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.
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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
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