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. E-mail: felipesdomingues@yahoo.com.br 2 FATEC, Botucatu, São Paulo, Brasil. E-mail: 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.
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
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
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,
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.
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
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., 1995. On shadowband correction methods for diffuse irradiance measurements. Solar Energy, v.54, n.2, p.105-114. CABRERA, F. J., BAILLE, A., LÓPEZ, J. C., GONZALEZ-REAL, M. M., PÉREZ-PARRA, J. 2009. Effects of cover diffusive propoerties on the components of greenhouse solar radiation. Biosystems engineering, v. 103, p 344-356. CODATO, G, OLIVEIRA, A P, SOARES, J, ESCOBEDO, J F, GOMES, E N, DAL PAI, A., 2008. Global and diffuse solar irradiances in urban and rural areas in southeast Brazil. Theor Appl Climatol, v 93, p 57-73. DEHNE, K., 1984. 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. 263-267. DRUMMOND, A. J., 1956. On the measurements of sky radiation. Archiv. fur Meteorologie. Geophysik Bioklimatologie, v.7, p.413-436. GRANT, R. H. 1997. Shadow-band corrections for photosynthetically-active radiation under clear and overcast conditions. Agricultural and Forest Meteorology, v. 87, n. 2-3, p 213-222. INEICHEN, P, GREMAUD, J M, GUISAN, O, MERMOUD, A., 1984. Study of the corrective factor involved when measuring the difuse solar radiation by use of the ring method. Solar Energy, v.32, p 585-590. KUDISH, A I, EVSEEV, E G., 2008. 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.144-156. LEBARON, B. A., MICHALSKY, J. J., PEREZ, R., 1990. A simple procedure for correcting shadowband data for all sky conditions. Solar Energy, v.44, n.5, p.249-256. LEBARON, B. A., PETERSON, W. A., DIRMHIRN, I. 1980. Corrections for diffuse irradiance measured with shadowrings. Solar Energy, v.25, n. 1, p 1-13.
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