Descrição Técnica

Metodologia
O desenvolvimento do presente trabalho está dividido em duas etapas distintas. A primeira refere-se ao dimensionamento do sistema de geração fotovoltaico (SGF). Já a segunda etapa aborda detalhes do sistema de monitoramento (SM).

Sistema de Geração Fotovoltaico (SGF)

Partindo do pressuposto de que um SGF independente deve possuir:

• Painéis Solares, que convertem a energia provinda da irradiação solar em energia elétrica;

• Controlador de Carga, que coordena a quantidade de energia que será fornecida à bateria, para não sobrecarrega-la.

• Baterias, que armazenam a energia elétrica;

• Inversor Solar, que converte a energia elétrica fornecida pelos painéis, em corrente contínua, para corrente alternada;

O SGF foi projetado inicialmente para uma potência de 650W, para isto, utilizou-se dois painéis fotovoltaicos de 325 W da Canadian Solar, conectados em paralelo. Pela proposta de ser um sistema independente da rede, o SGF possui um banco de baterias com tensão nominal de 24V, sendo composto por duas baterias estacionárias de 12V em série. Para proteção e gerenciamento das operações de carga e descarga das baterias, optou-se pelo controlador de carga XTRA4210N-XDS2. Controlador que opera à 24V, suporta a potência dos painéis e possui a função MPPT (Maximum Power Point Tracking), tecnologia que aumenta consideravelmente a eficiência. O inversor solar escolhido para o sistema foi o IPower IP 2000-22, pois fornece com segurança a potência gerada e com possiblidade de adição de carga. Os principais parâmetros dos elementos do sistema estão resumidos nas três figuras:

Com os equipamentos principais do SGF, faz-se necessário realizar um diagrama funcional do sistema, o que ajuda a identificar os parâmetros do sistema e torna possível o dimensionamento dos condutores, dos dispositivos de proteção e por fim definir o sensoriamento do sistema de monitoramento.

Com o diagrama funcional é possível observar os diferentes estágios da conversão da energia. Cada estágio, terá sua condição nominal de funcionamento em que o sistema deve se manter seguro, parâmetros que foram possíveis de identificar pelo diagrama.

Para manter o SGF seguro sob condições nominais, o dimensionamento dos condutores deve ser realizado conforme a NBR5410, onde se utilizou do método da capacidade de condução de corrente. O SGF também deve conter dispositivos de proteção CC e AC, visando manter a integridade diante de surtos de tensão e sobrecorrente. Todos os elementos do sistema, com exceção dos painéis fotovoltaicos, foram planejados para ser instalados em um painel elétrico, conforme os padrões de segurança, segundo as normas NBR IEC 60439 e NR10, expondo as informações de utilização e risco.

Sistema de Monitoramento (SM)

Com o diagrama funciona, é possível identificar 4 estágios da geração de energia:

1. Entre os painéis e o controlador;

2. Entre o controlador e baterias;

3. Entre as baterias e o inversor;

4. Após o inversor;

Para o sensoriamento do SM, foram escolhidos sensores de tensão e corrente continua, para os estágios 1 e 2, com um sensor de corrente contínua adicional para o 3º estágio. Para o 4º estágio, ou seja, após o inversor, serão sensores de tensão e corrente alternada para medir a potência consumida pela carga. No sensoriamento de temperatura, estipula-se que esses sensores devem ter alto grau de proteção (IP65+), para medir a temperatura dos painéis. Todos estes sensores, serão inseridos em entradas digitais ou analógicas de um microcontrolador, que por sua vez, realizará a leitura e registro das medições.

Para a etapa que exigem medição de corrente alternada, utilizou-se o sensor de corrente SCT-013-020 (a). O SCT é um sensor de corrente não invasivo do tipo transformador de corrente, basicamente composto por um enrolamento primário, núcleo magnético e enrolamento secundário. O modelo utilizado possui a relação de transformação de 20A/1V, que permite a medição de correntes entre 0 e 20A.

Já para realização da medição da tensão alternada, optou-se pela utilização do sensor de tensão ZMPT101B (b). Para realizar a medição de corrente contínua utilizou-se o sensor CJMCU-758 (c), que permite realizar medições de até 50A, apresentando uma sensibilidade de 40mV/A.

Para medições de temperatura selecionou-se o sensor com saída digital DS18B20 (d), que oferece a possibilidade de configuração de resolução, entre 9 e 12 bits. Os dados trafegam através da interface 1-Wire. Observa-se que, com exceção do sensor de temperatura, os sensores apresentam saída de sinal analógica.

Em relação à medição de tensão contínua, necessária nos estágios 1 e 2, optou-se pelo desenvolvimento de um circuito com a função de condicionar os valores de tensão, atenuando-os de forma a possibilitar a conversão analógico-digital pelo microcontrolador utilizado, convertendo valores na ordem de 50V para valores inferiores a 3,3V. O circuito projetado será referido como sensor de tensão CC, com esquemático a seguir.

Observa-se que o circuito é composto por um divisor de tensão, dividindo o sinal de entrada por uma razão de aproximadamente 0,045, e aplicando-o a um circuito amplificador não-inversor de ganho ajustável entre 1,47 V/V e 1,68 V/V, que fornece um aumento considerável na impedância de entrada. No circuito foram utilizados dois diodos Zener visando a proteção da entrada e saída do amplificador operacional, garantindo a integridade das entradas ADC do microcontrolador, em caso de sobretensão.

O ESP32, foi o micro controlador utilizado no sistema de monitoramento, por oferecer dentro dele a opção de conexão WiFi.

Projeção da geração solar

Como todo projeto que envolve a geração de energia, é crucial expor o potencial de geração que a usina possuirá. Essa projeção, irá compor o cálculo do investimento versus payback, que precisa levar em conta, a potência dos equipamentos e as taxas de irradiação solar do local que o sistema será instalado. Além disso, deve-se considerar todas as perdas do processo de conversão, incluindo todas taxas de eficiência de cada equipamento (encontrado na especificações técnicas do produto).