SISTEMA DE MONITORAMENTO E REGISTRO DE DADOS PARA APOIO À NAVEGAÇÃO DE UM VEÍCULO SOLAR Guilherme Arnizaut Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientador: Luís Guilherme Barbosa Rolim, Dr.-Ing Rio de Janeiro Julho de 2014
SISTEMA DE MONITORAMENTO E REGISTRO DE DADOS PARA APOIO À NAVEGAÇÃO DE UM VEÍCULO SOLAR Guilherme Arnizaut PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA. Examinado por: Prof. Luís Guilherme Barbosa Rolim, Dr. -Ing (Orientador) Prof. Jorge Luiz do Nascimento, Dr.Eng. (Coorientador) Prof. Sergio Sami Hazan, Ph.D. Marcos Dantas Alves dos Santos, M.Sc. RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL JULHO DE 2014 ii
Arnizaut, Guilherme Sistema de Monitoramento e Registro de Dados Para Apoio à Navegação de um Veículo Solar / Guilherme Arnizaut. Rio de Janeiro: UFRJ / Escola Politécnica, 2014. XIV, 101 p.: il.: 29,7 cm Orientador: Luís Guilherme Barbosa Rolim Projeto de Graduação UFRJ / Escola Politécnica / Curso de Engenharia Elétrica, 2014. Referências Bibliográficas: p.80-81. 1. Barco Solar. 2. Captação de Dados. 3. Armazenamento de Dados. 4. Sensores. I. Rolim, Luís Guilherme Barbosa. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Elétrica. III. Título iii
Agradecimentos Agradeço a Deus por estar comigo nessa jornada me dando saúde e confiança e me ajudando a superar os desafios. A toda minha família, presentes fisicamente ou não, que sempre esteve presente me dando toda a base moral e valores que hoje eu sigo e respeito. Em especial ao meu pai, Jefferson Arnizaut, e minha mãe, Márcia Ribeiro, que por todo o meu percurso forneceram todo suporte que alguém pode pedir para estar sempre seguindo em frente, a grande paciência que tiveram para eu chegar até aqui e a sempre confiança em minha capacidade que fez que eu mesmo acreditasse em mim. À minha namorada, Letícia Bandeira de Castro, por toda a força que me deu de para que eu pudesse seguir meus objetivos. A toda família de Fabio Fernandes Figueira, por receberem a mim e meus colegas em intermináveis noites de estudo. Aos meus amigos Fabio Fernandes Figueira, Marcos Póvoa e Pedro Altoé, sem os quais as noites viradas de estudos teriam sido mais chatas e menos produtivas. A todos os amigos que fiz durante minha passagem pela faculdade, que nossa amizade seja duradoura. A todos do LAFAE, em especial a Marcos Dantas, pelos conselhos e ajudas tanto nas experiências quanto nas preparações para as mesmas. Agradeço ao Professor Luís Guilherme Barbosa Rolim pela ajuda e conselhos no desenvolvimento deste projeto. iv
O Conflito Não é Entre o Bem e o Mal, mas entre o Conhecimento e a Ignorância (BUDA) v
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista. Sistema de Monitoramento e Registro de Dados Para Apoio à Navegação de um Veículo Solar Guilherme Arnizaut Julho/2014 Orientador: Luís Guilherme Barbosa Rolim Curso: Engenharia Elétrica Este projeto visa desenvolver e descrever um sistema de monitoramento e registro de dados que busca auxiliar a navegação do barco movido a energia solar (barco solar) pertencente ao Laboratório de Fontes Alternativa de Energia (LAFAE). Esse sistema será capaz de captar e armazenar dados de sensores dispostos no barco, sendo que os sensores usados nesse trabalho foram um sensor de corrente Allegro ACS758, um sensor piranômetro Davis de Radiação Solar e ainda um divisor de tensão resistivo que representa um sensor de tensão. Os dados captados serão utilizados em uma posterior análise e desenvolvimento do barco focando-se nos sistemas de geração fotovoltaica, armazenamento de energia e propulsão. Palavras-chave: Barco Solar, Captação de Dados, Armazenamento de Dados, Sensores. vi
