UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA
CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA / AUTOMAÇÃO
CLEVERSON AUGUSTO DA SILVA SANTOS
HEROS AUGUSTO A. SILVA
JARDEL LEONARDI DE CARVALHO
RASTREAMENTO SOLAR MICROCONTROLADO COM 2 GRAUS DE LIBERDADE
BASEADO EM MODELO DE CONTROLE PREDITIVO
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
CURITIBA
2014
CLEVERSON AUGUSTO DA SILVA SANTOS
HEROS AUGUSTO A. SILVA
JARDEL LEONARDI DE CARVALHO
RASTREAMENTO SOLAR MICROCONTROLADO COM 2 GRAUS DE LIBERDADE
BASEADO EM MODELO DE CONTROLE PREDITIVO
Proposta de Trabalho de Conclusão de
Curso de Graduação, apresentado à
disciplina de Metodologia Aplicada ao
TCC, do curso de Engenharia Industrial
Elétrica com ênfase em Automação, do
Departamento
Acadêmico
de
Eletrotécnica (DAELT) da Universidade
Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR),
como requisito parcial para a obtenção do
título de Engenheiro Eletricista com
ênfase em Automação.
Orientador: Amauri Amorim Assef
CURITIBA
2014
LISTA DE TABELAS
Tabela 01 – Cronograma para realização de TCC ................................................... 10
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 5
1.1 TEMA ................................................................................................................. 5
1.1.1 Delimitação do Tema ................................................................................... 6
1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS ........................................................................... 7
1.3 OBJETIVOS ....................................................................................................... 7
1.3.1 Objetivo Geral .............................................................................................. 7
1.3.2 Objetivos Específicos .................................................................................. 7
1.4 JUSTIFICATIVA ................................................................................................. 7
1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS .......................................................... 8
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO .......................................................................... 9
1.7. CRONOGRAMA ............................................................................................. 10
REFERÊNCIA ........................................................................................................... 10
5 1. INTRODUÇÃO
1.1 TEMA
O impacto crescente da emissão de CO2 proveniente dos combustíveis
fósseis e da biomassa nas mudanças climáticas, tem levado as economias
desenvolvidas à apoiarem estudos para busca de alternativas energéticas que
venham a substituir as energias convencionais (COLLE & PEREIRA, 1997).
As fontes de energia existentes utilizam recursos naturais que se esgotarão
em um futuro próximo e sua utilização trazem problemas ambientais irreversíveis ao
planeta. A questão das energias renováveis cada vez mais tem sido explorada,
energias provenientes dos ventos, dos rios e sol, estão sendo vistas como o futuro
para nossa sobrevivência como civilização desenvolvida. Uma das formas que tem
despertado interesse mundial é a energia solar, por ser renovável e abundante em
toda a superfície de representatividade econômica do planeta (COLLE & PEREIRA,
1997).
A energia solar, além de ter sido foco de pesquisas por ser uma energia limpa
e inesgotável, é a fonte com maior potencial instalado no planeta, pois é a fonte
energética primordial que alimenta o planeta, dando origem as demais fontes
renováveis de forma indireta. Através do desenvolvimento da tecnologia, o homem
utiliza a energia solar de inúmeras formas, captando-a e armazenando-a. Nos
tempos modernos avanços da tecnologia nos permitiram a criação de painéis
solares para a captação mais eficiente dessa energia. Entretanto, por serem
instalados de forma fixa, não aproveitavam todo seu potencial, mesmo quando
instalados em lugares com alta incidência de radiação solar.
A tecnologia de placas fotovoltaicas atuais é relativamente cara, não existindo
ainda tecnologias eficientes com alto rendimento, que maximizem sua capacidade.
O sol fornece
kWh para a atmosfera terrestre, o que corresponde ao
consumo energético mundial de um ano (LUGUE e HEGEDUS, 2011). Com a
utilização de placas fixas, a captação na maior parte do dia não é máxima, devido ao
angulo de incidência dos raios na placa. Para maximizar a incidência de luz,
6 tecnologias modernas utilizam sistemas de direcionamento que procuram manter as
placas na angulação correta para uma maior incidência solar.
Até o momento foram desenvolvidos e são utilizados 3 métodos básicos para
o rastreamento solar. O primeiro método é o rastreamento uniforme, esse método é
baseado na velocidade constante da rotação da terra. O segundo método é
chamado de método da comparação da radiação, o funcionamento tem como
princípio a mudança da intensidade da radiação sobre foto resistores e modifica os
sinais elétricos. Por fim, tem-se a sincronização espaço-tempo, esse método é
baseado em diversos fatores para o rastreamento, como o tempo, as estações do
ano e as posições de longitude e latitude. O último método apresentado é sem
dúvida o mais teórico entre os considerados, o qual será utilizado neste trabalho.
O desenvolvimento de controladores com melhor resposta é de grande
importância para possibilitar sistemas com melhores desempenhos. Dentre as
técnicas de controle avançadas, destacam-se os sistemas de controle preditivo
baseados em modelo, o qual é uma estratégia com foco na otimização do sinal de
uma função objetivo definida a partir de uma previsão sobre o comportamento do
sistema.
1.1.1 Delimitação do Tema
Existem registros de rastreadores solares datados desde a década de 50,
mas o primeiro seguidor solar de grande escala foi construído em 1983 na Califórnia.
Os rastreadores solares existentes, em sua maioria, utilizam-se de métodos
de controle diferenciados, desprezando diversos fatores que influenciam na radiação
sobre as placas solares. O presente trabalho visa a otimização do sistema de
painéis solares, através de uma técnica de controle que procura o ponto de máxima
potência do sistema e utiliza de um método matemático englobando fatores como o
ângulo entre os raios solares e o plano horizontal, a projeção da luz solar no plano
horizontal e no meridiano local.
