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PRECISION LIGHT SENSOR - RUN - Universidade Nova de Lisboa

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1. Figura 4 5 Fotografia do c u 7 Este teste cujo mbito mostrar o funcionamento geral vai permitir verificar o alinhamento do seguidor a partir de uma posi o aleat ria bem como quantificar o erro do seguimento astron mico em cada um dos eixos Atente se primeiramente no eixo horizontal e em seguida no vertical Na Figura 4 6 est o ilustradas tr s curvas A azul est ilustrada a traject ria seguida pela estrutura de seguimento a verde est a traject ria do sol obtida por meio de c lculos do seguimento astron mico e finalmente a vermelho est a traject ria real do sol obtida pelo sensor de precis o desenvolvido Com este modo de ilustrar o seguimento quando a traject ria real do sol a vermelho coincide com a traject ria da estrutura a azul significa que o erro de seguimento de 0 ou seja a estrutura encontra se perfeitamente alinhada com o sol 78 Andamento temporal da direc o no eixo horizontal K ET sol precision sol E 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Tempo 5 Figura 4 6 Andamento temporal no eixo horizontal Como se pode observar pela Figura 4 6 a traject ria do sol dada pelo seguimento astron mico n o coincide com a traject ria real do sol Esta pode ser obtida unindo os pontos em que a curva da traject ria da estrutura coincide com a traject ria real do sol dada pelo sensor de precis o ou seja unindo os pontos em que o sensor de precis o detect
2. senso gt Valor dos bh rw LAR qu 1 U4 i 15 ps 3 35 Valor do luximetro LUX 10 ch Figura 3 24 Associa o gr fica entre os valores dos dispositivos e do luximetro Como se pode observar pelo gr fico Figura 3 24 o maior valor de luminosidade registado foi de 40000 lux valor obtido submetendo quer as fotoresist ncias quer o luximetro luz directa do sol Foi observado que submetendo os dispositivos e o lux metro a uma l mpada de 120 W a 15 cm desta os valores eram muito semelhantes o que demonstra a possibilidade de tirar ila es a partir de testes elaborados a partir desta l mpada Diminuindo a intensidade de luminosidade da l mpada atrav s de um re stato foram registados os restantes valores 52 A aquisi o de dados dos dispositivos feita como mostra a Figura 3 25 com os tr s dispositivos dispostos em linha e mesma altura de modo a poder fazer se a aquisi o de dados em simult neo e com o m ximo de igualdade de condi es poss vel Figura 3 25 Montagem para fazer a aquisi o de dados atrav s do Ardu no 3 2 2 1 Teste varia o de intensidade de luz O teste consiste em ter a l mpada apagada num quarto escuro n o sendo portanto poss vel para os dispositivos a detec o de luz Durante o teste h uma suave varia o da luz at ao m ximo de luz poss vel para a l mpada e em seguida um decr scimo at estar novamente
3. Figura 3 20 Esquema de funcionamento do fototrans stor O fototrans stor bipolar assemelha se a um trans stor bipolar com a diferenca que um trans stor tem tr s terminais correspondentes ao emissor base e colector e o fototrans stor tem um terminal a menos a base Quando os fot es provenientes de uma fonte de luz colidem com os electr es da zona P ganham energia suficiente para atravessar a jun o PN Enquanto os electr es passam da zona P para a zona N inferior s o criadas lacunas na zona P Os electr es extra infectados na zona N inferior s o atra dos para o terminal positivo da bateria enquanto que os electr es do terminal negativo da bateria s o puxados para a zona N superior e atravessam a jun o NP superior para se combinarem com as lacunas dispon veis na zona P Desta forma criada uma corrente que flui do emissor para o colector no sentido real e n o convencional F a F gut Figura 3 21 Possivel montagem para medir a intensidade de luz Scherz 2000 49 3 2 2 Testes a dispositivos Para escolher um dispositivo para a elabora o de um sensor de luz foram feitos v rios testes Foram testados tr s tipos de dispositivos e Fotoresist ncias e Fotod odos e Fototrans stores Como visto na sec o anterior onde s o introduzidos estes tr s dispositivos existem diversas maneiras de ler o valor de luminosidade destes dispositivos Para a elabora o dos testes foi decidido utiliz
4. o de intensidade de luz com uma resist ncia de 50002 56 Figura 3 30 Imagem do teste de varia o do ngulo de incid ncia cccessss essere 57 Figura 3 31 Teste de varia o do ngulo de incid ncia com uma resist ncia de 1IKQ 58 Figura 3 32 Fotografia do c u no dia do teste em condi es reals oooooooococoocnnnnnnnnnnnnncnonononnnononnnonnnnnos 59 Figura 3 05 Teste COM iesistendias de IK O cid 59 Figura 3 34 Sensor baseado em compara o de dispositivos oooooonnnncnncnnnnnnnnnnnnnononnnononnnnnnnnnnnnnnnnnnnnos 60 Figura 3 35 Duas hip teses para sensores a com um fototrans stor b Com um fototrans stor e quatro TOLO CISNE Sa a ia 61 Figura 3 36 Esquema global do sistema cccccccccccccccccececeseeesseesseeececceceeeeeeeeeeaaaaeeeessesseeeeeeeeeeeeeeeeaaaas 62 Figura 3 37 Fotografia de uma das placas desenvolvidas cccccccccccccecececeeaeeeeesseseseeeceeeeeeeeeeeeaaaas 62 Figura 3 38 Esquema do conversor anal gico digital ooooooooonnnnnonnonononnncnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnonnnnnnnonnnnnnnnnos 63 X Figura 3 39 Fluxogramas de funcionamento da placa de aquisi o de dadoS5 eeeeeeeeeeeeeeeeeenee 64 Figura 3 40 a Esquema do sensor b fotografia do sensor montado na estrutura eeeeeeeeeeeeenee 65 Figura 3 41 a Esquema interior do sensor para seguimento b esquema de liga es 6
5. pormenor o ajuste de posi o feito pela estrutura Andamento temporal da direc o no eixo horizontal x sol real 92 2 92 91 6 Angulo 91 6 410 415 420 425 430 Tempo s Figura 4 8 Pormenor do ajuste de posi o Como vis vel na Figura 4 8 a estrutura ao estar desfasada do sol em cerca de 0 6 faz um ajuste de posi o ficando com cerca de 0 4 de desfasagem desta vez mais para Oeste em compara o com a posi o do sol De notar que este teste foi feito com o objectivo de mostrar o funcionamento do sensor e n o de ter uma grande precis o De uma forma id ntica veja se o que se passa no eixo vertical Para tal observe se a Figura 4 9 Andamento temporal da direc o no eixo vertical y E sol precision sol real y Figura 4 9 Andamento temporal no eixo vertical 80 Ao observar a Figura 4 9 pode se observar que o erro dado pelo sensor de precis o quando comparado com o que se passa no eixo horizontal muito pequeno Tal fen meno deve se ao facto de referente posi o da estrutura na Terra o sol se movimentar muito mais no eixo horizontal do que no vertical N A semelhan a do que o que foi feito anteriormente para encontrar a traject ria real do sol desta vez no eixo vertical basta unir os pontos onde a traject ria solar dada pelo sensor de precis o coincide com a curva da estrutura significando isto que o erro de seguimento nulo Na Figura 4
6. Com o c u limpo como se pode observar pela Figura 4 12 uma boa altura de fazer um teste de precis o Para tal o seguidor a partir de uma posi o aleat ria de modo a avaliar tamb m o seu comportamento a alinhar se com o sol foi deixado a seguir Na Figura 4 13 onde est representado o andamento no eixo horizontal poss vel observar que mal inicia O teste o seguidor move se no sentido de se alinhar com o sol conseguindo o A partir desse momento o seguimento feito com uma precis o de sensivelmente 0 4 a Este e 0 3 a Oeste Como vis vel na Figura 4 13 est o tra adas duas rectas de 0 9 de diferen a que visam tra ar a zona de ac o do sensor ou seja o sensor tem uma ac o m xima de 0 9 em torno do sol 82 Andanento temporal da Srec o no emo honzontal B sol precision sol imiles de precisdo 10 20 2s 100 50 600 no 80 Tempo s Figura 4 13 Andamento temporal no eixo horizontal O andamento temporal no eixo vertical est representado na Figura 4 14 onde como se pode observar o seguidor vai directamente de encontro posi o do sol seguindo o a partir desse ponto Andamento temporal do valor dyta dos sensores y E sol precision sol real 0 100 200 200 400 500 600 700 800 Tempo Figura 4 14 Andamento temporal no eixo vertical 4 4 Condi es adversas 4 4 1 C u muito nublado Figura 4 15 Fotografia do c u no momento do
7. L m E E 400 r 1 E ol IN a i ia a Mane 5 A m 2 100 0 Illumination of the lamp 35 Figure 9 Test with 1OKQ resistors Test 200 r x 1000 7 t stot k 8 a 000 o a ES da A e br so 5 gt 200 0 100 Illumination of the lamp Figure 10 Test with 1KQ resistors Watching the Figures 8 10 carefully 1t is remarkable that the response of the photodiode red line is too oscillatory and the response of the phototransistor green line is too abrupt for every value of R The photoresistor blue line on the other hand has a good response It is now necessary to choose a value of R By watching the test with R 10K the value of the photoresistor becomes O when a big amount of light is left it is not sensible for values where the amount of light is bigger Between the values of R 5002 and R 1K the difference isn t much It was decided to use the value of R 1K because its amplitude is a bit higher which means that it senses a bigger range of light 117 Chosen the devices and the resistors the sensor is ready to be made as it can be seen in the Figure 11 Figure 11 Picture of the sensor To build this sensor the PIC 18F4420 was used and its communication with the robotics of the system is done by the I2C protocol A simplified scheme is shown in the Figure 12 Figure 12 Simplified Scheme of the sensor 4 THEORICAL COM
8. foi referido existem t cnicas para reduzir este erro Tal como foi feito na ilustra o da cadeia de erros do seguimento astron mico Figura 2 4 tamb m na Figura 2 6 est o representadas as posi es ideal e real sendo distintas apenas por um poss vel erro nos motores No entanto neste tipo de seguimento uma vez que a posi o do sol relativamente ao sensor directamente apreendida pelo mesmo esta distin o n o faz sentido bastando por 1sso representar a posi o do seguidor a vermelho Por outras palavras a refer ncia do sensor de luz prov m directamente da posi o deste em rela o ao sol e como ja foi dito a diferen a entre a posi o da estrutura e a posi o do sensor difere nica e exclusivamente de um poss vel erro de desfasagem Como foi poss vel averiguar pela descri o das fontes de erro de ambos os tipos de seguimento ao passo que o seguimento astron mico tem v rias fontes de erro dif ceis de ultrapassar tornando uma boa precis o no seguimento dif cil de alcan ar as fontes de erro no seguimento atrav s de sensor de luz resumem se basicamente calibra o do sensor a uma poss vel desfasagem entre a orienta o do sensor e da estrutura e precis o da placa de aquisi o de dados 2 2 Sensores de luz para seguimento solar V rios documentos j foram escritos descrevendo trabalhos feitos na rea do seguimento solar seja este feito para dispositivos de convers o fotovolt
