Congresso Técnico Científico da Engenharia e da Agronomia
CONTECC’ 2015
Centro de Eventos do Ceará - Fortaleza - CE
15 a 18 de setembro de 2015
ESTIMATIVA DA RADIAÇÃO SOLAR POR MEIO DA PLATAFORMA ARDUINO
SIDNEY PEREIRA1*, GABRIELA RABELO GOMES2
1
Dr. em Engenharia Agrícola, Instituto de Ciências Agrárias da UFMG, Campus Monte Claros-MG.
Fone: (38) 2101-7762, [email protected]
2
Discente do curso de Engenharia Agrícola e Ambiental, Instituto de Ciências Agrárias da UFMG, Campus
Montes Claros-MG. Fone: (38) 2101-7779, [email protected]
Apresentado no
Congresso Técnico Científico da Engenharia e da Agronomia – CONTECC’ 2015
15 a 18 de setembro de 2015 - Fortaleza-CE, Brasil
RESUMO: Este trabalho foi conduzido no Instituto de Ciências Agrárias da Universidade Federal de
Minas Gerais, Campus Montes Claros - MG, localizado a latitude 16º 44’ 06” S, longitude 43º 51' 42"
W e altitude média de 648 metros. Objetivou desenvolver um sistema de aquisição e armazenamento
de dados da radiação solar por meio da plataforma Arduino. Como referência para radiação solar foi
utilizado o medidor de energia solar modelo MES-100. Para a captação da radiação solar foi
empregado dois painéis fotovoltaicos com dimensões de 6 cm x 6 cm podendo gerar picos de até 5,0
volts e potência de até 0,4 W, denominados PF1 e PF2. Em cada painel foi utilizado um resistor de
1 k com tolerância de 1 % para limitar a corrente produzida. A tensão produzida pelos painéis se dá
em função da radiação solar, atuando, então, como sensor indireto desta variável. Para monitorar a
tensão produzida pelos painéis ao longo do dia foi empregado a plataforma Arduino Uno, por meio de
suas entradas analógicas. Os valores de milivoltagem eram lidos e armazenados pelo Arduino.
Conclui-se que o sistema desenvolvido apresentou boa eficiência na medição da radiação solar a partir
de intensidades superiores a 500 W.m-2 e baixo custo de construção.
PALAVRAS CHAVE: Energia solar, placa fotovoltaica, radiômetro.
ESTIMATION OF SOLAR RADIATION USING THE ARDUINO PLATFORM
ABSTRACT:This study was conducted at the Instituto de Ciências Agrárias da Universidade Federal
de Minas Gerais, Campus Montes Claros - MG, located at 16º 44 '06 "S, 43º 51' 42" W and altitude
648m. Aimed to develop an acquisition system and data storage of solar radiation by Arduino
platform. As a reference for solar radiation the radiometer model MES-100 was used. For the
collection of solar radiation was employed two photovoltaic panels with dimensions 6 cm x 6 cm
which can generate peaks of up to 5.0 volts and power of up to 0.4W, named PF1 and PF2. In each
panel was used a resistor of 1 k with 1% tolerance for limiting the current produced. The voltage
produced by the panels is a function of solar radiation, acting then as an indirect sensor of this
variable. To monitor the voltage produced by the panels during the day was used to Arduino Uno
platform via its analog inputs. The mV values were read and stored by the Arduino. It is concluded
that the system was very efficient in the measurement of solar radiation to intensity higher than
500 W.m-2 and low construction cost.
KEYWORDS: Solar energy, photovoltaic panel, radiometer.
INTRODUÇÃO
A radiação solar atinge a superfície terrestre de forma direta, proveniente diretamente do sol
sem passar por outros obstáculos além da própria atmosfera, e difusa que depende fundamentalmente
da latitude, altitude, declinação solar e da quantidade de nuvens. O acúmulo destes dois componentes
denomina-se radiação global (EMBRAPA, 2005). A radiação fotossinteticamente ativa é uma parte da
radiação solar global de importante interesse para diferentes áreas relacionadas às Ciências Agrárias,
uma vez que está diretamente associada à produção de biomassa, à morfologia vegetal e ao
crescimento de plantas; também relevante em estudos ecológicos e no cálculo da área foliar do dossel
vegetativo de culturas (Oliveira, 2010). O desenvolvimento e crescimento vegetal resultam da
intensidade, qualidade e duração da radiação solar (Burck et al., 2006).
