Funcionamento

O painel solar funcionou da forma espera, mas não foi possível postar o vídeo devido ao tamanho.

Funcionamento ocorreu no dia 29 de maio de 2011, às 00:35hrs.

Materiais

Teoricamente para construção de uma painel solar seria necessário: Painel fotovoltaico, inversor, controlador de cargas, motor de passo e  bateria. No nosso painel solar será utilizado, painel fotovoltaico, motor com um passo extremamente pequeno e um torque alto, esse motor é conhecido como servo motor. O inversor e o controlador de carga serão substituídos por componentes eletrônicos que exercem o mesmo papel.

Materiais Utilizados:

Este é o painel solar fotovoltaico policristalino que utilizamos.

ESPECIFICAÇÕES DO PAINEL

Dados elétricos

·         Potência máxima (Pmax): 5W

·         Tolerância da potência: ±5%

·         Voltagem da potência máxima (Vm): 17,56V

·         Corrente da potência máxima (Im): 0,286A

·         Voltagem do circuito aberto (Voc): 21,52V

·         Corrente do curto-circuito (Isc): 0,31A

·         Voltagem máxima do sistema: 750Vcc

·         Eficiência da célula (%): 12,63

·         Eficiência do módulo (%): 8,49

·         Células por módulo (Pcs): 36

·         Tipo de células: Silício Policristalino

·         Tamanho da célula (mm): 78x12

·         Coeficiente de temperatura do Isc (%/ºC): +0,05

·         Coeficiente de temperatura do Voc (%/ºC): -0,34

·         Coeficiente de temperatura da potência (%/ºC): -0,5

·         NOCT (temperatura nominal de operação da célula): 47ºC ± 2ºC

·         Temperatura da operação (ºC): -40 ~ +85

Dados mecânicos

·         Dimensões (mm): 310 x 190 x 28

·         Peso (Kg): 01

·         Tipo da caixa de junção Caixa de junção: PV

·         Vidro temperado: 3,2 mm, alta transmissão, ferragem leve

SERVO MOTOR

Servo motores são dispositivos de malha fechada, ou seja, recebem um sinal de controle; verificam 

a posição atual; atuam no sistema indo para a posição desejada. 

Em contraste com os motores contínuos que giram indefinidamente, o eixo dos servos motores possui a liberdade de até cerca de 180° graus, mas são precisos quanto a posição.

Esses servo motores são divididos por três componentes básicos: sistema atuador, sensor e circuito de controle. 

Sistema Atuador é constituído por um motor elétrico, na maioria dos casos com motores de corrente contínua, embora também possamos encontrá-lo de corrente alternada. Onde também está presente um conjunto de engrenagens que forma uma caixa de redução com uma relação bem longa o que ajuda a amplificar o torque.

Sensor normalmente é um potenciômetro acoplado ao eixo do servo, pois com o valor de sua resistência elétrica determinaremos a posição angular do eixo.

Circuito de Controle - O circuito de controle é formado por componentes eletrônicos discretos ou circuitos integrados e geralmente é composto por um oscilador e um controlador que recebe um sinal do sensor (posição do eixo) e o sinal de controle e aciona o motor no sentido necessário para posicionar o eixo na posição desejada.

Servos possuem três fios de interface, dois para alimentação e um para o sinal de controle. O sinal de controle utiliza a modulação por largura de pulso que possui três características básicas: Largura mínima, largura máxima e taxa de repetição.

A largura do pulso de controle determinará a posição do eixo:

- largura máxima equivale ao deslocamento do eixo em +45º da posição central;

- largura mínima equivale ao deslocamento do eixo em -45º;

- outras larguras determinam sua posição proporcionalmente.

BATERIA

Vamos utilizar baterias recarregáveis. Esse tipo de bateria são normalmente utilizadas em eletro-eletrônicos. 

Vantagens e Desvantagens

A tecnologia solar fotovoltaica apresenta um grande número de vantagens:

Alta fiabilidade – não tem peças móveis, o que é muito útil em aplicações em locais isolados. 

A fácil portabilidade e adaptabilidade dos módulos - permite montagens simples e adaptáveis a várias necessidades energéticas. Os sistemas podem ser dimensionados para aplicações de alguns miliwatts ou de kiloWatts. 

O custo de operação é reduzido - a manutenção é quase inexistente: não necessita combustível, transporte, nem trabalhadores altamente qualificados.  A tecnologia fotovoltaica apresenta qualidades ecológicas pois o produto final é não poluente, silencioso e não perturba o ambiente.  