9. A DS IE a XVII AO e E E E E XIX 1 OS 1 Li ADO oque ae e O RIR DR RR DOR RR EE l ELE WMG Olay nenne ee ee ae ee 2 1 1 2 Encroasolar fotovoltaicas 2a ana ae 3 11 37 Sistemas Toto vo LaS a ei 4 Lala Concentra o Totovo aicina oe areas 7 ie a AAA A A A A A tena en Sore pyr Tene 9 1 3 Co een A ust asada 11 4 Orea izacao do documen oseere a E 13 ba FESPA OMAP ee ee RE naun dba RE nau aa dba o ada do 15 2 1 Sistemas CE SEC UIMENLO Sola ae ae er rer 15 2 1 1 Tipos de seguidores solares quanto AOS eixos eeeeeeeesessssnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnenennnnnn 15 2 1 2 Tipos de seguidores solares quanto tecnologla ooooooonnnncnnnnnnnnnnnnnnonnnnononononnnnnnnnnnnnnnnnnos 18 2 1 2 1 Erros associados a cada um dos tipos de SegulMento ooooncccccccnnnncnnncnnnnnonononannnnnnnnnss 18 Li SCIELO ASONO lil 18 2 1 2 1 2 SESUIMENTO com sensores de MU A Du 21 2 2 Sensores de luz para sesenta o caidas 22 2 2 1 Sistemas com dispositivos fotossens veis simples ooooonnnnnnnoconnnonononononononononncnnnnnnnnnnonononos 28 2 2 1 1 Sensores directamente direccionados para O SO ccccccceccccecceeeeeceeaeseesssseseeseeeeees 28 2 2 1 2 Sensores com um desfasamento angular entre Sl ooooonnnnnncccnnnnnnnnnnnnnnnnnonononnnnnnnnnnos 29 2 2 2 Sistemas com sensores de pix is activos APS ou com dispositivo de quatro quadrantes 29 2 2 3 sistemas Machine VSTO ici 30 2 3 Rob tica Sun Gray CO Od oo
10. como j foi referido no decorrer do trabalho s o um instrumento muito importante para avaliar o desempenho do sistema Neste cap tulo s o ilustrados e explicados v rios testes feitos com o objectivo de analisar o comportamento do sensor de luz desenvolvido para seguimento solar S o ilustrados v rios testes em condi es atmosf ricas distintas nomeadamente com c u nublado tentando ilustrar o comportamento do sensor em condi es m dias c u limpo de modo a poder concluir acerca da precis o do sensor em condi es muito boas e por fim condi es atmosf ricas dif ceis demonstrando que o sensor com o c u muito nublado tem pouca fiabilidade Ainda neste cap tulo tamb m ilustrado o comportamento do seguidor ao anoitecer noite e amanhecer demonstrando que o sensor capaz de distinguir completamente as tr s situa es ilustrando o seu ex mio comportamento 4 1 Estrutura de seguimento utilizada Para a elabora o de testes foi utilizado o seguidor de testes da WS Energia Figura 4 1 a b Figura 4 1 a Imagem do seguidor b Tubos de precisao Como se pode observar pela Figura 4 1 a estrutura cont m tubos para analisar a precis o com que a mesma est direccionada para o Sol Ao todo existem oito tubos de quatro precis es diferentes indo de 5 a 1 15 O tubo de maiores dimens es ilustrado na Figura 4 2 tem 1240 mm de altura e 27 mm de lado 27 interior Fazendo P atan Cem tem
11. o ligadas a todos os dispositivos do barramento como se pode observar pela Figura 2 20 Figura 2 20 Esquema exemplificativo da comunica o 12C Ao observar a Figura 2 20 note se a presen a de duas resist ncias Rp ligadas a 5V Estas resist ncias sao chamadas de resist ncias pull up e s o imprescind veis pois as linhas SCL e SDA sao open drain colector aberto querendo isto dizer que apenas sao capazes de puxar as linhas para baixo nivel l gico 0 necessitando assim de uma resist ncia pull up para conseguirem puxar para cima n vel l gico 1 No entanto o valor destas resist ncias n o cr tico funcionando com resist ncias de 1 8KQ mas tamb m com resist ncias de 47kQ Caso as resist ncias n o estejam presentes as linhas SCL e SDA v o estar sempre a zero e a comunica o DC n o funcionar Numa comunica o DC existe sempre um Master e um Slave O Master o dispositivo que tem o controlo da linha de clock e o Slave apenas responde ao Master n o podendo iniciar uma comunica o Normalmente existe apenas um Master e v rios Slaves podendo no entanto existir mais do que um Master na mesma comunica o Quando o Master quer iniciar uma comunica o come a por enviar uma sequ ncia de Start no barramento I2C podendo esta comunica o ser interrompida com uma sequ ncia Stop Estas duas sequ ncias s o especiais pois s o as duas nicas sequ ncias onde a linha SDA permitida mudar enqu
12. sistema ligado rede e b sistema aut nomo oooooooococoooocnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnss 5 Figura 1 4 Compara o um sistema fixo e um sistema de seguimento em dois eixos Quaschning DOOD arrn a 6 Figura 1 5 Esquematiza o da tecnologia de concentra o fotovoltaica seeeeeeeeeeeeeeeeeeeeneeneeenennnne 7 Figura 2 1 Compara o de tipos de seguimento na Europa Thomas Huld n d 17 Figura 2 2 Esquema de uma fonte de erro da leitura da gravidade eeeeeeeeeeeeeeeeneeeeeeeeeeeennnne 19 Figura 2 3 Esquema de poss veis erros na MONtageM ooooooooononooonnnnnonononnnnnononononononnnnnnnonnnnnnnonononnnnnnnnos 19 Figura 2 4 Cadeia de erros no seguimento astron mico ooooooooooooonnnononnnnnnnnnnnnnnnnnononnnnnnnnnnnnnnnnnonnnnnnnnos 20 Figura 2 5 Exemplo de poss vel erro de desfasagem entre o sensor e a estrutura eeeeeeeeeeeeeenee 21 Figura 2 6 Cadeia de erros no seguimento com sensores de lUZ oooooooocononononocnnnnnnnnnnnnnononnnnnonononoss 22 Figura 2 7 Esquema do sistema Greene amp Tan 1988 oooooooooooococonooooononnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnonoos 23 Figura 2 8 Esquema do sensor utilizado por Huang em 1990 ueeeeeeeeeeeennnnennerenenrrnreerrnnnnnnna 24 Figura 2 9 Sensor de quatro quadrantes Roth Georgiev amp Boudinov 2004 iiieeeeeeeeeeeeeeeeeeenea 25 Figura 2 10 Esquema do sensor utilizado Liebe 2004 0
13. 00 20 00 Figura 1 4 Compara o um sistema fixo e um sistema de seguimento em dois eixos Quaschning 2005 Como se pode observar pela figura a irradiancia captada por um sistema de seguimento em dois eixos a tracejado sempre maior do que a irradiancia captada por um sistema id ntico mas fixo a cheio Se um sistema de energia solar segue o sol de modo a que o ngulo de incid ncia seja virtualmente zero o rendimento cresce substancialmente Quanto maior for a irradiancia numa superf cie perpendicular aos raios solares maior o aumento na energia Quaschning 2005 1 1 4 Concentra o fotovoltaica A industria fotovoltaica est em r pido crescimento No entanto cresceria ainda mais rapido se os custos pudessem ser reduzidos tanto no produto final como no capital investido Kurtz 2009 o que se traduziria numa redu o do risco de investimento Uma estrat gia para reduzir o custo dos m dulos consiste na redu o da quantidade de material semi condutor utilizado Este o objectivo da concentra o fotovoltaica pois utiliza pticas concentradoras para concentrar a luz em pequenas c lulas A concentra o fotovoltaica consiste em obter maior efici ncia a um custo mais reduzido Tal conseguido apostando na utiliza o de materiais mais econ micos como o alum nio para reflectir a radia o solar para as c lulas Desta forma a c lula vai receber radia o directa do sol e para al m disso vai receber t
14. 10 j vis vel a preto a traject ria real do sol no eixo vertical Andamento temporal da direc o no eixo vertical y E sol precision sol y sol real y Figura 4 10 Andamento temporal no eixo horizontal com a traject ria real do sol Para uma melhor percep o do comportamento do sensor atente se na Figura 4 11 onde vis vel o ajuste de posi o Andamento temporal da direc o no eixo vertical 56 1 450 490 500 510 520 530 540 Tempo s Figura 4 11 Pormenor do ajuste de posi o no eixo vertical 81 Como se pode observar a estrutura est com um erro de 0 2 abaixo do sol e passa para um erro de 0 3 para cima indo este erro diminuir ao longo do tempo at se repetir sensivelmente a mesma situa o Com este teste foi poss vel ilustrar o bom funcionamento do sensor de luz Como bem vis vel nos gr ficos anteriores a estrutura que de In cio n o est orientada para o sol move se suavemente no sentido de se alinhar e a partir desse ponto segue a traject ria do sol com uma precis o de no pior caso 0 6 Outro aspecto muito interessante que foi poss vel determinar com este teste foi o erro proveniente da utiliza o de seguimento astron mico Com este tipo de seguimento o erro de estimativa da traject ria do sol de sensivelmente 1 no eixo horizontal e de 1 tamb m no eixo vertical 4 3 C u limpo Figura 4 12 Fotografia do c u no momento do teste
15. 402 2004 Saleh B E amp Teich M C Fundamentals of Photonics J W Goodman 1991 Scherz P Practical Electronics for Inventors McGraw Hill 2000 Thomas Huld M S Performance of single axis tracking photovoltaic systems in Europe n d 98 Anexos 99 100 Anexo I Manual de instrucoes do sensor de precisao 101 102 US ROBOTICS WE POWER THE SUN Oz PRECISION LIGHT SENSOR User s Guide Scope Describe the operation procedures for the Precision Light Sensor Interface Approved David Gomes Lu s Pina Lu s Pina 28 09 2010 28 09 2010 28 09 2010 103 WS R BOTICS User s Guide Objective Describe the procedures for operating the interface of the Precision Light Sensor Brief Description The Interface of the Precision Light Sensor is a software with the following characteristics Easy plug and play camera connection Easy calibration Easy determination of the tracking error Possibility of saving data automatically in an Excel sheet Real visualization of the sky with two marked points the center of the sun and the point where the system is pointing to To use this tool is required to connect the camera to a PC with a version of Matlab with the Image Processing Toolbox installed To calibrate the sensor after a necessary manual alignment of the tracker the Calibrate Sensor button must be pressed It is also possible to find a real time tracking e
16. CCD O dispositivo aqui descrito conhecido por Solar Compass Chip SCC tem de ser ligado a um processador que vai ler a imagem e determinar a posic o das aberturas atrav s de processamento de imagem com o objectivo de determinar a posi o da imagem das aberturas e assim poder determinar a posi o do sol O objectivo desta tecnologia ficar durante um tempo ao sol e atrav s de um pequeno movimento do sol adivinhar com uma boa precis o qual vai ser a traject ria do sol aberturas m scara Imagem do sol Plano focal Figura 2 10 Esquema do sensor utilizado Liebe 2004 Assim como o sistema de Roth em 2004 tamb m o sistema proposto por Bingol em 2005 faz o seguimento solar segundo dois eixos Bingol Altinta amp Oner 2006 Para tal o sistema utiliza quatro fotoresist ncias que trabalham aos pares Duas controlam o movimento de azimute e as outras duas controlam a elevac o Como se pode observar pela Figura 2 11 o sensor em quest o consiste numa 25 estrutura que cont m as quatro fotoresist ncias sendo que cada uma se encontra dentro de um tubo cil ndrico estando estes separados dois a dois em 90 Este sensor dever estar fixo ao painel Figura 2 11 Esquema do sensor utilizado Bingol Altinta amp Oner 2006 Figura 2 12 Fotografia dos sistemas de seguimento solar e estacion rio Bingol Altinta amp Oner 2006 O princ pio de funcionamento resume se compara o da
17. Este fen meno deve se ao facto de como j foi referido um minuto estar repartido em movimento horizontal e movimento vertical logo h sempre trinta segundos em que o seguidor num eixo est parado Outro aspecto de grande import ncia neste caso determinar qual a traject ria do sol durante este teste Ora devido ao facto de o sol estar poucas vezes vis vel durante o teste a utiliza o do sensor de precis o revelou se pouco vi vel Contudo atente se na Figura 4 18 onde vis vel a traject ria descrita pelo seguidor em ambos os eixos tal como a traject ria do sol calculada pela aproxima o astron mica Andamento temporal da direc o no eixo vertical 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Tempo s Andamento temporal da direc o no eixo horizontal 0 100 200 300 400 500 600 700 300 Tempo s Figura 4 18 Compara o com o movimento efectuado e a traject ria do sol 85 Como se pode observar pela Figura 4 18 o movimento efectuado n o se aproxima de forma alguma ao movimento do sol O seguidor neste teste est em constante movimento e longe de encontrar a posi o do sol A traject ria do sol ilustrada na figura a traject ria dada pelo sistema de seguimento astron mico pois o sensor de precis o n o conseguiu encontrar o sol mas como j foi visto a diferen a entre a posi o de refer ncia do sol dada pela aproxima o astron mica e a posi o real dada pelo sensor de precis