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Engineer. Monitoring and Data Registration System for Support the Navigation of a Solar Vehicle Guilherme Arnizaut July/2014 Advisor: Luís Guilherme Barbosa Rolim Course: Electrical Engineering This project aims to develop and describe a system for monitoring and datalogging seeking to assist the navigation of the boat powered by the sun (solar boat) that belongs to the Laboratory of Alternative Energy Sources (LAFAE). This system will be able to capture and store data from sensors scattered throughout the boat, the sensors used were a current Allegro ACS758 sensor, a pyranometer Davis Solar Radiation sensor and a resistive voltage divider, which represents a voltage sensor. The data acquired will be used for further analysis and development of the boat by focusing on the photovoltaic generation system, energy storage system and propulsion system. Keywords: Solar Boat, Data Capture, Data Storage, Sensors. vii
Sumário Lista de Figuras... xi Lista de Tabelas... xiv Capítulo 1 Introdução...- 1-1.1 Contexto...- 1-1.2 Objetivo...- 6-1.3 Metodologia...- 6-1.4 Organização...- 7 - Capítulo 2 Composição do Sistema...- 9-2.1 Introdução...- 9-2.2 O Barco Solar...- 9-2.3 Componentes do sistema...- 18-2.3.1 Sensores...- 18-2.3.2 Dispositivo de Concentração e Armazenamento de Dados...- 24 - Capítulo 3 Programação do Arduíno...- 30-3.1 Introdução...- 30-3.2 Arduíno UNO...- 30-3.3 Arduíno IDE...- 33-3.4 Programa Base de aquisição de Dados...- 34-3.4.1 Teste preliminar do Programa 1...- 39-3.5 Programa Completo de Aquisição de Dados...- 40 - viii
3.5.1 Teste Preliminar do Programa 2...- 41-3.6 Programa de Aquisição de Dados do GPS...- 42-3.6.1 Shield GPS ITEAD Studio...- 42-3.6.2 Desenvolvimento do Programa...- 44-3.7 Programa para Captação de dados dos Sensores e GPS...- 47 - Capítulo 4 Montagens, Testes, Validações e Calibrações...- 50-4.1 Introdução...- 50-4.2 Sensores Reais...- 50-4.2.1 Sensor de Corrente ACS758ECB-200B...- 51-4.2.2 Sensor Piranômetro Vantage Pro...- 53-4.3 Placa de Interconexão...- 56-4.3.1 Teste preliminar da Placa...- 60-4.4 Ideia de Aplicação das Placas...- 61-4.5 Curvas de Calibração...- 62-4.5.1 Curva de Calibração do Sensor de Corrente...- 62-4.5.2 Curva de Calibração do Piranômetro...- 65 - Capitulo 5 Resultados...- 70-5.1 Principais Resultados...- 70-5.2 Ampliações...- 73 - Capítulo 6 Conclusão...- 74-6.1 Objetivos Alcançados...- 74-6.2 Temas para Futuros Projetos...- 75 - ix
6.2.1 Dispositivo Móvel para Interface com o Usuário...- 75 - Referências Bibliográficas...- 80 - Anexo I...- 82 - Anexo II...- 85 - Anexo III...- 89 - Anexo IV...- 94 - x
Lista de Figuras Figura 1- Ônibus Híbrido a Hidrogênio...- 2 - Figura 2- Ford Modelo C-Max Energi Solar...- 3 - Figura 3-Formato do Casco do Barco Mangue...- 10 - Figura 4-Vista lateral do Catamarã Mangue... - 10 - Figura 5-Topologia e Circuito Equivalente de um Motor BLDC...- 11 - Figura 6-Imagem do Motor em Funcionamento e em Repouso...- 12 - Figura 7-Motor C80100-180 Turnigy... - 12 - Figura 8-ESC do Motor...- 14 - Figura 9-Conjunto Motor, Rabeta e Hélice...- 14 - Figura 10-Bateria Modelo Freedom DF300 12V...- 15 - Figura 11-Esquema Atual de Propulsão e controle...- 17 - Figura 12- Sensor de Corrente Allegro... - 18 - Figura 13-Sensor de Tensão...- 20 - Figura 14-Diagrama de Correntes...- 20 - Figura 15 Diagrama dos Sensores se Conectando ao Dispositivo Concentrador de Dados...- 23 - Figura 16-Caixa Hermética da Hypersat...- 26 - Figura 17-Placa da família Arduíno...- 27 - Figura 18- Shields Acoplados no Arduíno...- 29 - Figura 19-- Arduíno UNO...- 32 - Figura 20-Tela inicial do Arduíno IDE com funcionalidades destacadas...- 34 - Figura 21- Fluxograma do programa Base...- 36 - Figura 22 Esquemático do teste do Programa 1...- 39 - xi