No entanto esta tecnologia apresenta também algumas desvantagens:  O fabrico dos módulos fotovoltaicos necessita  tecnologia muito sofisticadanecessitando de um custo de investimento elevado. 

O rendimento real de conversão dum modulo é reduzido (o limite teórico máximo numa célula de silício cristalino é de 28%), face ao custo do investimento.  Os geradores fotovoltaicos  raramente são competitivos do ponto de vista económico, face a outros tipos de geradores (e.g. geradores a gasóleo). A excepção restringe-se a casos onde existam reduzidas necessidades de energia em locais isolados e/ou em situações de grande preocupação ambiental.  Quando é necessário proceder ao armazenamento de energia sob a forma 

química (baterias), o custo do sistema fotovoltaico torna-se ainda mais elevado.  

Parte Mecânica

Construção da parte eletrônica

Placa de Circuito Impresso

 A placa de circuito impresso foi projetada para interfacear o software e o painel solar funcionando de forma bilateral, que é a comunicação indo e vindo. Os comandos provenientes do software são transmitidos através do microcontrolador e comandam o motor que posiciona o painel fotovoltaico. Também por intermédio do mesmo os três sensores do painel solar informam ao software, quanto à presença ou não de luz e também a posição para onde a luz é mais intensa.

Os componentes utilizados no projeto eletrônico são: Capacitores, diodo, foto-diodo, microcontrolador, regulador de tensão, resistor e transistor.

            Capacitores

    O capacitor é um dispositivo que possui dois terminais, sendo um positivo e o outro negativo, que são separados por um dielétrico, que é um material isolante, o mesmo tem como função o armazenamento de carga na forma de campo elétrico. Os Capacitores servem de filtro baixa freqüência, deixando passar apenas as altas freqüências. O Capacitor possue um dispositivo de segurança interno, esse dispositivo é responsável por interromper a passagem de corrente em caso de sobrecarga Utilizamos os capacitores para dar suporte às pilhas recarregáveis no armazenamento de cargas.

         Diodo

         O diodo é um componente cuja característica semicondutora faz com que a corrente flua com baixa resistência em um sentido e com alta resistência no sentido oposto, ou seja, apresenta dois tipos de comportamento dentro de um mesmo circuito. O diodo irá auxiliar na condução da carga gerada durante o dia até as baterias recarregáveis, mas irá impedir que esta carga passe das baterias para o painel solar durante a noite, onde não existe a presença do Sol e o painel solar deixa de produzir energia elétrica e passa, então, a ser consumidor de energia.

           Foto diodo 

           O foto diodo é um diodo comum que possui uma janela translucida que permite a passagem de luz e a incidência da mesma na junção PN. Todos os diodos possuem uma altíssima resistência quando polarizados reversamente. O foto diodo difere dos diodos comuns pelo fato de que, quando iluminados com a freqüência correta eles reduzem drasticamente esta resistência.

       Microcontrolador

       O microcontrolador é um circuito integrado com praticamente todos os componentes e funções similares a de um, computador, o que difere o mesmo dos computadores é que ele é programado para processar funções especifico que são embutidos no interior de algum dispositivo, sendo assim, um controlador embutido. No painel solar ALPHA, o microcontrolador é responsável por todos os comandos do sistema.

       Regulador de tensão

    O regulador de tensão é um dispositivo que tem como função a manutenção da tensão de saída de um circuito elétrico. Assim, utilizamos o regulador de tensão para garantir que a tensão de saída seja sempre igual a 5 Volts, independente do valor da tensão de entrada. A falha desse dispositivo acarreta no aumento da tensão, podendo dessa forma a queima dos componentes do sistema.

     Resistor

       Os resistores são elementos que apresentam resistência à passagem de Corrente. Quanto maior for a resistência elétrica, menor é a passagem de corrente elétrica por um condutor. Utilizamos o resistor do tipo variável logo seu objetivo é realizar a calibração da corrente.

         A resistência elétrica é medida em Ohms e a sua relação com a corrente elétrica é dada pela equação:

                                                         R=V/I                                                           (1)

   R é o valor da resistência elétrica (Ohms);

   V é a diferença de potencial (Volts);

   I é a corrente elétrica (Ampère).