18. Figura 3 51 que ilustram o valor dos dispositivos no mesmo teste bem vis vel que ao passo que as correc es de traject ria no eixo horizontal s o bastante frequentes cerca de oito vezes o mesmo n o acontece no eixo vertical que durante o teste corrige a traject ria apenas duas vezes Tal fen meno deve se ao facto de de acordo com as coordenadas utilizadas o movimento da Terra relativamente ao sol ser maior no eixo horizontal do que no eixo vertical 3 2 6 Par metros do sensor A precis o do sistema deve ter em conta a aplica o em causa Como ja foi referido neste trabalho um sistema fotovoltaico tem melhor desempenho quando usufrui de seguimento solar Mousazadeh Keyhani Javadi Mobh K amp Sharifi 2009 No entanto n o necess rio ter uma precis o de 0 5 como acontece com os sistemas de concentra o solar Kalougirou 1996 Os sistemas de seguimento solar para um melhor rendimento da aplica o devem mover se apenas quando h um desvio em 12 rela o ao sol que resulta num decr scimo significativo do rendimento mas n o antes disso de modo a evitar movimentos sup rfluos Para um bom funcionamento do sensor este deve estar afinado de modo a fazer a estrutura mover se quando o grau de precis o deixa de ser admiss vel para a aplica o em causa mas n o antes disso Para tal basta afectar as vari veis de precis o precis o e precis o m xima mencionadas anteri
19. IN Y MSU Gnd Vin 012345 Figura 3 23 Arduino arduino 2010 Para uma melhor percep o na quantifica o das medidas provenientes do conversor anal gico digital foi elaborada uma tabela na qual consta uma associa o entre valores dados pelo conversor e valores de intensidade luminosa em lux dados por um lux metro como se pode observar pela Tabela 2 51 Tabela 2 Associa o entre valores dos dispositivos e do luximetro Valor LDR 5000 Valor LDRIKO ValorLDR10KO Valor Lux metro Vise V Vise V Vise V LUX 200 120 10 40000 280 200 20 12000 370 300 30 5300 500 411 55 2700 580 500 80 1800 650 600 120 950 770 700 500 470 880 800 600 300 1023 1023 1023 0 Como se pode observar pela tabela s o comparados os valores de fotoresist ncias id nticas mas com diferentes valores de R Figura 3 22 A partir da tabela foi elaborado um gr fico Figura 3 24 que para al m de ilustrar a resposta da fotoresist ncia intensidade de luz tem como objectivo estabelecer um termo de compara o entre o valor do dispositivo lido e o n vel de luminosidade Uma vez que nos testes elaborados neste cap tulo estar sempre uma das montagens ilustradas no gr fico sempre poss vel estabelecer uma correspond ncia entre o valor do dispositivo em causa e o valor de luminosidade em lux Resposta das LDR com a luminosidade xvisb ul A V LOR SIOR LOA 1H LDR 10 res
20. Kalougirou 1996 Mouzadeh 2008 In fact in order to maximize the amount of solar energy captured by the photovoltaic cells much importance has been given to systems able to track the sun These systems are called sun tracking systems and have been showing great results when compared to static systems Lee 2009 Studies show that a dual axis tracking system can improve the amount of energy collected in about 40 when compared to static systems Mouzadeh 2008 TWO AXIS TRACKING e FIXED Figure 1 Comparison between a dual axis tracking system and a static one Abdallah 2003 In order to track the sun accurately there are two popular approaches e The astronomical tracking e The light sensor based tracking The astronomical tracking is a common way to track the sun using known information about the sun s position like geographical and time coordinates In this approach it is necessary to solve equations to find the optimal position at each moment of the tracker The light sensor based tracking is also a common way to track the sun It is a much simpler and economic way to track the sun In this approach it is usual to use photosensitive devices like photoresistors phototransistors or photodiodes In this paper it will be possible to conclude that the light sensor approach has much less influence of construction and implementation errors when compared to the astronomical appro
21. alia 31 24 oo nte teo CAMA mace NG saath a shos an sh 32 3 Desenvolv mentodossensoresde UA 35 3 1 Sensor de Precio pad da 35 SLL DIOSA UA re u ua 35 512 Modo de Tuncionamento caia Rad ad iiacs 36 S121 Procedimento para encontrar O Sol nn a u easa ae 36 3 1 2 2 Procedimento para encontrar o ponto para onde est direccionada a estrutura 39 3 1 2 3 Procedimento para encontrar o erro entre o sol e a estrutura de seguimento 40 3 1 3 Interface do sensor para O utilizador ana an ede ee ees 41 32 SEISOR PALA SECUINIEN One a 44 3 2 0 An lise de dispositivos FOLOSSCNS VEIS aaa oa 44 32 1 1 Eofores steneta zen ads 45 3 2 1 2 FOl00000 A O 47 3 21 23 E0l0frans st r enable 49 3 2 2 MESES POS UNO sanar sia essen 50 322k Testea varia o de inmensidad de IZ iy sia rare a 53 3 2 2 1 Com uma resistencia em serie de TORO ua a 54 322 12 Comumaresistencia emsene del Oasis 55 32213 Com uma resistencia cin serie de 500 Dessen 56 3 2 2 1 4 Conclus o acerca do teste de varia o de intensidade de luz 56 3 2 2 2 Teste varia o do ngulo de incid ncia occcccccnnncncnnnnnononononannnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnos 57 3 2 2 2 1 Conclus o acerca do teste varia o do ngulo de incidEncia 58 3 22 53 Teste CM CONGIC OES TE AIS tit 58 322531 CONMCINSOES acerca do ESTE a ea 59 3 2 2 4 Conclus es acerca de todos os testes erre e
22. comunicar com a rob tica existente atrav s do protocolo de comunica o DC Finalmente descrita a constru o do sensor e o seu modo de funcionamento bem como o procedimento que deve ser seguido para calibrar os dispositivos Integrantes do mesmo de forma a que estes sejam o mais id nticos poss vel garantindo assim o bom funcionamento do sensor O cap tulo 4 reservado aos resultados obtidos Neste cap tulo feita uma an lise ao comportamento dos sensores em v rias situa es poss veis tais como c u limpo ou c u completamente coberto e at amanhecer e anoitecer E explicado o funcionamento geral do sistema e feita uma an lise precis o conseguida nas diferentes situa es A conclus o feita no cap tulo 5 onde s o referidos os principais resultados obtidos bem como o trabalho a desenvolver futuramente Finalmente na bibliografia apresentada a consulta bibliogr fica feita no decorrer deste trabalho 13 14 2 Estado da arte O presente cap tulo tem como objectivo resumir as tecnologias existentes a nivel de numero de eixos e tecnologias de seguimento explicada a raz o pela qual se opta pelo seguimento em dois eixos assim como a necessidade de se optar por seguimento baseado em sensores de luz em detrimento de seguimento astron mico Tamb m neste cap tulo s o revistas as principais tecnologias utilizadas a n vel de sensores de luz Para uma bom enquadramento tamb m feita uma pequen
23. da estrutura atrav s dos tubos de precis o n o tem erros o procedimento para encontrar o ponto para onde est direccionada a estrutura consiste em encontrar o sol numa altura em que a estrutura se encontre perfeitamente alinhada Assim sendo est se no 39 fundo a calibrar o sensor de precis o Na Figura 3 7 est representada esta situa o De notar que esta imagem captada num instante em que a estrutura est manualmente alinhada O ponto a vermelho indica o centro da imagem ou seja o ponto para onde a estrutura estaria direccionada caso n o houvesse erros na montagem Por sua vez o ponto verde indica o centro do sol Sabendo que a estrutura est perfeitamente alinhada o ponto verde indica para al m do centro do sol o ponto para onde a estrutura est de facto direccionada Ponto para onde a estrutura est direccionada Caso n o houvesse erros na montagem do sensor de precis o Calibrado manualmente Figura 3 7 Ilustra o da calibra o do sensor A partir deste momento o sensor de precis o encontra se calibrado Encontrados os dois pontos fundamentais o centro da imagem e o centro do sol fica a faltar descobrir o erro de seguimento da estrutura que ser nulo se os pontos coincidirem 3 1 2 3 Procedimento para encontrar o erro entre o sol e a estrutura de seguimento Para encontrar o erro de seguimento nos dois eixos entenda se tendo os dois pontos cruciais ou seja o centro do
24. da sua zona de ac o para ent o poder fazer o seguimento o que acaba por acontecer por volta do segundo 11000 Na figura tamb m vis vel a vermelho o erro detectado pelo sensor de precis o o que permitiu que fosse tra ada uma recta representando aproximadamente a traject ria realmente efectuada pelo sol O erro dado pelo sensor de precis o bem como a traject ria real do sol e o pr prio movimento da figura pode ser visto em pormenor na Figura 4 28 Andamento temporal da direc o no eixo honzontal a y qu TT ee ee Vv ms y Yy SOL real E K 127 E gt sol peacisionf ado Y f 20 i AO ern Eas Em on 3 125 nun nn N tn Meaty ne tui E Y tre S I 4124 eS ror 1 i 1 125 1 126 127 1485 Tempo 5 Figura 4 28 Pormenor do erro dado pelo sensor de precis o De notar que a vari vel precis o neste caso larga pois os ajustes feitos s o espa ados permitindo um erro de sensivelmente 1 No que diz respeito ao eixo vertical passa se relativamente o mesmo ou seja a partir sensivelmente do segundo 5000 come a o seguimento pois o n vel de luminosidade aceit vel Neste caso o sol nasce j dentro dos limites do seguidor ou seja este come a de imediato a seguir o sol 92 Andamento temporal da direc o no esco vertical 60 e E E sol r al sol precision Y Angulo 7 2000 sen S000 8000 10000 12000
25. de seguimento a funcionar correctamente necess rio saber a sua localiza o geogr fica e a sua orienta o relativamente superf cie terrestre Para tal utilizado um sensor de gravidade o qual idealmente h de apontar para o centro da Terra e dizer com que desfasagem se encontra Atrav s de c lculos poss vel obter a posi o do sol relativamente estrutura e assim poder accionar os motores para que haja um seguimento preciso O seguimento baseado em sensores de luz recebe informa o do sensor que por sua vez recebe a informa o acerca da posi o do sol relativamente ao sensor a partir do pr prio sol Estes sistemas normalmente s o mais simples e econ micos do que os anteriormente referidos Para a estrutura de seguimento estar correctamente direccionada para o sol existem v rios erros associados O facto de se utilizar o seguimento baseado em sensores de luz em detrimento do seguimento astron mico s por si reduz muitos desses erros 2 1 2 1 Erros associados a cada um dos tipos de seguimento A cada um dos tipos de seguimento referidos existem v rios erros associados como se poder constatar de seguida 2 1 2 1 1 Seguimento Astron mico O seguimento astron mico tecnologia actualmente utilizada pela WS Energia S A como se vai ver em seguida tem v rios erros associados 18 Em primeiro lugar associado utiliza o do sensor grav tico existe logo a possibilidade de este na re