Figura 23 Representação do Teste 1...- 40 - Figura 24 Esquemático do teste do programa...- 41 - Figura 25- Representação do Teste 2...- 42 - Figura 26 Diagrama de Layout do GPS Shield...- 43 - Figura 27 ITEAD GPS Shield e Antena...- 44 - Figura 28 Fluxograma GPS...- 45 - Figura 29 Fluxograma do programa completo...- 48 - Figura 30 Esquemático do ACS758...- 52 - Figura 31 Diagrama de Pinagem...- 52 - Figura 32 ACS758 PFF...- 53 - Figura 33 Corpo interno do Piranômetro...- 55 - Figura 34 Corpo Externo do Piranômetro...- 55 - Figura 35 Esquemático do Piranômetro...- 56 - Figura 36 Primeira Placa Produzida...- 57 - Figura 37 Problema de Sustentação Apresentado pela Placa...- 58 - Figura 38 Vista Superior da Placa de Interconexão Final...- 59 - Figura 39 Placa Empilhada com o Problema de Sustentação Resolvido...- 59 - Figura 40 Piranômetro e Fonte conectados à Placa...- 60 - Figura 41 Todas as Conexões Feitas para o Teste...- 61 - Figura 42 Curva de Calibração do Sensor de Corrente...- 64 - Figura 43 Experimento para Levantamento da Curva de Calibração...- 65 - Figura 44 Comparação entre as Curvas...- 68 - Figura 45 Comparação entre os Dados do Arduíno e do Piranômetro...- 68 - Figura 46 Experimento para Levantamento da Curva de Calibração do Piranômetro- 69 - xii
Figura 47-Arquivo.txt de corrente...- 70 - Figura 48-Arquivo.txt de radiação... - 71 - Figura 49-Arquivo.txt do GPS... - 72 - Figura 50-Arduíno MEGA...- 73 - Figura 51- Tablet Aakash, UbiSlate 7Cz...- 77 - Figura 52-Interface Piloto...- 78 - Figura 53- Interface Técnico...- 79 - xiii
Lista de Tabelas Tabela 1-Especificações do Motor... - 13 - Tabela 2- Dados do Painel pelo Padrão STC - 1000W/m²... - 16 - Tabela 3-Legenda Figura 11... - 17 - Tabela 4- Correntes Máximas Dos Sistemas... - 22 - Tabela 5 Legenda da Figura 15... - 23 - Tabela 6 HDOP e sua Classificação... - 46 - Tabela 7- Dados do sensor de corrente ACS758ECB-200B... - 53 - Tabela 8 Características do Piranômetro... - 54 - Tabela 9 Valores para Calibração... - 63 - Tabela 10 Valores para Calibração do sensor Piranômetro... - 67 - xiv
Capítulo 1 Introdução 1.1 Contexto Nos últimos anos foi possível verificar um aumento do número de competições realizadas entre universidades envolvendo veículos tripulados produzidos por alunos. Em relação à UFRJ (Universidade Federal do Rio de Janeiro), pode-se destacar o Desafio Solar Brasil, que utiliza barcos solares 1 e a Fórmula SAE 2, uma competição entre carros. Em função deste aumento, a dificuldade e a competitividade entre os participantes está cada vez mais acirrada, aumentando a importância de se analisar o desempenho dos referidos veículos de forma qualitativa e quantitativa no intuito de aprimorar sua performance. Todas essas competições têm como objetivo estimular os estudantes a aprofundar seus conhecimentos sobre as tecnologias atuais nos diversos segmentos de que participam, bem como desenvolver novas tecnologias nestas áreas. Em especial, a área da navegação solar visa estimular o desenvolvimento de tecnologias que utilizam fontes alternativas de energia (como é o caso da geração solar fotovoltaica) para o transporte. O que se pode observar no cenário mundial é uma tendência à substituição das fontes convencionais de energia (como o petróleo) por novas fontes menos poluentes e que sejam renováveis. No ambiente da UFRJ, mais particularmente na Ilha do Fundão, onde se encontra o Centro de Tecnologia, pode-se destacar o desenvolvimento do ônibus 1 A principal competição da qual participa o barco solar do fundão é o Desafio Solar Brasil cujo o objetivo é estimular o desenvolvimento e divulgar a aplicação de fontes de energia alternativas em embarcações de serviço, recreio e transporte de passageiros. Mais informações podem ser encontradas no site do Desafio: http://desafiosolar.wordpress.com/. 2 É um desafio lançado aos estudantes de engenharia que tem como objetivo desenvolver e propiciar a difusão e intercâmbio de conhecimentos de Engenharia formula náutica. Mais informações podem ser encontradas no site da competição http://www.saebrasil.org.br/eventos/programas_estudantis/. - 1 -