     O LDR é um resistor que depende de luz, ou seja, a sua resistência elétrica irá variar linearmente com a presença da luz. Quanto maior for a incidência de energia luminosa sobre ele menor será a sua resistência. Sendo assim, podemos utilizá-lo como um sensor que irá corrigir a posição do painel solar de acordo com o movimento do sol durante o dia.

   Transitor

         O transistor é responsável pelo controle de alimentação do motor. Permite o controle da corrente, podem ser amplificadores e interruptores de sinais elétricos, é formado por uma estrutura de semicondutores. O nome vem de transferência de resistência.

Materiais

A escolha dos materiais foi feita através de uma rigorosa seleção, no qual foi considerado como objetivos principais: o baixo custo, a máxima eficiência e principalmente desenvolver um projeto sustentável. Cada material é responsável por funções especificas que colaboram para o melhor funcionamento possível do painel solar ALPHA.

     Placa fotovoltaica

A placa é constituída de células fotovoltaicas que funcionam através do efeito da radiação solar sobre semicondutores. Um dos materiais mais adequados para a conversão da radiação solar em energia elétrica é o silício, que é um material semicondutor e muito abundante na natureza. Os semicondutores são constituídos por elétrons, que são excitados através da presença da luz produzindo o efeito fotovoltaico. O painel fotovoltaico policristalino possui uma potencia de 5 watts.

 Servo Motor

O desempenho do painel fotovoltaico depende bastante do motor no qual se utiliza, a escolha do servo motor foi feita a partir das necessidades que o painel precisava para ter um bom rendimento. O servo motor é um dispositivo que permite maior controle, apresentando assim um movimento proporcional ao comando, diferentes dos outros milhares de motores que existem no mercado, o servo motor permite também o controle de torque no eixo, sendo assim o mesmo apresenta uma precisão quanto a posição. O servo motor possui liberdade de até cerca de 180º. O servo motor está acoplado a um eixo que atravessa o painel fotovoltaico, é através deste eixo que o painel se movimenta. Esse dispositivo funciona em conjunto com sensores de luz, mais conhecidos como resistor dependente de luz (LDR), esses sensores na ausência de luz aumentam sua resistência e através dessa identificação que o motor é acionado e assim capta a luz solar. 

 

Painel Solar

O sistema de funcionamento acontece através de um motor de passo (com um passo muito pequeno e um torque grande), que movimenta um parafuso sem fim que está acoplado ao painel solar, fazendo este se movimentar. O movimento do painel solar é quase imperceptível devido ao pequeno passo do motor. O painel se movimenta de acordo com a posição do Sol.

Radiação Solar: Captação e Conversão

O nosso planeta, em seu movimento anual em torno do Sol, descreve em trajetória elíptica um plano que é inclinado de  aproximadamente 23,5 o com relação ao plano equatorial. Esta inclinação é responsável pela variação da elevação do Sol no horizonte em relação à mesma hora, ao longo dos dias, dando origem às estações do ano e dificultando os cálculos da posição do Sol para uma determinada data, como pode ser visto na figura . A posição angular do Sol, ao meio dia solar, em relação ao plano do Equador (Norte positivo) é chamada de Declinação Solar (δ). Este ângulo, que pode varia, de acordo com o dia do ano, dentro dos seguintes limites: 

-23,45° ≤ δ ≤ 23,45°

O painel Solar ALPHA terá uma inclinação de 15°.

Estrutura de uma Célula Fotovoltaica

Ao contrario da maioria dos outros semicondutores, o dispositivo fotovoltaico não usa  a  estrutura normal  do  silício, como nos  diodos,  ao invés  disso  usa  uma  fina camada  de  óxido transparente.  Estes  óxidos  são  altamente  transparentes  e  tem  alta condutividade elétrica. Camadas anti-reflexo podem ser usadas para cobrir uma célula fotovoltaica. Os cristais policristalinos são grãos minúsculos de material semicondutor. As propriedades dos filmes policristalinos são diferentes do silício normal. Ele provou ser melhor para criar um Campo elétrico entre dois materiais semicondutores diferentes.