26. em v rios espectros distintos Figura 3 12 44 max pie 6 x 10 4x 10 2x 10 Radiation Intensity W m um 04 05 0 6 0 7 Wavelength um Figura 3 12 Espectro da radia o solar Department of Energy 2010 O esquema ilustrado na Figura 3 12 visa representar o espectro da luz proveniente do sol sendo este composto por comprimentos de onda n o vis veis mas tamb m uma gama de comprimentos de onda vis veis sendo esta entre os 0 4 e os 0 7 micr metros Os fot es s o os mais pequenos pacotes de ondas de luz e a sua interac o com electr es o mecanismo f sico chave nos dispositivos optoelectr nicos Piprek 2003 Os fot es ao serem absorvidos por um material semicondutor fazem com que seja gerada uma carga m vel A condutividade el ctrica do material aumenta proporcionalmente ao fluxo de fot es Ao ser aplicado um campo el ctrico ao material atrav s de uma fonte externa faz com que os electr es e buracos sejam transportados O resultado uma corrente el ctrica mensur vel Os dispositivos fotossens veis funcionam medindo ou a corrente que proporcional ao fluxo de fot es ou a queda de tens o na resist ncia R colocada em s rie com o circuito Saleh amp Teich 1991 3 2 1 1 Fotoresist ncia A fotoresist ncia ou LDR light dependent resistor como o pr prio nome indica um dispositivo sens vel luz que v a sua resist ncia alterar quando sobre
27. forma o fotod odo converte luz em corrente el ctrica A intensidade de luz e a corrente obtida s o lineares como se pode observar pela Figura 3 18 OQ Medidor de Corrente Luminosidade a b Figura 3 18 Linearidade entre a intensidade de luz e a corrente produzida Os fotod odos s por si podem n o produzir corrente suficiente para ser interpretada por um circuito Normalmente s o utilizadas fontes externas e o fotod odo deve ser inversamente polarizado Figura 3 19 No escuro uma pequena corrente atravessa o dispositivo No entanto ao ser iluminado o fotod odo atravessado por uma corrente mais elevada O circuito mostrado na figura utiliza a fonte de tens o para aumentar a corrente Para calibrar o circuito costume utilizar uma resist ncia em s rie com o fotod odo Figura 3 19 Poss vel montagem para medir a intensidade de luz adaptado de Scherz 2000 48 3 2 1 3 Fototrans stor Fototransistores s o trans stores sens veis luz Um fototrans stor comum consiste num transistor bipolar mas com uma rea sens vel luz em vez do terminal base No escuro praticamente n o existe corrente a percorrer o dispositivo do colector para o emissor No entanto ao iluminar o dispositivo criada uma corrente de base o que faz com que haja uma corrente muito maior do colector para o emissor Figura 3 20 Fot es O Dip lo O Lacuna criada Electr o livre Fluxo de electr es
28. is receiving a bigger amount of light To the axis N S the idea is exactly the same So if the four devices are receiving the same amount of light the sensor is perfectly aligned Figure 5 device N lt device E device W mp device S Figure 5 Illustration of the sensor In order to choose the best device to integrate the sensor several tests were made The photo sensitive devices commonly used in this kind of applications are photoresistors LDR s photodiodes and phototransistors One of the tests consisted on the comparison of the three referred devices when illuminated by a 120W lamp with adjustable intensity as shown in the Figure 6 Figure 6 Picture of the test The test consisted on acquiring data from the three devices simultaneously from the luminosity of a dark room to the maximum of the lamp and then back to the dark By the ease of the assembly it was chosen to use a voltage divider to read the value acquired by each device as shown in the Figure 7 116 Figure 7 Assembly of the three devices In order to read the value of the luminosity acquired by each device it was used an Arduino a single board microcontroller and a software for programming it This tool uses a 10 bit analog to digital converter ADC which means that when the device has no incident light at all will correspond to a value of 1023 On the other hand a value of O will correspond to the maximum amount of lig
29. luz O seguimento astron mico baseia se no conhecimento pr vio do movimento do sol relativamente posi o do seguidor na Terra Este tipo de seguimento envolve c lculos e o conhecimento de coordenadas geogr ficas e temporais O seguimento com sensores de luz baseado em informa o proveniente dos sensores n o sendo necess rios quaisquer conhecimentos pr vios acerca da posi o do sol ou da estrutura de seguimento Em cada uma das tecnologias de seguimento existem erros e custos associados No decorrer deste trabalho v o ser explicados em pormenor alguns dos erros associados a cada uma das tecnologias Esta compara o permitir demonstrar que a tecnologia que utiliza sensores de luz tem menos erros associados embora possa n o ser uma solu o robusta para todas as situa es O objectivo deste trabalho o desenvolvimento de um sensor de luz para seguimento solar A par deste sensor suposto tamb m o desenvolvimento de um sensor preciso para efeitos de testes tais como avaliar o desempenho do seguimento 10 1 3 Contribui es Para o desenvolvimento deste trabalho foram desenvolvidas as seguintes aplica es e Sensor de luz para seguimento solar e Sensor de alta precis o com Interface para o utilizador Foi desenvolvido um sensor de luz com fins comerciais que utiliza uma placa de aquisi o de dados anexo II programada e preparada para ler quatro dispositivos fotossens veis e comunicar po
30. milh es de toneladas por segundo sendo contudo necess rios ainda v rios milh es de anos para perder 0 000001 da sua massa actual Ramage 2003 Por outro lado segundo Volker Quaschning anualmente cerca de 1 08 x 1018 KWh de energia solar atinge a superf cie terrestre sendo este valor cerca de 10 mil vezes superior procura anual mundial de energia prim ria Quaschning 2005 Ou seja bastaria utilizar uma pequen ssima parte da energia solar que atinge o nosso planeta para satisfazer a procura energ tica total da humanidade Assim sendo o sol pode ser considerado uma fonte que para al m de inesgot vel e abundante tamb m uma fonte limpa pois n o poluente o que nos dias de hoje uma prioridade quando se fala em fontes de energia Existem diversas tecnologias que utilizam a energia solar tais como a energia solar t rmica ou a energia solar fotovoltaica entre outras A energia fotovoltaica revela se como uma das solu es mais eficientes devido ao seu longo ciclo de vida baixa manuten o que requer ao funcionamento silencioso e vasta gama de configura es que possibilita A energia fotovoltaica pode estar presente em aplica es de miliwatt como por exemplo em pequenas m quinas de calcular ou em aplica es de muitos Megawatt de pot ncia em grandes centrais Desde 2004 os mercados fotovoltaicos t m se desenvolvido rapidamente na Europa nomeadamente em pa ses como a Alemanha Es
31. nos A DR RR ea 77 Freura 4 3 Potogratia do Ci A DES eine aois easa A 78 Figura 4 6 Andamento temporal no eixo horizontal ooooooooonoononononononnnnnnnnnnnnonononnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnoss 19 Figura 4 7 Andamento temporal no eixo horizontal com a traject ria real do sol 19 Figura 4 8 Pormenor do ajuste de POSI O sive resina acres au 80 Figura 4 9 Andamento temporal no eixo vertiCal ooooooooooonononononononononnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnononnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnos 80 Figura 4 10 Andamento temporal no eixo horizontal com a traject ria real do sol 81 Figura 4 11 Pormenor do ajuste de posi o no eixo vertical ccccccccccnnnnonononoonnnccnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnos 81 Figura 4 12 Fotografia do c u no momento do testi saga I LI oras iads 82 Figura 4 13 Andamento temporal no eixo horizontal ooooooooonnnonoooonooooonnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnononnnnnnos 83 Figura 4 14 Andamento temporal no eixo vertiCal oooooooooononooonooooooooonnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnononnnnnnnnos 83 Figura 4 15 Fotografia do c u no momento do teste oooooooooconooooocnnnnnononnnnnnnnnnnononnnnnnnnnnnnnnnnnnnonnnnnnos 83 Fig ra 4 16 Efeito das nuvens No eixo Vertical ee 84 Figura 4 17 Efeito das nuvens no eixo horizontal oooooonnnnonnooooooooonnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnonononnnnnnnnos 85 Figura 4 18 Compara o com o movimento efectuado e a traject
32. rel gio para haver erro na posi o desejada A posi o medida tal como ja foi referido tem v rios erros associados tais como erros no sensor de gravidade ou provenientes da n o uniformidade da Terra Idealmente esta seria a posi o do seguidor mas na realidade n o Na realidade esta a posi o do sensor de gravidade e com erros Para se obter a posi o do seguidor tem de se ter em conta a posi o do sensor relativamente estrutura e a posi o da estrutura relativamente superf cie terrestre A posi o ideal uma composi o entre a posi o desejada e a posi o medida Mesmo admitindo que n o existem erros nestes c lculos h uma propaga o dos erros anteriores o que faz com que a posi o 20 ideal te rica que faria com que o seguidor estivesse perfeitamente orientado para o sol dificilmente seja igual posi o ideal obtida por este meio Para finalizar o procedimento de orientar a estrutura para o sol basta apenas actuar os motores de acordo com a posi o ideal obtida Ora tamb m esta ac o tem erros associados Concluindo acerca da utiliza o de seguimento astron mico fica demonstrado que esta aproxima o tem v rios erros associados dif ceis de ultrapassar o que se reflectir na precis o de seguimento do sol 2 1 2 1 2 Seguimento com sensores de luz O seguimento baseado em sensores de luz tem tamb m erros associados embora com muito menor dimens o do que ocorre
33. se P 1 25 ou seja analisando a sombra causada pelo tubo se passar luz por dentro deste o seguidor est com um erro de 1 25 ab 27 mm Figura 4 2 Ilustra o do tubo de maior precis o Para analisar a precis o da estrutura basta verificar a sombra causada pelos tubos de precis o como se mostra na Figura 4 3 Figura 4 3 Sombra causada pelos tubos de precis o a 1 b 3 Na Figura 4 3 est o demonstradas duas situa es Na Figura 4 3 a a estrutura est direccionada para o sol com uma precis o de mais de 1 enquanto que na outra situa o demonstrada Figura 4 3 b a orienta o da estrutura conta com uma precis o de apenas 3 Para a elabora o dos testes foi utilizado o sensor de precis o constitu do por uma webcam e descrito no Cap tulo 3 1 A utiliza o deste sensor tem um papel muito importante nestes testes pois quantifica o erro em graus de uma forma autom tica com uma taxa de amostragem de N segundos sendo N 76 escolhido pelo utilizador Para uma boa utiliza o deste sensor como atr s referido foi necess rio calibr lo Para calibrar o sensor foi necess rio orientar manualmente o seguidor at este ficar perfeitamente alinhado e correr o programa Matlab de modo a encontrar o centro do sol Visto que a estrutura foi perfeitamente alinhada a estrutura estar perfeitamente alinhada com o sol logo o centro do sol encontrado pelo sensor de precis o para onde a