híbrido movido a hidrogênio 3 que pode ser visto na Figura 1. Este veículo foi desenvolvido com tecnologia 100% nacional e busca uma solução real para o problema da poluição gerada pelos atuais meios de transporte público urbano. Figura 1- Ônibus Híbrido a Hidrogênio Fonte: http://www.ufrj.br/mostranoticia.php?noticia=14786_onibus-a-hidrogenio-da- Coppe-reforca-transporte-da-Cidade-Universitaria.html Saindo do ambiente da UFRJ e analisando as tecnologias de veículos movidos com a energia solar, tem-se como exemplo um carro conceito desenvolvido pela Ford em conjunto com a Georgia Institute of Tecnology, apresentado no International Consumer Eletronics Show que ocorreu em Las Vegas, Estados Unidos, no começo de 2014. Este carro híbrido é chamado de C-Max Energi Solar 4 e pode ser observado na Figura 2. É um carro elétrico que, ao invés de alimentar suas baterias a partir de uma 3 Para saber mais sobre esse ônibus, visitar a página: http://www.planeta.coppe.ufrj.br/artigo.php?artigo=1789 4 Para mais informações sobre esse novo conceito acessar a página: https://media.ford.com/content/fordmedia/fna/us/en/news/2014/01/02/let-the-sun-in--ford-c-maxsolar-energi-concept-goes-off-the-gri.html. - 2 -
tomada, utiliza uma lente especial chamada de Fresnel que concentra a luz nas células solares, aumentando em até 8 vezes o seu impacto. Utilizando esse modelo, a Ford estima que é possível reduzir em até 4 toneladas as emissões de gases de efeito estufa anuais em comparação a um modelo tradicional. Figura 2- Ford Modelo C-Max Energi Solar Fonte:https://media.ford.com/content/fordmedia/fna/us/en/news/2014/01/02/let-thesun-in--ford-c-max-solar-energi-concept-goes-off-the-gri.html Observando o que foi descrito, é possível confirmar a tendência mundial em desenvolver novas fontes de energia que preservem o planeta. Voltando às competições acima citadas que têm ajudado a desenvolver essa, dentre outras tecnologias, será tratado neste projeto o barco solar do LAFAE 5 5 Para mais informações sobre o Barco Solar, ver seção 2.2 deste projeto. - 3 -
(Laboratório de Fontes Alternativas de Energia), na UFRJ, que é utilizado no Desafio Solar Brasil. Os pesquisadores envolvidos com esse barco têm percebido que durante as competições e testes, quem controla o barco solar a partir do cockpit possui pouca informação sobre o andamento do mesmo (velocidade, direção de deslocamento), a condição de carga de suas baterias, a geração fotovoltaica instantânea e consumo, dentre outras indicações. A falta de dados faz com que o piloto conduza o veículo às cegas, já que a qualquer momento, uma falta de radiação solar adequada e um consumo excessivo do sistema de armazenamento (banco de baterias) podem fazer com que o barco fique impossibilitado de prosseguir, permanecendo à deriva e comprometendo todo o planejamento da equipe ou até mesmo a segurança do piloto e da embarcação. Outro problema relacionado à falta de informações técnicas durante e após uma competição ou manutenção e preparação do barco é que, sem elas, fica difícil observar se tudo está conforme a normalidade, seguindo as expectativas. Dados como energia consumida pelo motor, energia gerada pelo sistema de geração, nível de carga do sistema de armazenamento e radiação solar incidente, entre outros, podem servir de base para um estudo mais detalhado das condições e comportamento do barco tanto durante a corrida como durante sua preparação. Esses dados podem gerar gráficos comparativos importantes que mostrem o comportamento de diversos componentes em diferentes situações, tais como: Se o motor está funcionando corretamente e não consumindo mais do que o esperado; - 4 -