Efeito Fotovoltaico

O efeito fotovoltaico dá-se em materiais da natureza denominados semicondutores que se caracterizam pela presença de bandas de energia  onde é permitida a presença de elétrons (banda de valência) e de outra onde totalmente “vazia” (banda de condução). O semicondutor mais usado é o silício. Seus  átomos se caracterizam por possuirem quatro elétrons que se ligam aos vizinhos, formando uma rede cristalina. Ao adicionarem-se átomos com cinco elétrons de ligação, como o fósforo, por exemplo, haverá um elétron em excesso que não poderá ser emparelhado e que ficará "sobrando", fracamente ligado a seu átomo de origem. Isto faz com que, com pouca energia térmica, este elétron se livre, indo para a banda de condução.

Célula Fotovoltaica

 História da Célula Fotovoltaica

A conversão da energia solar em energia elétrica é realizada através do efeito fotovoltaico observado por Edmond Bequerel em 1839. Foi observada uma diferença de potencial nas extremidades de uma estrutura semicondutora, quando incidia uma luz sobre ela.  Impulsionadas pelas novas descobertas da microeletrônica, em 1956  foram construídas as primeiras células fotovoltaicas industriais.

O elevado custo na sua fabricação inviabilizava sua utilização prática a não ser em aplicações especiais, como  sistema autônomo de  fornecimento de energia elétrica para  satélites.  Neste  caso o custo  não  era  um  fator limitante e as  características  de confiabilidade  e  de  baixo  peso,  tornaram  as  células  fotovoltaicas  a  maneira  mais conveniente e segura de gerar eletricidade no espaço.

Em  estações  remotas  de  telecomunicações  foram  empregadas  células fotovoltaicas para o fornecimento de energia elétrica, devido a comprovação das suas características e desempenho no espaço. Outro  agente  impulsionador  das  pesquisas  dessa  tecnologia  para  aplicações diversas, inclusive  para  complementação  do  sistema elétrico  existente,  foi  a crise  do petróleo  em  1973.  A  energia  solar  passou  a atrair  o  interesse  do  governo,  com  a possibilidade real do esgotamento das reservas petrolíferas. Mas  o  custo de  produção das  células  era  um  fator  preocupante em  relação  a quantidade  de energia  produzida  por  ela.  Era  preciso  reduzir  o  custo significativamente.  Por isso o desenvolvimento do mercado  foi muito lento. Mas  em 1978 a produção já chegava a 1 Mwp/ano. Com o aumento da escala de produção e a pesquisa de tecnologia em materiais usados na fabricação das células o custo e o preço começaram a diminuir. Após quinze anos a produção já alcançava 60 Mwp/ano. Na década de 90 marca o desenvolvimento acelerado da industria fotovoltaica. Visando ampliar os horizontes para utilização em massa da energia solar como opção 

energética,  inúmeros  programas  mundiais  foram  lançados  para a demonstração da viabilidade técnica-comercial da energia solar fotovoltaica em projetos de eletrificação rural nos países em desenvolvimento. 

Passada a crise do petróleo, muitas empresas petrolíferas deixaram o  ramo do desenvolvimento  de  novas  células.  Mas  outros  fatores  continuaram  impulsionando  a indústria:  o  fortalecimento do  movimento de  defesa  do  meio  ambiente  e  o desenvolvimento do  grande  mercado da  eletrificação  rural  principalmente  nos  países subdesenvolvidos. A produção mundial em 1998 era prevista em torno de 100 Mwp. Hoje um dos maiores desafios que o  setor enfrenta é a  redução de custos dos sistemas fotovoltaicos. Com as novas tecnologias em desenvolvimento, principalmente a  dos  filmes  finos, poderão provocar reduções significativas  nos  custos  dos módulos fotovoltaicos.  O  desenvolvimento de  modelos  auto-sustentados  de  eletrificação  rural com  sistemas  fotovoltaicos é o maior desafio. O baixo nível cultural e econômico da

 maior parte das populações limita o desenvolvimento do mercado. Estimativas levam a crer que cerca de 30% da população mundial, algo como 2 bilhões  de  pessoas,  ainda  vivam  em  condições  dependentes  do  carvão ou biomassa tradicional  para cozinhar  alimentos  e  usando  velas,  pilhas, querosene e  diesel  para geração de eletricidade.

A  energia  solar fotovoltaica  tem  como  “vocação”  a  utilização  em  pequenas instalações  (pequenas  cargas)  que a  torna,  econômica,  eficiente e  segura.  O  Brasil dispõe  de  um  dos  maiores  potenciais  do  mundo para  o  aproveitamento  de energias renováveis  principalmente  a energia  solar,  e  além  de ecologicamente correto,  é  uma fonte inesgotável de energia.