34. sistema estiver bem orientado as quatro divis es v o estar igualmente iluminadas ou seja o feixe de luz vai estar no meio do dispositivo O objectivo ter sempre o feixe de luz no centro e caso n o esteja a orienta o do sistema deve ser ajustada O sistema descrito faz o seguimento solar em dois eixos vertical e horizontal o que faz com que seja relativamente f cil de ajustar a posi o do sistema pois tendo o fotod odo quatro divis es iguais se uma das divis es est mais iluminada do que outra o sistema deve alinhar se no sentido de 24 as iluminar igualmente Quando as quatro divis es estiverem igualmente iluminadas o sol esta centrado no sensor ou seja o sistema est bem orientado Para uma melhor percep o atente se na Figura 2 9 Este sistema conta tamb m com a presen a de um sensor noite dia sendo neste caso um fototrans stor Este sistema de seguimento solar um sistema relativamente econ mico que assegura muito tempo de vida n o exigindo muita manuten o Fotodiodo de quatro quadrantes Aberturana 74 materialopaco Feixe de luz Figura 2 9 Sensor de quatro quadrantes Roth Georgiev amp Boudinov 2004 O sistema apresentado por Liebe em 2004 semelhanca de outros sistemas de seguimento solar utiliza uma superf cie opaca como dispositivo de sombreamento mas com 217 buracos em vez de um Liebe 2004 O plano focal um sensor de pix is activos APS por exemplo um
35. teste 83 Num dia de c u muito nublado como ilustra a Figura 4 15 foi elaborado um pequeno teste de sensivelmente 15 minutos para analisar o comportamento do sensor O teste consiste simplesmente em deixar o seguidor a trabalhar normalmente a partir de uma posi o aleat ria No decorrer do teste foi observado que o seguidor aquando um aparecimento do sol entre as nuvens se movimentava no sentido de se alinhar correctamente No entanto o aparecimento de nuvens era mevit vel e quando o sol era tapado o seguidor movimentava se num sentido aparentemente aleat rio Tal facto explicado pelo facto de as fotoresist ncias serem sens veis tamb m radia o indirecta o que faz com que o sensor se queira movimentar no sentido da maior radia o sentida Para ilustrar esta situa o optou se por ilustrar a diferen a de luminosidade entre os dispositivos nos dois eixos e a traject ria do seguidor nesse eixo Come ando pelo eixo vertical atente se na Figura 4 16 Na Figura 4 16 ilustrado o valor relativo de luminosidade dos sensores N e S bem como o Intervalo precis o utilizado neste exemplo a verde Como se pode observar pelas duas figuras que devem ser consultadas em simult neo quando o valor relativo de luminosidade sai do intervalo admiss vel o seguidor ajusta a traject ria Ora esta conclus o tinha sido j tirada quando se descreveu o funcionamento do sensor No entanto neste exemplo h que reparar que o
36. um ACK envia mais uma sequ ncia de dados mas se recebe um NACK envia uma sequ ncia STOP terminando desta forma a comunica o RAN 1 a Receiving Address Transmitting Data NACK spa 1 1__ ATXABX ASX ASAS KAZ KAT _ D7X DEX DSK D4X D3 2X01 KOO I Sct AAA ADD ANAA _ AAA AANA I I I I I d I I I I I d I I I k k E Acknowledge Acknowledge START Clock Clock STOP Figura 2 23 Exemplo de leitura do pic18f4420 datasheet Tal como ja foi anteriormente dito a sequ ncia de leitura come a com uma sequ ncia Start enviada pelo Master Em seguida tal como no exemplo de escrita o Master envia o endere o nos sete primeiros bits mas desta vez o oitavo bit vem a 1 pois a ac o pretendida uma leitura O Slave recebendo esta sequ ncia e verificando que o endere o pretendido coincide com o seu envia um bit ACK Por esta altura permitido ao Slave parar a linha de clock de forma a ter tempo de organizar a informa o pretendida e a preencher a buffer de sa da com a informa o pretendida Com tudo organizado o Slave solta a linha de clock e nos oito clocks seguintes s o enviados os oito bits de dados O Master sendo o dispositivo receptor envia um ACK se desejar receber mais uma sequ ncia ou um NACK no caso contr rio Caso seja um Nack o Master envia tamb m um bit STOP terminando desta forma a comunica o 34 3 Desenvolvimento dos sensores de luz
37. valor relativo de luminosidade sai v rias vezes do limite admiss vel e em ambos os sentidos Este o efeito das nuvens Andamento temporal da direc o no eixo vertical 100 200 300 400 500 600 700 800 Tempo s Andamento temporal do valor dos sensores E N S S limits Ga a wo w oO A E m gt O 100 200 300 400 500 600 700 a00 Tempo s Figura 4 16 Efeito das nuvens no eixo vertical Ao observar a Figura 4 16 vis vel que a estrutura se movimenta em ambos os sentidos e obviamente esta n o a traject ria do sol Este fen meno consequ ncia do facto de as fotoresist ncias serem sens veis tamb m a radia o indirecta 34 Tal como no eixo vertical tamb m no eixo horizontal acontece este fen meno como pode ser observado na Figura 4 17 Andamento temporal da direc o no eixo honzontal E o a 4 he un SS d gt ue A An 4 400 450 SD 550 600 650 700 750 600 650 Tempo 8 Visb Andamento temporal do valor dos sensores sensores V Valor dos 100 400 450 500 550 600 650 700 750 a00 550 Tempo Figura 4 17 Efeito das nuvens no eixo horizontal Como se pode observar pela Figura 4 17 o seguidor movimenta se quando a diferen a entre os sensores E e W maior do que o admiss vel Ao observar o movimento do seguidor vis vel que mesmo quando o valor relativo dos sensores est fora dos limites este permanece parado por uns momentos
38. 0 O m The urn av ac lampada 5 Figura 3 29 Teste varia o de intensidade de luz com uma resist ncia de 5000 Com este teste pode se concluir sensivelmente o mesmo do que no anterior embora as respostas dos dispositivos reflictam uma menor sensibilidade dos mesmos uma vez que utilizam uma menor parte da sua gama 3 2 2 1 4 Conclus o acerca do teste de varia o de intensidade de luz O fototrans stor tem uma resposta muito brusca varia o de luz O seu valor muito alto at um certo valor de luminosidade e a partir desse valor passa a ser muito baixo Pode ser muito til para certas aplica es por exemplo para saber se o dispositivo est a ser iluminado ou n o Por outro lado o fotod odo tem uma resposta com muito ru do e varia pouco com o n vel de luminosidade A fotoresist ncia tem uma resposta muito suave e varia em quase toda a sua gama de valores A resposta muito boa quando se utiliza quer uma resist ncia de 1KQ quer uma resist ncia de 5000 Observando o aspecto das curvas a fotoresist ncia com uma resist ncia de 5000 parece ter uma resposta mais suave no entanto foi escolhido o valor de 1K Q pois ocupa uma maior gama o que se traduz numa maior precis o Por outro lado a gama em que a resposta pouco linear uma gama de pouca luminosidade 0 300 lux o que numa aplica o em que o objectivo o de fazer seguimento solar uma detec o precisa desta gama n o crucial Par
39. 00oooooooooocooooooooonnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnos 25 Figura 2 11 Esquema do sensor utilizado Bingol Altinta amp Oner 2006 oooooonnccncccccncccnnnnnnnnnnnnoo 26 Figura 2 12 Fotografia dos sistemas de seguimento solar e estacion rio Bingol Altinta amp Oner 2 OOO a e RR ai nada 26 Figura 2 13 Esquema do sistema Oliveira 2008 00u00uu000 akku 21 Figura 2 14 Fotografia e esquema do sensor www greenmountainengineering com 27 Figura 2 15 Esquema de disposi o de sensores cccccccccnnnononononccnncnnnnnnnnnnnononnnononnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnonnnnns 28 Fisura 2 16 Esquema de disposicao de SENSORES neresi a a es 29 Figura 2 17 Esquema de disposi o d SENSORES erreien E ates 29 Figura 2 18 Procura do centro do sol atrav s de um programa Matlab b useeeeeeeeeeeeeeeeeeeessnes 30 Fig ra 2 10 Robotica Sun Gravity Control ei er 31 Figura 2 20 Esquema exemplificativo da comunica o DC eeeeeeeeenennenennnennnrenrrnrrrnrrernnnnnnnns 32 Figura 2 218 SEQUENCIAS Starte SLOP eek 33 Figura 2 22 Exemplo de escrita no pic18f4420 datasheet ooooooonnnnnnnnnoooonooononcnnnnnnnnnnnnnnnnnnnonoss 33 Figura 2 23 Exemplo de leitura do p c18f4420 datasheet oooooooonnnnnnnnnoooooononcnonononnnnnonononononononoss 34 Figura 3 1 a Webcam eFace1300 b Sensor de precis o sisean aneas ana asa asa ana ds a ana a 35 Figura 3 2 Efeito da convers o pa
40. 1400 16000 Tempo Figura 4 29 Andamento temporal no eixo vertical No caso do movimento vertical a vari vel precis o escolhida foi demasiado pequena o que faz com que haja por um lado ajustes de posi o muito frequentes e por outro oscila es da estrutura como se pode observar pela Figura 4 29 O facto de haver ajustes de posi o muito frequentes f cil de perceber pois se o Intervalo admitido pequeno basta que a diferen a dos sensores seja um pouco diferente para querer ajustar a posi o J o facto de haver oscila es tem a ver com a recta de precis o apresentada anteriormente que se reproduz na Figura 4 30 a Precis o 9 _________ pi p2 gt A B D Figura 4 30 Recta de precis o Imagine se que a vari vel Precis o foi definida como sendo de apenas dois valores Se num determinado momento do dia o sensor N est mais iluminado que S o valor de N ser menor que o valor de S Imagine se ent o que N menor que S em tr s unidades Esta situa o corresponde zona A ilustrada na Figura 4 30 pelo ponto P1 Se o ponto est na zona A o seguidor vai mover se no sentido de p r o ponto na zona X No entanto mal o seguidor se move o sensor S fica mais iluminado em quatro valores correspondendo ent o zona D ilustrada na figura pelo ponto P2 o que faz com que o sistema se tente alinhar com X Esta situa o acontece quando o intervalo
41. 3 a percept vel qual o componente correspondente ao sol tanto pela forma arredondada como pelo tamanho pois se o maior objecto significa que a maior rea com um elevado n vel de claridade na imagem original Assim sendo neste caso n o necess rio aplicar filtros de mediana o que atrasa muito o processo de procura do sol No entanto necess rio ter acesso s caracter sticas dos componentes Para se poder ter acesso s caracter sticas dos componentes necess rio tratar a imagem como um conjunto de objectos pois at agora a imagem foi tratada apenas como imagem Para tal necess rio percorrer toda a imagem bin ria de forma a detectar todos os componentes ligados Os pix is que tiverem o valor O ou seja os pix is a negro ficar o com a marca 0 Os que tiverem o valor 1 ou seja os pix is brancos come ar o a ser marcados com a marca 1 Todos os pix is brancos adjacentes ao primeiro ficar o tamb m com a mesma marca Quando for encontrado um pixel branco que n o seja adjacente aos marcados com a marca 1 ser marcado com a marca 2 e assim sucessivamente Ou seja todos os componentes ligados ser o marcados Figura 3 4 Figura 3 4 Esquema da marca o dos componentes ligados 37 Como se pode observar pela Figura 3 4 se a imagem Figura 3 4 a for a imagem bin ria com tr s objectos brancos ap s detectar todos os componentes ligados a nova imagem ser a ilustrada na Figura 3 4 b que
42. 4 Sensor baseado em compara o de dispositivos Uma outra hip tese ser juntar as duas aplica es e desenvolver um sensor como o que se mostra na Figura 3 35 b 60 Figura 3 35 Duas hip teses para sensores a com um fototrans stor b Com um fototrans stor e quatro fotoresist ncias 3 2 3 Placa de aquisi o de dados Para o desenvolvimento de um sensor de luz necess rio que este seja capaz de ler dispositivos fotossens veis tais como fotoresist ncias fotodiodos ou fototransistores Como foi referido anteriormente a aquisi o de informa o da intensidade de luminosidade que est a incidir em cada dispositivo fotossens vel vai ser feito atrav s da medi o da queda de tens o na resist ncia que est em s rie com o dispositivo Ora sendo a queda de tens o um valor cont nuo e sendo necess rio que essa Informa o seja tratada por um dispositivo digital necess rio que haja um conversor anal gico digital Ou seja necess rio que o sensor tenha entradas para o conversor anal gico digital tamb m chamadas entradas anal gicas O sensor a ser constru do deve portanto possuir entradas anal gicas pelo menos tantas como o n mero de dispositivos que se deseja ler Por outro lado para o sensor ser utilizado pela rob tica da WS Energia este deve ter comunica o DC Para preencher tais requisitos decidiu se optar pelo PIC 1814420 que conta com treze entradas dispon veis para o conversor a
