Plataforma Fotovoltaica Didática para uso nos cursos Técnicos e
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Plataforma Fotovoltaica Didática para uso nos cursos Técnicos e
Plataforma Fotovoltaica Didática para uso nos cursos Técnicos e Graduação do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (1). Eugênio Camisón Avello(2); Felipe da Silva(3) . Resumo Expandido Trabalho executado com recursos do Edital Universal de Pesquisa Nº 12/2013/PROPPI, da Pró-Reitoria de Pesquisa, Pós-graduação e Inovação; (2) Professor do Instituto Federal de Santa Catarina, campus Florianópolis, SC; [email protected]; (3) Estudante do Curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial; Instituto Federal de Santa Catarina; campus Florianópolis, SC; [email protected] . (1) RESUMO: Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma plataforma de ensino para geração de energia fotovoltaica, de baixo custo, composta de três módulos, para serem utilizadas no ensino-aprendizagem dos mecanismos de geração e otimização da produção de energia fotovoltaica. A plataforma é constituída por três módulos de produção de energia com características de funcionamento distintas, sendo o primeiro módulo constituído de uma placa fotovoltaica fixa, o segundo com sistema de rastreamento solar em um eixo e o terceiro, com sistema de rastreamento solar em um eixo e placas refletoras laterais. Todos os módulos possuem sistema de aquisição, armazenamento e transmissão dos dados adquiridos. Pretende-se que tal modelo de plataforma sirva como guia para projetos semelhantes a serem utilizados por outras instituições de ensino. Este projeto foi desenvolvido para o Departamento Acadêmico de Eletrotécnica do Instituto Federal de Santa Catarina. Com o desenvolvimento da plataforma didática, espera-se responder a indagações quanto as práticas a serem adotadas no ensino da geração de eletricidade fotovoltaica. Palavra Chave: Produção de energia, kit didático INTRODUÇÃO A sustentabilidade e estudos relacionados a fontes renováveis de energia são temas de crescente interesse governamental nesse início de Século XXI. Politicas públicas e de incentivo à pesquisa e desenvolvimento de fontes de energia renovável vêm sendo feitas com maior vigor pelo governo desde 1994 com o Programa de Desenvolvimento Energético de Estados e Municípios (PRODEEM), criado em 1994 e em 2002, o Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (PROINFA). O PRODEEM em 2004 foi incorporado ao programa Luz para Todos, com a finalidade de levar energia elétrica a locais onde não era possível ter redes de transmissão elétrica, e de acordo com Relatório da Administração da Eletrobras de 2009, ao todo foram instalados 2.046 sistemas fotovoltaicos desde 2004. Com a redução dos preços para a implantação de sistemas fotovoltaicos no Brasil, principalmente dos painéis fotovoltaicos (GALDINO, 2012) fez com que a Agencia Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) assumisse um papel mais ativo na elaboração e regulamentação para a implantação de sistemas fotovoltaicos. 4º Seminário de Pesquisa, Extensão e Inovação do IFSC Em agosto de 2011, a ANEEL tornou pública a chamada Nº. 013/2011 “Arranjos técnicos e comerciais para inserção da geração solar fotovoltaica na matriz energética brasileira”. Trata-se de uma chamada para projetos de pesquisa e desenvolvimento, P&D, nessa área, que foi incluída pela agência na lista de temas estratégicos. Esta chamada pública demonstra a importância que a agência vem dando as fontes alternativas de energias, em particular a energia fotovoltaica, sendo que cabe aqui salientar três objetivos desta chamada pública que são: • Facilitar a inserção da geração solar fotovoltaica na matriz energética brasileira; • Fomentar o treinamento e a capacitação de técnicos especializados neste tema em universidades, escolas técnicas e empresas; • Estimular a redução de custos da geração solar fotovoltaica com vistas a promover a sua competição com as demais fontes de energia; Em face dessa realidade, aliadas às políticas que vem sendo implantadas no país, uma demanda crescente por mão de obra especializada vêm sendo detectada, trabalhador este capaz não só de tratar a ISSN 2357-836X energia fotovoltaica como algo experimental, mas sim como uma alternativa factível em locais onde não exista energia elétrica convencional, um trabalhador mais técnico, com o conhecimento de todo ciclo envolvido na produção desta energia. Este trabalho tem como objetivo principal construir uma plataforma didática para o ensino da geração de energia elétrica fotovoltaica de baixo custo, para ser utilizada como ferramenta de capacitação dos alunos do IFSC bem como ser utilizada em cursos na modalidade Formação Inicial e Continuada (FIC). didáticos oferecidos era da ordem de R$ 60.000,00. Dos estudos e observações feitas em protótipos utilizados para ensino da produção de energia solar fotovoltaica, um modelo de kit didático foi proposto, modelo este que atende as necessidades do aluno na compreensão dos fenômenos envolvidos na geração desta forma de energia, bem como a possibilidade de visualizar uma estrutura mínima de produção e fazer a escolha da melhor estrutura para a ser implantada em um futuro projeto. A figura 1 mostra as partes que compõe o modelo implementado. METODOLOGIA A pesquisa aqui proposta é do tipo prática ou aplicada, tendo como objetivo a descrição de um processo de construção de um produto didático e sua fabricação. Com relação ao delineamento da pesquisa esta pode ser caracterizada como estudo de caso, tendo em vista o processo de construção deste equipamento. Quanto ao desenvolvimento do referido projeto de pesquisa, que visa o