Se o sistema de geração está aproveitando com boa eficiência a radiação incidente, sem desperdiçar energia em excesso e ainda se as baterias conseguem manter o seu nível de carga corretamente; Se o piloto não está andando muito rápido e, por consequência, consumindo energia demais em momentos de baixa insolação (isso se dá, pois o consumo de energia varia de acordo com o cubo da velocidade, seguindo a fórmula Pins=v³, onde Pins é a potência instantânea consumida e v é a velocidade). Esses problemas se apresentam devido à falta, na estrutura do barco, de um sistema de auxílio à navegação mais completo, que possa ser usado para ajudar na tomada de decisões por parte do piloto e da equipe em terra tanto durante como posteriormente à corrida. Esse projeto tem como meta resolver parte dos problemas apresentados, auxiliando o desenvolvimento do barco solar como um todo. Como comentado anteriormente, o foco deste projeto é o desenvolvimento de um sistema de monitoramento e registro de dados de sensores para utilização no barco solar. Este sistema de monitoramento tem a finalidade de registrar os dados dos sensores em um cartão micro-sd que poderá ser analisado pela equipe após as corridas, facilitando, assim, a detecção de problemas ou auxiliando na melhoria do desempenho do barco. O intuito é que, através da implementação desse sistema de monitoramento e registro de dados, seja possível coletar uma infinidade de dados relacionados aos sistemas de geração e propulsão do barco que ajudarão na análise do seu desempenho, como, por exemplo, o possível desperdício de energia de algum componente ou a sobrecarga de algum dispositivo. - 5 -
Esses dados são de extrema importância para uma equipe de competição e desenvolvimento de tecnologias, já que, sem os mesmos, fica difícil analisar quais sistemas do barco podem ou devem ser melhorados. Os dados permitem uma verificação quantitativa e comparativa, possibilitando uma análise antes de determinada modificação e depois da mesma. 1.2 Objetivo O objetivo deste trabalho é propor um sistema de monitoramento e registro de dados para apoio da navegação do veículo capaz de armazenar dados provenientes de sensores distribuídos pelo barco e fazer um pré-processamento dos mesmos. Esse sistema será então testado em bancada e será realizada a validação de alguns de seus componentes Nesse projeto será desenvolvido o sistema de armazenamento, sua programação e componentes, seus testes e validações. É ainda objetivo desse trabalho o desenvolvimento de uma placa de interconexão de sensores que ligará os mesmos ao sistema de armazenamento. A parte da captação e armazenamento de dados foi desenvolvida utilizando-se a plataforma microcontroladora conhecida como Arduíno, sendo nesta desenvolvidos os programas necessários. 1.3 Metodologia Este trabalho foi desenvolvido conforme as etapas abaixo: 1. Preparação do projeto descritivo do sistema de captação e telemetria de dados. - 6 -
2. Estudo da plataforma Arduíno, com o objetivo de aprender a programação e compreender seu funcionamento. Realização de curso de treinamento e revisão bibliográfica. 3. Programação de um sistema de aquisição de dados de sensor em Arduíno, com testes práticos para validações. 4. Programação de um sistema de aquisição de informações de um GPS em Arduíno, com testes práticos para validação. 5. Desenvolvimento e Construção de uma placa de interconexão entre sensores e a placa Arduíno. 6. Teste da placa de interconexão e melhorias. 7. Aquisição dos dados dos sensores ligados a essa placa (sensor piranômetro e sensor de corrente). 8. Levantamento da curva de calibração do piranômetro e sensor de corrente. 