43. 5 Fieura 342 Exemplo de testultado do testeado 66 Figura 3 43 Gr fico dos sensores n o CalibradoS oooooonooconononooooooooonnononnnnnnnnnnnnnnononnnnnnnnnnnnnononnnnnnnnos 67 Figuras 44 Grafico dos sensores cal brad ee ee u 67 Figura 3 45 Sensores antes e depois de aalibradosa aaa i 68 Figura 3 46 Sensores antes e depois de calibrados na zona de maior luminosidade 68 Fisura 3 47 ESQUEMAS press a a rr 69 Figura 3 48 Esquema da ordem a enviar ao MOtOT oooooooocooooooocnnnnnnnononnnnnonnnnnnnnnnnnnonnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnoss 70 Figura 3 49 Valor relativo de luminosidade nos dois eixos 00ooooooocccoocnnnnnnnnnnnnnnnnnnonononononnnnnnnnnnnnnnnnnnnnos 71 Figura 3 50 Valores de Este vermelho e Oeste azul na ae a aa T2 Figura 3 51 Valores de Norte azul e Sul vermelho ooooccccccnnncccnccononononononnnccnnnncnnnnnnnnnnnononnnnnos 72 Figura 3 52 Ilustra o do efeito directo das vari veis de preciSdO ooooooocoocoooooconnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnononoss 73 Figura 4 1 a Imagem do seguidor b Tubos de precis o ooooocococoooooocnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnonnnnnnnnos 75 Figura 4 2 Ilustra o do tubo de maior precis o ceeeesssseeecccececcceccacaaeesesssseseeeecceeeeeeeeeeeaaaaaeesssees 76 Figura 4 3 Sombra causada pelos tubos de precis o a 1 b 3 cce erre eram 16 Figura 4 4 Sensor da webcam calibrado manualmente a visto no sensor de precis o b visto
44. 50 550 Time s Figure 19 Test made with the sun shining with the real path of the sun horizontal axis The same procedure has been done to the vertical axis as can be seen in the Figure 20 0 100 200 300 400 500 60 700 600 Time s Ret Figure 22 Test made in a cloudy day vertical axis B error After this test it s possible to conclude that the light sensor soy u in cloudy days is far from being perfect It moves to the direction where the amount of illumination is higher but this direction in cloudy days is always changing which makes these movements too frequent as it can be seen in the Figure 21 There are some techniques to avoid the frequent move of the actuators by moving just when the amount of illumination is higher than a certain value Its performance increases but comparing to the astronomical approach the tracking error 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 might be higher Time 5 Figure 20 Test made with the sun shining with the real path of the sun vertical axis 120 6 OTHER SYSTEMS Several sun tracking systems were made using several different technologies and as it can be seen in the Table 3 better accuracies can be reached when the light sensor tracking is used Approach Precision Author degrees 0 05 0 2 Kalogirou S A Z M Astronomical 10 Khlaichom P Sonthiermpoon K Table 3 Comparison between the two approaches 7 CONCLUSIONS
45. 7 No presente cap tulo apresentado o sensor de precis o sensor baseado em processamento de imagem utilizando uma webcam Neste capitulo pode tamb m encontrar se para al m de uma breve descri o de dispositivos sens veis luz tais como fotoresist ncias fotodiodos e fototransistores o resultado de v rios testes comparando os referidos dispositivos em v rias situa es com o intuito de escolher o dispositivo mais Indicado para o desenvolvimento de um sensor 3 1 Sensor de precis o 3 1 1 Dispositivo utilizado Para a elabora o de um sensor de precis o considerou se um sensor baseado em Machine Vision sendo utilizada uma webcam da marca Genius modelo eFace 1300 mostrada na Figura 3 1 a Na Figura 3 1 b encontra se o sensor de precis o j montado na estrutura de seguimento gt a Figura 3 1 a Webcam eFace1300 b Sensor de precis o b O objectivo deste sensor nao fazer o seguimento solar mas sim avaliar o desempenho de outros sensores A Webcam estar acoplada a estrutura de seguimento Figura 3 1 b de modo a estar direccionada da mesma forma que a pr pria estrutura O objectivo deste sensor ap s captar uma imagem do c u encontrar o centro do sol atrav s de t cnicas de processamento de imagem Idealmente o sensor estar perfeitamente alinhado com a estrutura de seguimento o que significa que o ponto para onde esta est direccionada corresponder ao centro da imagem Dest
46. Ar S 20 T eh I 97 LUIJ Aa LUS Figura 3 42 Exemplo de resultado do teste De modo a garantir que os componentes sejam o mais id nticos poss vel para al m de se escolherem os mais parecidos conv m proceder tamb m a uma calibra o b sica Para proceder a esta ac o foi feito um quadro que mostra para diferentes n veis de luminosidade os valores dos diferentes dispositivos Tabela 3 Tabela 3 Tabela de valores dos dispositivos a diferentes n veis de luminosidade Dispositivo N vel N vel N vel N vel N vel N vel il 2 3 4 5 6 A calibra o referida consiste em encontrar a transforma o linear que aproxima a resposta da fotoresist ncia resposta desejada no sentido dos m nimos quadrados A resposta desejada consiste na 66 m dia entre os valores das fotoresist ncias para cada eixo ou seja para calibrar o dispositivo N assim como o S encontrou se a transforma o linear que aproxima a sua resposta resposta m dia entre N e S sendo aplicado o mesmo racioc nio para os dispositivos E e W AX sx PS Ni4 JJ A I e e E m A lt P Ls I W 5 o ar E on f s J u a q as o ait 4 gt d A rm F som J 1000 ee 1 eN 4 d de 4 4 1 15 2 25 j 4 45 5 55 b veis de saudade Figura 3 43 Gr fico dos sensores n o calibrados Com os valores dispon veis foi feita a m dia entre eles para todos os n veis de luminosidade sendo
47. Both astronomical and light sensor based approaches have advantages and disadvantages There are many sources of error when using the astronomical approach which makes the accurate tracking very difficult to do It is good enough when applied to PV systems which are not very critical in terms of accuracy When the aim is to be applied to concentrating systems which require about a half degree of accuracy the use of a light sensor is preferable These systems can easily achieve this range of accuracy as long as it is used in days where the clouds are not frequently in front of the sun REFERENCES Abdallah S 2003 Two axis sun tracking system with PLC control Davies PA 1993 Sun tracking mechanism using equatorial and ecliptic axes Kalogirou 1996 Design and construction of a one axis sun tracking system Khlaichom P Sonthipermpoon K 2006 Optimization of solar tracking system based on genetic algorithms Lee C 2009 Sun tracking systems A review Lynch WA Salameh ZM 1990 Simple electro optically controlled dual axis sun tracker Mouzadeh H 2008 4 review of principle and sun tracking methods for maximizing solar sytems output 121 122
48. PARISON ASTRONOMICAL AND LIGHT APPROACHES BETWEEN SENSOR 4 1 Astronomical approach The astronomical approach is based on the information of a gravity sensor This sensor is supposed to point to the center of the planet However there are some possible errors associated to the use of this sensor As it can be seen on the Figure 13 if there is for example a big rock nearby it can induce errors on the measurement of the sensor gravity sensor Real gravity vector Ideal gravity vector Figure 13 Error associated to the use of gravity sensor Other sources of error hard to suppress are the orientation of the structure itself and the position of the robotic box which contains the gravity sensor These errors are illustrated on the Figure 14 Real orientation gt Ideal orientation Figure 14 Errors associated to the implementation of the system Associated to the calendar clock and the equations there are also possible errors As it can be seen in the Figure 15 there are several possible errors that can lead to a bad accuracy of the tracker Time Earth Connection tothe structure Connection of the structure to the Earth Figure 15 Error propagation chain of the astronomical approach The desired position can be found by solving equations with information from the clock As it was already said this calculation may not be perfect The measured position of the tracker i
49. Scherz 2000 cccccccccncnnnnnnooooncnccnnnnnnnnnnnnnnnnnonnnnnnnnnnnnnnncnnnnnnnnnnnos 47 Figura 3 17 Esquema de funcionamento do fotod 0dO oooooooocoonoooonnnnnnnnnnnnnnnnnonnnnnnnnonnnnnnnonononnnnnnnos 48 Figura 3 18 Linearidade entre a intensidade de luz e a corrente produzida eeeeeeeeeeeeeeeeeeeeenenee 48 Figura 3 19 Poss vel montagem para medir a intensidade de luz adaptado de Scherz 2000 48 Figura 3 20 Esquema de funcionamento do fototrans stor oooooooocooonooconnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnononnnnnnnononoss 49 Figura 3 21 Poss vel montagem para medir a intensidade de luz Scherz 2000 49 Figura 3 22 Esquema de montagem a fototransistor b fotoresist ncia c fotod odo 50 Preta 3 23 Arduino Arduino 20 O bucal iso 51 Figura 3 24 Associa o gr fica entre os valores dos dispositivos e do lux metro ooooooocononcnconnnnnnnnos 52 Figura 3 25 Montagem para fazer a aquisi o de dados atrav s do Arduino ieeeeeeeeeeeeeeeeeeeeenenee 53 Figura 3 26 Teste varia o de intensidade de lUZ oooooooooocncocononnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnonnnnnnnnnss 54 Figura 3 27 Teste varia o de intensidade de luz com uma resist ncia de 10K0 54 Figura 3 28 Teste varia o de intensidade de luz com uma resist ncia de IKN 0 55 Figura 3 29 Teste varia
50. Sistemas com dispositivos fotossensiveis simples Enquadram se neste grupo os sistemas que utilizam sensores constituidos por dispositivos fotosensiveis simples sejam eles fotoresist ncias fotodiodos ou fototransistores Estes sistemas podem ser constituidos por um ou mais destes dispositivos Geralmente quando utilizado apenas um dispositivo o objectivo fazer o seguimento solar atrav s de apenas um eixo sendo utilizada uma sombra para o sistema saber se deve rodar ou manter se inst vel Kalougirou 1996 Oliveira 2008 Podem por outro lado ser utilizados dois dispositivos fotossens veis simples para seguimento num eixo De acordo com a disposi o destes dois dispositivos fotossens veis pode se ainda dividir em dois sub grupos segundo o modo como forem posicionados Mousazadeh Keyhani Javadi Mobli K amp Sharifi 2009 e Sensores directamente direccionados para o sol e Sensores com um desfasamento angular entre si 2 2 1 1 Sensores directamente direccionados para o sol Figura 2 15 Esquema de disposi o de sensores S o utilizados dois dispositivos fotossens veis simples directamente direccionados para o sol mas com um dispositivo entre eles de maneira a fazer sombra a um ou a outro quando est mal orientado e assim ser f cil de detectar que se deve rodar e para que lado Huang amp Sun 1996 Na Figura 2 15 est representado este conceito da disposi o dos sensores Pode se observar a vermelho os raios d