desenvolvimento de módulos didáticos utilizando drivers projetados no IFSC e componentes comerciais, este seguiu as etapas indicadas por Rozenfeld (2006) que são: projeto informacional, projeto conceitual e projeto preliminar e detalhado. No projeto informacional foi realizado o planejamento do produto, definindo o escopo, especificações básicas, restrições, recursos e atividades necessárias para o projeto do produto. Na etapa do projeto conceitual foram utilizados os dados das especificações meta, com o objetivo de buscar, criar, representar e selecionar as soluções para as especificações do projeto. No projeto preliminar e detalhado foram determinadas a viabilidade técnica e econômica do projeto, especificações e detalhamento de componentes. Nesta parte da pesquisa foram analisados os dimensionamentos dos componentes e outros detalhamentos do produto. Assim, obtiveram-se as condições necessárias para a construção do produto. Durante a construção do protótipo, também foram realizadas as etapas de testes e validação da pesquisa. ESTRUTURA PROPOSTA Visando conhecer outras propostas didáticas apresentadas com objetivos iguais ou semelhantes, uma busca foi feita entre os fornecedores destes equipamentos. Valores comerciais e possibilidades dos experimentos práticos foram, entre outros itens, avaliados. Observou-se que o valor médios dos Kits 4º Seminário de Pesquisa, Extensão e Inovação do IFSC Figura 1 – Esquema do modelo de plataforma implementado Projeto Mecânico das Estruturas As estruturas mecânicas que dão sustentação aos painéis fotovoltaicos foram projetadas para resistir ventos de até 100Km/h quando estiverem fixadas em uma base sólida. Como a proposta é de ser uma plataforma móvel que possa se deslocar elas foram fixadas sobre mesas com rodas. A figura 2, 3 e 4 apresentam o projeto da estrutura mecânica sendo que todas as três estruturas possuem ajuste da inclinação da superfície de captação, a estrutura da figura 2 possui rastreamento solar e a figura 3 é igual a dois mais os espelhos concentradores da radiação solar. Os desenhos foram feitos no software gráfico SolidWorks. As placas fotovoltaicas das figuras 3 e 4, estão acopladas através de um eixo a um sistema motorredutor, responsável pela movimentação das placas. O motor é do tipo CC com redutor acoplado, tendo velocidade final no eixo de 5rpm. Um redutor do tipo planetário é acoplado a saída do motor e ao eixo ISSN 2357-836X fixado na placa fotovoltaica. O redutor planetário possui uma relação 1x45. O circuito eletrônico responsável por fazer o rastreamento solar ao longo do dia, constitui-se basicamente de uma ponte H sendo chaveada por dois amplificadores operacionais associados a dois LDRs, como mostra o esquema da figura 5. O circuito possui duas chaves finde curso, responsáveis por fazer o retorno do painel solar no fim do dia, caso seja necessário, e de posicioná-lo corretamente para o início do próximo dia. Figura 2 – Projeto da estrutura sem acompanhamento solar. Figura 5 – esquema elétrico do rastreador solar. Painel e Sistema de Aquisição de Dados Figura 3 - Projeto da estrutura com acompanhamento solar. O painel utilizado é Komaes KM(P)20. O sistema de aquisição e armazenamento de dados é feito dor um Arduino Mega 2560 e um Ethernet Shield W5100 acoplados, possibilitando gravar os dados adquiridos em um cartão SD e a transmissão dos mesmos via rede. Para a medição de temperatura são utilizados três sensores LM35. Controle e Armazenamento de Energia Cada painel possui o seu próprio controlador de carga e bateria. As especificações da bateria e do controlador de carga são: Controlador de carga: 5A-12/24V – PWM Bateria: Bateria Estacionária VRLA (AGM) GetPower 12V – 7Ah – GP12-7 RESULTADOS E DISCUSSÃO Figura 4 - Projeto da estrutura com acompanhamento solar e espelhos concentradores. Circuito Eletrônico do Seguidor Solar 4º Seminário de Pesquisa, Extensão e Inovação do IFSC Até a presente data, as estruturas mecânicas já foram montadas e testadas, figura 5. As outras partes como baterias, controladores de carga, Arduino e shields, bem como todos os outros materiais que envolvem o projeto já foram adquiridos. Todos os circuitos eletrônicos envolvidos encontram-se operacionais faltando apenas alguns ajustes e montagem final. ISSN 2357-836X Com os dados preliminares levantados, pode-se afirmar que o projeto é de baixo custo em relação aos encontrados para venda, tendo seu valor ficado em R$ 4.500,00. Ao final do projeto, espera-se que os alunos do Departamento acadêmico de Eletrotécnica bem como seus professores, possam dispor de uma ferramenta que auxilie na compreensão dos conteúdos propostos para este o ensino da geração de energia fotovoltaica. ROZENFELD, Henrique et al. Gestão de desenvolvimento de produtos: uma referência para a melhoria do processo. São Paulo: Saraiva, 2006. Figura 5 – Parte mecânica montada. CONCLUSÕES PARCIAIS O presente trabalho apresenta os resultados parciais do projeto submetido ao Edital Universal 12/2013/PROPPI. O projeto está em fase final de realização, onde conclui-se que é possível projetar e desenvolver uma plataforma didática para o ensino de energia fotovoltaica de baixo custo. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Departamento Acadêmico de Metal Mecânica por disponibilizado seus laboratórios e ao servidor técnico de laboratório Fagnei Cunha pela ajuda prestada na manufatura das estruturas mecânicas. REFERÊNCIAS GALDINO, M. A. Análise de Custos Históricos de Sistemas Fotovoltaicos no Brasil. IV Congresso Brasileiro de Energia Solar e V Conferência LatinoAmericana da ISES. São Paulo: [s.n.]. 2012. 4º Seminário de Pesquisa, Extensão e Inovação do IFSC ISSN 2357-836X