1.4 Organização Este projeto está estruturado e organizado em um total de 5 capítulos além deste capítulo introdutório. No Capítulo 2, a concepção teórica do sistema de captação e armazenamento de dados, já considerando uma futura ampliação que realize telemetria, é apresentada. É ainda apresentada de maneira sucinta o conceito de Arduíno e seus Sensor Shields. Na seção de telemetria são apresentadas ideias de interfaces e seus componentes. O Capítulo 3 foca o desenvolvimento dos programas usados no sistema de armazenamento e registro de dados. Especificam-se os programas desenvolvidos e suas principais linhas de código assim como os testes realizados utilizando-se esses programas e seus resultados. - 7 -
No Capítulo 4 são descritos os sensores que foram utilizados nos testes apresentando suas características e a sua possibilidade de utilização no barco real. É discutida então a criação da placa de interconexão entre os sensores e o Arduíno, explicando sua montagem e vantagens. Apresenta-se ainda o processo de levantamento das curvas de calibração dos sensores presentes nessa placa mostrando seus resultados e suas validações. O Capítulo 5 apresenta de forma sucinta os resultados dos registros de dados, mostrando como os mesmos se encontram armazenados no cartão SD. Neste mesmo capítulo é discutida uma ampliação para o sistema. O trabalho é então concluído no Capítulo 6 onde serão apresentadas as considerações finais e ainda os temas para futuros trabalhos. - 8 -
Capítulo 2 Composição do Sistema 2.1 Introdução Com o intuito de resolver alguns dos problemas apresentados no capítulo um, é proposto então um sistema de monitoramento e registro de dados para apoio à navegação do veículo solar a ser instalado no barco solar do LAFAE, capaz de captar e armazenar os dados de uma série de sensores instalados no veículo. Este sistema irá permitir uma análise dos dados armazenados posteriormente a uma corrida. Este capítulo será iniciado com a descrição do barco solar do LAFAE com seus principais componentes e sistemas de geração e propulsão especificando as suas partes constituintes. Na continuação do capítulo serão descritos os principais componentes que irão compor o sistema de monitoramento e registro de dados a ser desenvolvido neste projeto, apresentando suas principais funções e onde estarão dispostos no barco. 2.2 O Barco Solar O barco solar é um veículo aquático cuja única fonte de propulsão é a energia fornecida pelo Sol que é captada a partir de painéis solares instalados na proa do barco. Esses painéis captam os fótons provenientes do Sol e os transformam em energia elétrica através do silício presente nos painéis, utilizando o efeito fotovoltaico 6. O barco em si é formado por um casco feito de fibra de vidro no formato de um catamarã possuindo um comprimento aproximado de 6,0 metros e uma largura aproximada de 1,80 metros. O LAFAE construiu dois barcos, respectivamente 6 Efeito fotovoltaico é a criação de tensão elétrica ou de uma corrente elétrica correspondente em um material exposto a luz. [10] - 9 -
denominados Mangue e Cajaíba, possuindo o mesmo formato e dimensões que são padronizados pelas regras da competição. Na Figura 3 pode-se observar o formato do casco. Figura 3-Formato do Casco do Barco Mangue [1] A Figura 4 é referente ao barco Cajaíba, porém como já foi dito possui o mesmo formato do barco Mangue [1]. Figura 4-Vista lateral do Catamarã Mangue[1] Atualmente o barco possui um sistema de propulsão formado por um motor do fabricante Turnigy, modelo C80100-180, que pode ser visto na Figura 7, que é um motor DC sem escovas (BLDC) e com rotor externo em torno do eixo e bobinas. - 10 -
