCIETY, v. 1. OLIVEIRA, A. P., ESCOBEDO, J. F., MACHADO, A. J., A new shadow-ring device for measuring diffuse solar radiation at surface. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, Boston, v. 19, p PAINTER, H. E., The shade ring correction for diffuse irradiance measurements. Solar Energy, v.26, p PEREZ, R., MOORE, K., WILCOX, S., RENNÉ, D., ZELENKA, A Forecasting solar radiation Preliminary evaluation of an approach based upon the national forecast database. Solar Energy, v.81, n. 6, p POLLARD, D. G. e LANGEVINE, L. P., An anisotropic correction for diffuse irradiance measurements in Guyana. In: Proceeding of the 1988 Annual Meeting, M. J. Coleman (Ed.), p , ASES Cambridge. ROBINSON, H., STOCH, L., Sky radiation and measurements and corrections. Journal of Applied Meteorology, v.3, p ROBLEDO, L., SOLER, A Modeling the luminous efficacy of diffuse solar radiation on inclined surfaces for all sky conditions. Energy Conversion and Management, v.44, p SIREN, K. E The shadow band correction for diffuse irradiation based on a two-component sky radiance model. Solar Energy, v.39, n. 5, p STANHILL, G., Observations of shade-ring correction factors for diffuse sky radiation measurements at the Dead Sea. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, v.111, p STONE, R. J., Improved statistical procedure for the evaluation of solar radiation estimation models. Solar Energy, v.51, n.4, p VARTIAINEN, E., An anisotropic shadow ring correction method for the horizontal di}use irradiance measurements. Renewable Energy, v.17, p Agradecimentos Agradeço à Fatec Botucatu, ao meu orientador e à equipe do Professor Escobedo da Faculdade de Ciências Agronômicas de Botucatu pela oportunidade de desenvolver este trabalho.