Além da fotossíntese a radiação solar é responsável pela determinação da evapotranspiração,
perda de água do solo por evaporação e a perda de água da planta por transpiração desta forma essa
água retorna à atmosfera, que faz parte do ciclo da água e de suma importância para o balanço hídrico
(Silva et al., 2005).
Existe então a indispensável necessidade de se conhecer a estimativa da radiação solar,
através de monitoramentos adquirindo respostas quantitativas e qualitativas precisas gerando o
controle e aproveitamento eficiente desse recurso. Entretanto, esta variável ainda é dificilmente
mensurada nas estações meteorológicas.
Deste modo, este trabalho objetivou desenvolver um dispositivo radiômetro de baixo custo
empregando placas fotovoltaicas e a plataforma Arduino.
MATERIAL E MÉTODOS
O sistema foi elaborado e testado no Instituto de Ciências Agrárias da Universidade Federal de
Minas Gerais, Campus Montes Claros – MG, situado a 16° 41’ S e 43° 50’ W e altitude média de
646 metros. Segundo a classificação de Köeppen, o clima é semiárido, com duas estações distintas,
inverno seco e verão chuvoso.
Para a captação da radiação solar foi empregado dois painéis fotovoltaicos com dimensões de
6 cm x 6 cm podendo gerar picos de até 5,0 volts e potência de até 0,4 W, denominados PF1 e PF2.
Em cada painel foi utilizado um resistor de 1 k com tolerância de 1 % para limitar a corrente
produzida. A tensão produzida pelos painéis se dá em função da radiação solar, atuando, então, como
sensor indireto desta variável. Para monitorar a tensão produzida pelos painéis ao longo do dia foi
empregado a plataforma Arduino Uno, por meio de suas entradas analógicas. Os valores de
milivoltagem eram lidos e armazenados pelo Arduino.
O ensaio consistiu em expor os painéis fotovoltaicos à radiação solar, ler com o Arduino a
milivoltagem produzida e concomitantemente ler a radiação solar (W.m-2) por meio de um radiômetro
modelo MES-100. Este modelo possui escala de até 2000 W.m-2, resolução de 0,1 W.m-2 e precisão de
± 10 W.m-2. A coleta de dados ocorreu em intervalos entre o nascente e o poente.
Para análise dos dados foi feita a correlação (r) dos produtos de momentos de Pearson
(Zimmermann, 2004), entre os valores lidos pelo radiômetro com a milivoltagem produzida por cada
um dos painéis fotovoltaicos e determinado o modelo que melhor ajusta aos dados observados bem
como seu coeficiente de representatividade R2.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Na Tabela 1 encontram-se os valores lidos pelo Arduino para as milivoltagens produzidas
pelos painéis fotovoltaicos (PF1 e PF2) e os valores de radiação solar obtidos com o radiômetro.
Tabela 1. Dados obtidos com o Arduino e o radiômetro
PF1
PF2
Radiação solar
PF1
(mV)
(mV)
(w.m-2)
(mV)
175
150
5
3287
2414
2689
150
3321
2552
2976
175
3334
2657
3207
200
3374
2741
3376
225
3413
2814
3516
250
3429
2880
3617
275
3477
2931
3688
300
3483
3004
3787
340
3552
3061
3854
380
3692
3090
3885
406
---
PF2
(mV)
4128
4136
4155
4186
4196
4235
4259
4270
4347
4543
---
Radiação solar
(w.m-2)
586
650
664
750
933
893
1066
1178
1340
2000
---
Ao analisar os dados observou-se que os modelos ajustados com todos os pontos obtidos em
ambas placas fotovoltaicas apresentavam baixo coeficiente de representatividade. Isto se dá devido à
característica de produção de energia pelas placas, o que implica que com acréscimo de radiação solar,
ocorre o aumento da temperatura das placas e diminuição da tensão, enquanto corrente sofre uma
pequena elevação (Cabral et al., 2004). Desta forma, para aumentar a representatividade e
confiabilidade do sistema desenvolvido, optou-se por utilizar modelos com ajuste dos dados a partir de
500 W.m-2, ignorando os valores inferiores a este nível de radiação.
Na Tabela 2 estão às correlações (r) e os modelos de ajuste bem como seus coeficientes de
representatividade entre os painéis fotovoltaicos e o radiômetro para valores acima de 500 W.m-2. A
Figura 1 apresenta a curva obtida com o modelo de ajuste utilizado.