Os motores BLDC são definidos como motores rotatórios auto sincronizáveis controlados por comutadores eletrônicos, onde o rotor é, normalmente, composto por imãs permanentes com sensores de posição do rotor e o circuito de comutação relacionado pode ser independente ou integrado ao motor (como pode ser observado na Figura 5) [15], sendo os motores BLDC desenvolvidos com base nos motores DC sem escovas [15]. Para se saber a posição angular do rotor, usa-se principalmente sensores de efeito Hall que determinam se é o polo norte ou o sul do imã que está passando por esse sensor. Com o sinal do sensor Hall, o inversor desliga ou liga as bobinas de modo apropriado para gerar o torque necessário. Como o controlador de velocidade tem que ligar as bobinas de modo a gerar o torque que é pedido, é necessário que um inversor envie uma corrente de sentido correto para o motor (a forma dessa corrente é normalmente trapezoidal ou quadrada). Com isso é necessário um inversor que seja capaz de enviar uma corrente de sentido positivo em um momento e de sentido negativo caso seja necessário. Nesse caso, quando se diz inversor, não é objetivo dizer que o mesmo produz uma corrente AC senoidal (motores BLDC acionados por correntes senoidais são chamados de Motores Síncronos de Imãs Permanentes ou PMSM em inglês [15]). Figura 5-Topologia e Circuito Equivalente de um Motor BLDC [15] - 11 -
Na Figura 6 pode-se observar um motor Turnigy durante sua operação (primeira imagem do conjunto) e em repouso (segunda imagem do conjunto), mostrando sua carcaça girante. Figura 6-Imagem do Motor em Funcionamento e em Repouso Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=f_xthzpwakc Figura 7-Motor C80100-180 Turnigy [1] - 12 -
A Tabela 1 apresenta algumas informações obtidas no site do fabricante. Tabela 1-Especificações do Motor Modelo C80100-180 Potência Máxima 7000W Resistência 17ohm Corrente em Repouso 3,5 A ESC 150 A Máxima Tensão de Entrada 48V Eixo 12mm Intervalo de Tensão 20-48v Corrente sem Carga 3,3 A Equivalência 60-80cc Motor a Gasolina Voltas Seis (6) Kv (constante) 180 rpm/v Peso 1812g Outro dispositivo que compõe o sistema de propulsão é o ESC (Eletronic Speed Controller) que pode ser visto na Figura 8. O mesmo é um circuito de potência que funciona como um acionador do motor BLDC. Ele funciona como um inversor sendo que seu microprocessador tem firmware 7 para controlar a comutação com ou sem sensores de posição além de outras funções. Atualmente é usado o Phoenix Castle ICE HV 120 dedicado a aeromodelos [1]. É especificado para baterias de LiPo (LithiumPolimer) [1] com tensão 12S, onde S representa células conectadas em série. Informações no site do fabricante garantem correntes máximas de 120A e tensões máximas de 50V. 7 Firmware é o conjunto de instruções operacionais programadas diretamente no hardware do equipamento eletrônico. É armazenado permanentemente em um circuito integrado de memória de hardware, como uma ROM, PROM, EEPROM no momento da fabricação do componente. Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/firmware - 13 -
Figura 8-ESC do Motor [1] Ainda na parte de propulsão, a mesma é formada por uma rabeta, cuja função é de transferir o torque mecânico do motor para o hélice, conforme pode ser visto na Figura 9. O torque é transferido do motor ao hélice através de engrenagens cônicas a 90. Figura 9-Conjunto Motor, Rabeta e Hélice [1] Na Figura 9 é possível observar o conjunto Motor (indicado pela seta 1), Transmissão (indicado pela seta 2) e Hélice (indicado pela seta 3). - 14 -