7 1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS
A questão da energia renovável proveniente do sol é sem dúvida uma das
problemáticas mais debatidas, tanto na ciência como na política.
O trabalho tem como cunho verificar a implementação de um sistema para
otimizá-lo, neste aspecto questões como, se é viável a implementação de controle
preditivo e se sim qual seria o ganho de rendimento aproximado comprovado
através de simulações e modelagem matemática.
1.3 OBJETIVOS
O objetivo é desenvolver um modelamento matemático de um sistema
microcontrolado capaz de rastrear a posição solar utilizando-se de modelos
preditivos.
1.3.1 Objetivo Geral
Demonstrar a viabilidade de um dispositivo de rastreamento solar baseado
em modelo de controle preditivo e destacar o ganho de eficiência comparado a um
painel solar fixo.
1.3.2 Objetivos Específicos
•
Otimizar a capacidade de absorção da radiação solar nos painéis
fotovoltaicos
•
Verificar a viabilidade de implementação do sistema
•
Comparar com o sistema fixo
1.4 JUSTIFICATIVA
Dado a importância das fontes de energia baseadas em energia proveniente
do sol, o trabalho busca estabelecer fundamentos para uma melhor eficiência na
utilização de painéis solares através do rastreamento solar, de forma mais especifica
8 através de modelo de controle preditivo, tecnologia com grande peso em pesquisas
atuais nas mais diferentes áreas do conhecimento. No futuro, a tecnologia nessa
área do conhecimento irá se intensificar e será de grande importância para garantir
uma energia limpa e sustentável para nossa civilização.
1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
1. Analise matemática do controle preditivo;
A.
Estudo do controle preditivo, histórico de matemáticos que iniciaram a
pesquisa e criação do modelo em questão;
B.
Estudo do histórico de desenvolvimento da matemática por trás do modelo,
de modo a entender o fluxo de idéias que transformaram o modelo de seu início até
a atualidade;
C.
Estudo das ferramentas matemáticas aplicadas atualmente sobre o modelo
preditivo;
D.
Buscar entender quais as principais e mais importantes ferramentas
matemáticas para a aplicação em questão e como essas são aplicadas em cada
situação.
2. Previsão do ponto ótimo da radiação solar a partir do controle
preditivo;
A.
Entender como o modelo pode ajudar na previsão do ponto ótimo da radiação
solar;
B.
Encontrar a melhor forma de utilizar o modelo na situação do painel solar para
que a eficiência energética seja maximizada;
C.
Aumentar a eficiência da previsão, de forma a melhorar o modelo preditivo na
situação empregada e analisar a necessidade da utilização de novas ferramentas
3. Analise da aplicação do projeto
A.
Buscar painel solar para uso em pesquisa, em escala reduzida ou real.
B.
Acoplamento mecânico dos dois motores ao painel solar, permitindo seu
movimento com 2 graus de liberdade.
C.
Analise técnica do microcontrolador a ser utilizado.
9 4. Avaliação da geração de energia com a implementação do modelo
preditivo. Verificação do aumento de produtividade.
A.
Usar medidores elétricos, multímetros, de modo obtermos dados da potência
elétrica que o painel está mantendo durante diferentes horários do dia;
Utilizar os dados obtidos para criar tabelas e gráficos que apresentem a geração de
energia antes e depois da aplicação do modelo preditivo;
B.
Comparar os dados obtidos a partir das aplicações de forma a entender o
ganho ou a não mudança da eficiência do sistema;
C.
Procurar entender como o modelo influenciou no aumento de eficiência e
produtividade, e da mesma forma se não contribuiu, entender como podemos
melhora-lo/conserta-lo;
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO
O trabalho será organizado da seguinte maneira:
Capítulo 1 – Tema, delimitação de tema, problemas e premissas, objetivos
gerais, objetivos específicos, justificativa e procedimentos metodológicos.
Capítulo 2 - Embasamento teórico sobre controle preditivo baseado em
modelo.
Capítulo 3 - Desenvolver a montagem do projeto, tanto das partes mecânicas
(acoplamentos de motores, placa solar e sensores), como elétricas e de software
(linguagem C).
Capítulo 4 - Apresentar os resultados das simulações do programa
desenvolvido com o objetivo de verificar as premissas sobre a otimização do
sistema.
Capítulo 5 - Conclusão
10 1.7. CRONOGRAMA
Tabela 01 – Cronograma para realização de TCC
2014
Atividades
Fundamentação
teórica
Desenvolvimento
da Proposta
Entrega da
Proposta
Desenvolvimento
do TCC 1
Embasamento
Matemático
Desenvolvimento
do Algoritmo
Mar
Abr
x
x
x
Simulações
Desenvolvimento
do TCC 2
Mai
Jun
Jul
Ago
Set
Out
Nov
Dez
Jan
2015
Fev Mar
x x x x x x
x x
x
x x x x x
x x x
x x x
x x
x x x
X
Conclusão
Fonte: Própria
REFERÊNCIAS
LUQUE, A.; HEGEDUS, S. Handbook of photovoltaic science and engineering.
Instituto de Energia Solar, Universidade Politécnica de Madri. Madri: Wiley, 2. ed.,
2011.
BORRELLI, F.; BEMPORAD, A.; MORARI, M. Predictive Control for linear and
hybrid systems. Disponível em <http://www.mpc.berkeley.edu/mpc-course-material>
Acesso em: 15 jul. 2014.
COLLE S.A. E PEREIRA E.B., Atlas de Irradiação Solar do Brasil (Primeira Versão
para Irradiação Global Derivada de Satélite e Validada na Superfície), Instituto
Nacional de Meteorologia INMET, Brasília, (1998).