Tabela 2. Coeficientes de correlação r entre o radiômetro e as placas fotovoltaicas, o modelo de ajuste
e seu coeficiente de representatividade R2.
Painel Fotovoltaico
r
Modelo de ajuste
R2
2
PF1
0,986
R = 0,0037x - 22,547x + 34343
0,993
PF2
0,991
R = -0,0007x2 + 9,0161x - 25539
0,978
Figura 1. Radiação solar e milivoltagem geradas nos painéis PF1 e PF2
Quando se utiliza os dados observados a partir de 500 W.m-2, o coeficiente de correlação dos
produtos de momentos de Pearson apresentam-se positivos e próximo da unidade (1). Tal fato indica
que estas placas fotovoltaicas podem ser utilizadas, a partir deste intervalo, para sensor indireto na
estimativa da radicação solar. O melhor modelo encontrado para ajustar os dados foi o polinomial
quadrático, com os valores elevados de R².
O custo do sistema desenvolvido foi cerca de 10 % do custo do radiômetro utilizado para
adquirir os valores de referência para radiação solar. Em seu trabalho sobre o estudo, desenvolvimento
e caracterização de radiômetros para medidas da radiação solar, Vilela (2010) conclui que entre as
vantagens do radiômetro fotovoltaico pode ser citado o baixo custo deste dispositivo quando assim
concebido.
CONCLUSÕES
A radiação solar pode ser estimada a partir das placas fotovoltaicas com características das
empregadas neste trabalho satisfatoriamente, a partir de intensidades superiores a 500 W.m -2. A
plataforma Arduino possibilitou a aquisição e armazenamento dos dados gerados para milivoltagem de
forma prática e eficiente. O custo do dispositivo desenvolvido foi bem inferior ao do radiômetro
utilizado como referência nesta pesquisa. Mais estudos devem ser conduzidos para aperfeiçoar o
dispositivo desenvolvido.
REFERÊNCIAS
Burck, M. Z. B. G. R.; Paula, D. V. A. de; Marins, M. E. G. M. R.; Peil, N. Radiação solar em
ambiente protegido cultivado com tomateiro nas estações verão-outono do Rio Grande do
Sul. Ciência Rural, Santa Maria, v.36, n.1, p.86-92, jan-fev, 2006.
Cabral, V. C.; Neto, M. B. L. de V.; Oliveira Filho, D.; Diniz A. S. A. Modelagem e simulação de
gerador fotovoltaico. In: Encontro de Energia no Meio Rural, 5, 2004, Campinas. Anais... SP,
Brasil.
EMBRAPA. Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária. 2005. Disponível em:
http://sistemasdeproducao.cnptia.embrapa.br/FontesHTML/Feijao/FeijaoIrrigadoNoroesteMG/clim
a.htm. Acesso em 30 de julho de 2015.
Oliveira, F. C. de. Estimativa da radiação fotossinteticamente ativa para as bacias dos Rios Doce, São
Mateus e Jequitinhonha. Viçosa: UFV, 2010. Dissertação (Pós- Graduação em Meteorologia
Agrícola).
Silva, B. B. da; Lopes, M. G.; Azevedo, V. P. de. Balanço de radiação em áreas irrigadas utilizando
imagens Landsat 5-TM. Revista Brasileira de Meteorologia, v.20, n.2, p.243-252, 2005.
Vilela, A. W. Estudo, desenvolvimento e caracterização de radiômetros para medidas de radiação
solar. São José dos Campos: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, 2010. 178 f. Tese (Curso de
Pós-Graduação em Engenharia e Tecnologia Espaciais/ Ciências e Tecnologia Materiais e
Sensores).
Zimmermann, P. J. F. Estatística aplicada à pesquisa agrícola. 21. ed., Santo Antônio de Goiás:
Embrapa Arroz e Feijão, 2004. 402 p.