51. The use of this filter has shown to be very useful also for the performance of the sensor software in the way that it filters almost all the image except the sun which is exactly the desired Knowing the point where the system is pointing to red point and the center of the sun green point it is possible to find the tracking error of the system in pixels Figure 4 To know the tracking error in degrees as desired a simple matching was done It was found that 51 pixels correspond to 3 69 So assuming linearity in all the image which is not completely true it can be concluded that 1 pixel correspond to 0 07 or in other words this sensor has a precision of 0 07 degrees Error_x 480 pixel 34 79 640 pixel gt 46 3 Figure 4 Illustration of tracking error in both axes From the Figure 4 it is also visible the range of the sensor 34 7 in the vertical axis and 46 3 on the horizontal one If the sun is out of the range of the sensor or behind some clouds it cannot be found 3 DEVELOPMENT OF A LIGHT SENSOR To develop a light sensor to track the sun in two axes it was decided to use four photo sensitive devices of a kind to compare the amount of light in each pair The scope of this comparison consists on the fact that if the device E and W are receiving the same amount of light the sensor is well oriented to the sun in the E W axis Otherwise the tracker shall turn to the side of the device that
52. UK Simplonpass CH Rovaniemi FI Figura 2 1 Compara o de tipos de seguimento na Europa Thomas Huld n d Observando o gr fico chega se conclus o que a estrutura de eixo horizontal com orienta o E W tem uma ligeira vantagem sobre o sistema fixo excepto em zonas fortemente sombreadas Simplonpass mas raramente chega a 10 Uma estrutura de eixo horizontal com orienta o N S tem melhor desempenho em todos os casos estudados resultando num ganho de energia de 10 20 face ao sistema fixo Uma melhoria substancial observada quando se opta por uma estrutura polar ou de eixo de rota o vertical com o painel com a inclina o ptima Finalmente a estrutura com dois eixos de rota o tem um desempenho id ntico estrutura polar embora sempre ligeiramente superior Como mostrado por Huang Huang amp Sun 1996 comparado com um painel fixo com uma Inclina o igual latitude local um sistema de seguimento em dois eixos pode aumentar a gera o de energia em cerca de 41 enquanto que um sistema de seguimento em apenas um eixo pode ter melhorias na ordem dos 36 Uma vez que a op o de utilizar dois eixos em vez de um implica uma maior complexidade e conforme demonstrado as melhorias no desempenho n o s o assim t o significativas para uma aplica o de pain is fotovoltaicos simples seria aconselh vel optar por uma estrutura de seguimento de um eixo sendo que este seria inclinado eixo polar A mesma o
53. UNIVERSIDADE NOVA DE LISBOA Faculdade de Ci ncias e Tecnologia Departamento de Engenharia Electrot cnica SENSOR DE DIRECCAO LUMINOSA PARA SEGUIMENTO SOLAR Por David Coimbra da Costa Gomes Disserta o apresentada na Faculdade de Ci ncias e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para a obten o do grau de Mestre em Engenharia Electrot cnica e de Computadores Orientador Doutor Jo o Martins Co Orientador Doutor Lu s Miguel Pereira Pina LISBOA 2010 II Agradecimentos Gostaria de expressar a minha gratidao a todas as pessoas que directa ou indirectamente me ajudaram na execu o desta tese Agrade o em primeiro lugar ao meu orientador professor Doutor Jo o Martins por todo o acompanhamento e orienta o no decorrer do trabalho pelas importantes sugest es feitas bem como pelo material disponibilizado Deixo tamb m uma palavra de agradecimento ao Doutor Lu s Pina por toda a orienta o feita desde o primeiro dia e pelo important ssimo papel que teve no decurso de todo este trabalho Um obrigado tamb m empresa WS Energia S A bem como a todos os seus colaboradores pela ptima recep o e colabora o Last but not least gostaria de agradecer minha fam lia e amigos em especial aos meus pais e s minhas irm s Diana e Rita HI IV Indice MPAA Ve CICLOS uniao ns ua aaa a O HI ndice de Figuras RD IX Indice de Ei immi XII BSS TIO PRA ERR A PD ee ERRO A PNR RR ER XV
54. a 3 40 a Esquema do sensor b fotografia do sensor montado na estrutura As fotoresist ncias encontram se a meio de cada uma das faces como representado na Figura 3 40 No interior encontra se o PIC 1814420 que faz a aquisi o de dados de cada um dos dispositivos A partir do PIC sai um cabo composto por quatro fios dois de alimenta o e dois para a comunica o DC como ilustrado na Figura 3 41 gt 3v3 10uf gt q N 3v3 13v3 3v3 1K 1K wl 21K 10K 343 OS LOR N LORW LORS LORE a b Figura 3 41 a Esquema interior do sensor para seguimento b esquema de ligac es 65 Uma vez que o funcionamento deste sensor se baseia na compara o dos seus valores de luminosidade crucial que estes sejam id nticos Para efectuar tal escolha foram feitos v rios testes com os dispositivos dispostos ao sol A Figura 3 42 mostra o resultado de um teste com a dura o de um minuto e como se pode observar existem quatro fotoresist ncias cuja resposta id ntica mas duas em particular intituladas LDR2 a vermelho e LDR4 a preto cujas respostas s o extremamente parecidas tendo sido estas escolhidas para incorporar o sensor num dos eixos Para o outro eixo procedeu se a testes semelhantes dos quais resultaram mais duas fotoresist ncias extremamente parecidas As fotoresist ncias s o muito semelhantes duas a duas o que n o implica que sejam as quatro id nticas LORI qm h od i ENT Ee a
55. a forma se o centro da imagem coincidir com o centro do sol a estrutura estar perfeitamente alinhada Caso contr rio 35 este sensor capaz de disponibilizar ao utilizador o ngulo de erro tanto vertical como horizontal podendo avaliar desta forma o desempenho de outros sensores e at ser utilizado para calibra es 3 1 2 Modo de funcionamento 3 1 2 1 Procedimento para encontrar o Sol Para conseguir detectar o sol numa imagem s o necess rios v rios procedimentos O primeiro consiste em passar a imagem do formato original por exemplo RGB para uma imagem bin ria ou seja com apenas duas cores preto e branco Para tal necess rio converter a imagem original numa imagem de intensidades de claridade ou seja numa imagem em escalas de cinza e definir um limite de claridade Este limite de claridade o valor que faz a distin o entre o preto e o branco pois todos os n veis de luminosidade menores do que o limite ficar o a preto valor 0 e os maiores ficar o a branco valor 1 Como exemplo atente se na Figura 3 2 a b Figura 3 2 Efeito da convers o para uma imagem bin ria Como se pode observar pela figura ap s converter a imagem original Figura 3 2 a numa imagem bin ria Figura 3 2 b com um limiar muito alto na ordem dos 99 os pix is que permanecem a branco s o muito poucos No entanto o sol n o est ainda encontrado pois de facto est a branco mas tamb m est o a branco reflexo
56. a pelas fotoresist ncias de sulfeto de c dmio Para se poder medir a luz utilizando um microcontrolador necess rio converter a resist ncia da LDR em tens o para que o conversor A D anal gico digital a possa medir Para tal utiliza se uma montagem muito simples que d pelo nome de divisor de tens o Esta montagem para al m de ser muito simples de efectuar torna tamb m muito simples a medi o da luz atrav s da medi o da tens o Vout A montagem tal como se mostra na Figura 3 15 a faz com que Vout Seja inversamente proporcional a luz incidente na LDR isto quanto mais intensa for a luz incidente menor o valor de Vout Ou seja se a luz incidente na LDR aumenta a sua resist ncia diminui Por sua vez se a sua resist ncia diminui a tens o de sa da Vout tamb m diminui Figura 3 15 b Ou seja se a luz incidente aumenta Vout diminui logo Vout inversamente proporcional luz incidente 46 a b Figura 3 15 a Esquema do divisor de tens o b curva da tens o V em ordem ao valor de R Para um bom n vel de precis o deve se ter aten o ao valor da resist ncia R pois o valor desta resist ncia vai ter muita influ ncia na precis o da leitura do valor de Vout logo da luminosidade Para ter a maior precis o poss vel deve se ter a maior varia o poss vel dentro dos n veis de luz a que o dispositivo vai estar sujeito 3 2 1 2 Fotodiodo O fotod odo cujo s mbolo pode ser observado
57. a s ntese acerca da tecnologia utilizada na empresa assim como uma pequena introdu o ao protocolo necess rio para a comunica o entre o sensor a ser desenvolvido e a rob tica existente 2 1 Sistemas de seguimento solar Conforme referido na introdu o a utiliza o de um sistema de seguimento solar tem o efeito de um aumento substancial da energia quando comparado com o da utiliza o de um sistema est tico Com os avan os da tecnologia mais especificamente no campo do controlo de sistemas observado nas ltimas d cadas os custos associados electr nica e mec nica de estruturas de seguimento solar foi sendo reduzido o que se traduz num aumento em quantidade e qualidade de estruturas de seguimento solar com o fim de aumentar a efici ncia dos sistemas fotovoltaicos Um sistema de seguimento solar consiste num sistema capaz de seguir a traject ria do sol Pode ser utilizado em aplica es fotovoltaicas ou em qualquer outra tecnologia que tenha melhor desempenho quando devidamente orientada para o sol No caso das aplica es fotovoltaicas os sistemas de seguimento solar s o utilizados de modo a que haja uma maior incid ncia de raios solares perpendiculares superf cie do m dulo aumentando desta forma o rendimento 2 1 1 Tipos de seguidores solares quanto aos eixos A orienta o do sistema pode ser feita de v rias maneiras dependendo do n mero de eixos de rota o Oliveira 2008 e Umeixo o E
58. a subir a uma elevad ssima taxa a aprova o p blica destas fontes est cada vez a decair cada vez mais Responding to climate change 2009 e a procura de energia prevista para o futuro enorme a aten o tem se virado cada vez mais para a necessidade de alterar o paradigma da produ o energ tica atrav s da substitui o das fontes de energia pois o panorama energ tico mundial claramente n o sustent vel Quaschning 2005 A substitui o de fontes de energia convencionais por outras fontes de energia tem crescido de forma consider vel nos ltimos anos Esta substitui o deve se em parte s influ ncias negativas causadas pela utiliza o dos combust veis f sseis mas tamb m devido ao facto de as suas reservas estarem a escassear Entre as propostas criadas para fortalecer o mundo onde vivemos est a energia verde energia gerada a partir de recursos ambientais renovaveis de modo a ter um panorama energ tico sustentavel S o exemplo de fontes de energia renov vel a energia e lica a energia das ondas a energia geot rmica e a energia solar entre outras 1 1 1 Energia Solar O interesse pela energia solar f cil de compreender Para al m de estar dispon vel a n vel global uma fonte de energia limpa gratuita e praticamente inesgot vel A palavra praticamente deve estar presente pois o sol na realidade n o inesgot vel Segundo Janet Ramage o sol diminui em cerca de quatro