O catamarã possui ainda um sistema de armazenamento formado por um banco de baterias composto por três baterias em série, modelo Freedom DF300 12V e 26Ah (o tipo de bateria pode ser visto na Figura 10), totalizando 936Wh de energia [1] (Normalmente a capacidade de armazenamento de baterias é descrita em Ah, porém como as regras da competição estipulam uma capacidade nominal máxima de armazenamento de 1KWh, será deixado a informação no projeto em Wh). Figura 10-Bateria Modelo Freedom DF300 12V Fonte: http://www.solenerg.com.br/files/manualtecnicofreedom.pdf Outra parte que compõe o barco é o sistema de geração caracterizado por um conjunto de painéis solares. Na Etapa de Búzios, que foi uma das etapas do Desafio Solar Brasil realizada em 2013, o barco trabalhou com painéis da Kyocera modelo KD240GH- 2PB cujos dados podem ser vistos na Tabela 2. O conjunto possui quatro painéis arranjados em dois ramos em paralelo, cada qual com dois painéis em Série (2S2P), fornecendo uma potência máxima de 960W, com máximos de 59,6V e 16,1A [1]. Vale aqui ressaltar que os painéis solares são fornecidos pela organização do evento 8. 8 Mais informações sobre as regras da competição podem ser encontradas em http://desafiosolar.files.wordpress.com/2008/09/regras-do-desafio-solar-brasil-2013.pdf - 15 -
Tabela 2- Dados do Painel pelo Padrão STC - 1000W/m² Potência Máxima 240W Tensão no MPP 29,8V Corrente no MPP 8,06A Tensão de Circuito Aberto 36,9V Corrente de Curto Circuito 8,59A Eficiência 14% Comprimento 1,67m Largura 0,99m Peso 21Kg Outra parte que compõe o sistema de geração é o equipamento (conhecido como MPPT) que realiza o controle de carga das baterias e o rastreamento do ponto de máxima potência dos painéis. O MPPT analisa uma família de curvas I x V do painel e busca nessa curva o ponto de máxima potência, esse equipamento busca regular a tensão e corrente de operação dos painéis fotovoltaicos de modo a obter o máximo produto I x V [14]. O equipamento utilizado é o Xantrex XM-MPPT60-150, que além de realizar o MPPT, faz a conversão DC-DC, tipo Buck apenas (no caso do barco solar a tensão de saída dos painéis é maior que a tensão do banco de baterias, por isso é necessário apenas um conversor abaixador de tensão), para a tensão das baterias. [1] Por fim, o esquema elétrico do barco pode ser visto na Figura 11, sendo a Tabela 3 a legenda dessa Figura. - 16 -
Tabela 3-Legenda Figura 11 [1] Sigla Funcionalidade PV Painel Fotovoltaico MPPT Maximum Power Point Tracker D1 Disjuntor F1 Fusível Vs Banco de Baterias ESC Electronic Speed Controller S1 Chave On/Off S2 Chave de Iluminação S3 Chave da Bomba de Porão Bombordo S4 Chave de Bomba de Porão Boreste DMS1 Contatora DMS2 Chave Corta Corrente DMS3 Relé da Contatora DMS1 FA1,2,3,4 Fonte Auxiliar BPb,BPe Bombas de Porão Controle Placa de Controle LA Luz Auxiliar LBb Luz Bombordo LBe Luz Boreste M Motor Figura 11-Esquema Atual de Propulsão e controle [1] - 17 -
2.3 Componentes do sistema O sistema será composto basicamente de duas partes. Os sensores ligados às partes mais importantes do barco (motor, painéis solares e banco de baterias) e um dispositivo de concentração e armazenamento de dados. 2.3.1 Sensores Os sensores são a primeira parte do sistema a ser descrito. São eles que permitirão captar os dados para que depois possam ser processados. O objetivo é utilizar sensores de corrente e tensão ligados aos painéis solares, sensor de tensão ligado ao banco de baterias e sensores de corrente ligados ao motor. Para os painéis, como sua geração é em corrente contínua, devemos utilizar um sensor de corrente DC a ser ligado em série com o circuito das placas solares. A corrente ao passar por ele, faz com que o sensor produza um sinal de tensão correspondente ao nível de corrente por ele captado. Um típico sensor de corrente da AllegroMycrosystems pode ser observado na Figura 12, sendo que esse sensor está explicado mais a fundo no subcapítulo 4.2.1 deste trabalho. Esse sensor estará então conectado ao dispositivo concentrador de dados por meio de uma placa projetada para fazer a interconexão. O objetivo de se utilizar uma placa para a interconexão é de se garantir uma boa estabilidade mecânica para os terminais da fiação proveniente dos sensores, de modo a evitar ao máximo qualquer falha por mau contato. Figura 12- Sensor de Corrente Allegro - 18 -