59. a um erro de seguimento de 0 Desta forma a traject ria real do sol representada a negro na Figura 4 7 Outro aspecto que percept vel pela figura o facto de haver uns instantes por volta dos quarenta segundos em que a estrutura permanece im vel Tal facto deve se ao modo de funcionamento dos motores pois estes n o funcionam em simult neo sendo um minuto dividido em trinta segundos para o movimento horizontal e trinta segundos para o movimento vertical andamento temporal da direc o no eixo horizontal E sol precision sol sol real O 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5 Tempo 5 Figura 4 7 Andamento temporal no eixo horizontal com a traject ria real do sol De notar que a posi o real do sol a preto n o passa em todos os pontos dados pelo sensor de precis o a vermelho Tal pode ser explicado pelo facto de a recta ser uma recta aproximada e que a 19 prioridade nao passar em todos os pontos mas sim passar onde os pontos a vermelho dados pelo sensor de precisao coincidem com a rota real da estrutura a azul pois esses sao os pontos onde garantidamente o erro nulo Os restantes pontos apesar de serem pr ximos do real podem ter influ ncia quer de erros de convers o de pix is para graus quer do facto de o sensor de precis o n o estar perfeitamente alinhado com a estrutura Para uma melhor percep o da precis o do sensor atente se na Figura 4 8 na qual visto em
60. a uma aplica o em que os dispositivos estejam no exterior sujeitos a uma luminosidade id ntica as fotoresist ncias podem ter uma melhor presta o No entanto se se pensar numa aplica o por exemplo dentro de um tubo onde h apenas uma pequena abertura definindo um limite apropriado a utiliza o de um dispositivo com uma resposta mais abrupta pode trazer vantagens 56 3 2 2 2 Teste varia o do ngulo de incid ncia O teste consiste em ter a l mpada a 0 a 15 cm dos dispositivos mas desta vez com a ilumina o constante O teste tem a dura o de sessenta segundos durante os quais h uma varia o ligeira do ngulo de incid ncia de luz at aos 90 estando portanto incidindo lateralmente nos dispositivos e um retorno da l mpada at posi o inicial Figura 3 30 Figura 3 30 Imagem do teste de varia o do ngulo de incid ncia Para a elabora o deste teste foi utilizada uma l mpada de 120W com um re stato a ela associado permitindo desta forma variar a intensidade de luz Foi tamb m utilizado um sistema de suporte da l mpada com capacidade de rota o at 90 uma fotoresist ncia um fotod odo um fototrans stor e tr s resist ncias de 1KQ Para a aquisi o de dados foi utilizado o microcontrolador ATMEGA 168 O teste em quest o foi feito com o objectivo de ver a resposta varia o do ngulo de incid ncia da luz dos diferentes dispositivos A resposta desejada ser
61. ach To compare the two approaches two light sensors were developed The first one an accurate sensor based on a webcam was built to evaluate the accuracy of the tracking system On the other hand the main aim of the other sensor based on the comparison of the amount of light received by four photoresistors is to track the sun 2 DEVELOPMENT OF A PRECISION SENSOR To the development of a precision sensor a webcam Genius eFace 1300 was used Figure 2 Figure 2 Webcam used to develop the sensor 115 The main scope of this sensor is to evaluate the accuracy of the sun tracking system As it can be seen on the Figure 3 the sensor captures an image of the sky finds the center of the sun and marks it on the image green point On the other hand it also marks the point where the system is pointing to red point Figure 3 Image of the sky with the two points marked The point where the system is pointing to is the center of the image if the sensor is perfectly aligned with the tracker It is known that the screen has 640x480 pixels so the center of the image is the point 320 240 On the other hand the center of the sun is found applying a simple image processing to the picture of the sky It is the centroid of the component that corresponds to the sun in the binary image To avoid the saturation of the camera or in other words the fact that the screen becomes completely white a solar filter is used
62. ada para o sol Assumindo que os tubos de precis o n o t m qualquer erro alinha se a estrutura atrav s dos tubos de precis o e prime se a tecla Calibrate Sensor O programa vai encontrar o centro do sol e a partir desse momento vai assumir que o s tio para onde a estrutura est direccionada onde encontrou o sol A partir deste momento o sensor est calibrado Caso n o se calibre o sensor este vai ter valores por omiss o por exemplo os valores referentes ao centro da imagem que seria o s tio correcto caso o sensor estivesse perfeitamente alinhado com a estrutura Existe tamb m a possibilidade de ver a precis o com que a estrutura se direcciona para o sol tirando apenas uma amostra Premindo a tecla Take Snapshot o programa vai encontrar o centro do sol e assinalar a sua ordenada em XSun e a sua abcissa em YSun bem como o ponto para onde o seguidor est direccionado em XTracker e YTracker Tendo estes pontos o programa calcula o erro em X e Y da estrutura relativamente ao sol ficando a ordenada do erro dispon vel ao utilizador em errorX e a abcissa em errorY Para al m de disponibilizar ao utilizador estas informa es mostra tamb m Figura 3 11 a imagem captada pela c mara bem como os dois pontos de interesse o centro do Sol a verde e o ponto para onde o sistema est direccionado a vermelho Para efeitos de se estudar um sensor novo ou um novo modo de seguimento esta aplica o mostra se muito
63. aica concentradores de energia transforma o t rmica ou para dispositivos de medi o Seja qual for o tipo de aplica o o seguimento solar pode ser feito da mesma forma 22 Este cap tulo reservado apresenta o de documentos que descrevem formas de seguimento solar e mais especificamente os tipos de sensores utilizados a forma de utiliza o e ainda o respectivo desempenho Pretende se assim fazer uma an lise comparativa dos diversos tipos de sensores solares no que diz respeito ao desempenho com o fim de eleger as tecnologias mais adequadas ao que se pretende Em 1988 Greene apresenta um sistema que faz o seguimento solar segundo dois eixos Greene amp Tan 1988 O hardware do sistema consiste numa superf cie opaca separada de 32 metros de uma superficie com detectores sendo estes compostos por dois pares de sensores charge coupled device CCD sendo cada um deles composto por 256 fotod odos Quando o sol est alinhado a sua imagem no plano de imagem uma circunfer ncia mas quando se move um pouco a sua imagem passa a ser uma elipse Com os dispositivos CCD consegue se quantificar o movimento da imagem nos dois eixos e consegue se facilmente saber o deslocamento necess rio nas duas direc es para alinhar de novo o sensor com o sol Abertura por onde 2 entraa luz do sol nn Dispositivos CCD Imagem do sol no plano focal T _ a Figura 2 7 Esquema do sistema Green
64. al Data Line XIX XX 1 Introducao Neste cap tulo feita uma breve introdu o ao trabalho realizado Este dividido em quatro subcap tulos tais como o mbito da tese a motiva o as contribui es feitas e a organiza o do documento O mbito da tese consiste num pequeno resumo do panorama actual em termos de fontes de energia bem como uma pequena introdu o energia solar e mais especificamente energia solar fotovoltaica Tamb m nesta divis o feita uma pequena alus o s vantagens de fazer seguimento solar para melhorar o desempenho dos sistemas fotovoltaicos O subcap tulo seguinte consiste na motiva o para a realiza o deste trabalho Aqui s o introduzidos os dois modos mais utilizados para fazer seguimento solar e sucintamente explicada a necessidade de desenvolver um sensor de luz para seguimento solar As contribui es constituem um subcap tulo no qual s o referidos os contributos feitos na realiza o deste trabalho e finalmente apresentada a organiza o do documento onde cada cap tulo muito sucintamente resumido 1 1 Ambito Segundo Volker Quaschning as fontes de energia actualmente utilizadas s o as principais respons veis pela destrui o do ambiente que a par com o aquecimento global constitui um dos principais problemas cuja resolu o constitui um desafio para este s culo Quaschning 2005 Numa altura em que o pre o dos combust veis f sseis est
65. al Taiwan University 1996 Kalougirou S A Design and construction of a one axis sun tracking system Solar Energy Vol 57 465 469 1996 Kurtz S Opportunities and Challenges for Development of a Mature Concentrating Photovoltaic Power Industry 2009 Lee C Chou P Chiang C amp Lin C Sun Tracking Systems A review Sensors 3875 3890 2009 Liebe C Solar Compass Chip IEEE Sensors Journal 2004 Malvino Princ pios de Electr nica 2000 97 Minor M amp Garcia P High Precision Solar Tracking System Proceedings of the World Congress on Engineering London U K 2010 Mousazadeh H Keyhani A Javadi A Mobli H K A amp Sharifi A A review of principle and sun tracking methods for maximizing solar systems output Renewable and Sustainable Energy Reviews 1800 1818 2009 Oliveira M An lise do desempenho de um gerador fotovoltaico com seguidor solar azimutal Porto Alegre 2008 Piprek J Semiconductor Optoelectronic Devices University of California at Santa Barbara Academic Press 2003 Portal de moura Obtido em Setembro de 2010 de www portaldemoura com Quaschning V Understanding Renewable Energy Systems London Earthscan 2005 Ramage J Guia da Energia Monitor 2003 Responding to climate change Obtido em Outubro de 2010 de www rtcc org 2009 Roth P Georgiev A amp Boudinov H Design and construction of a system for sun tracking Renewable Energy 393
66. alidade por erros do mesmo ou por erros associados n o uniformidade do centro do planeta nao apontar precisamente para o centro da Terra sabido que o vector de gravidade aponta no sentido da maior massa Em princ pio o vector de gravidade aponta sempre no sentido do centro da Terra mas como ilustra o exemplo da Figura 2 2 existem situa es em que o vector de gravidade pode ser um pouco desviado devido presen a de grandes massas no interior da Terra Sensor grav tico Vectorde gravidade real vectorde gravidade ideal Figura 2 2 Esquema de uma fonte de erro da leitura da gravidade Associados instala o do sistema existem tamb m muitos erros como por exemplo a liga o do sensor grav tico estrutura ou a liga o da pr pria estrutura Terra O sensor grav tico que se encontra no interior da caixa de rob tica da WS Energia S A deve ter a mesma orienta o que o seguidor sendo que qualquer desvio da mesma em rela o ao seguidor estar a induzir erros no seguimento Tal como o sensor grav tico referente estrutura tamb m a estrutura referente superf cie terrestre deve estar perfeitamente alinhada com riscos de induzir mais erros no seguimento tal como se mostra na Figura 2 3 Orienta o real Orienta o ideal a b Figura 2 3 Esquema de poss veis erros na montagem 19 Assim sendo atente se na cadeia de erros ilustrada na Figura 2 4 Tempo Ter
67. amb m radia o proveniente dos espelhos que por sua vez reflectem o sol A Figura 1 5 ilustra dois casos de concentra o fotovoltaica Na Figura 1 5 a encontra se esquematizada a tecnologia DoubleSun que consiste em ter um painel fotovoltaico normal logo usufruindo de toda a irradia o directa que um sistema sem espelhos teria mas com o aumento de irradia o proveniente da coloca o de espelhos que reflectem o sol para o pamel Na Figura 1 5 b encontra se esquematizado um sistema exemplificativo de concentra o fotovoltaica que representa um m dulo e v rios espelhos Os espelhos est o dispostos de forma a que a irradia o que neles incide seja reflectida para a c lula Nesta configura o as c lulas absorvem unicamente irradia o proveniente dos espelhos Figura 1 5 Esquematiza o da tecnologia de concentra o fotovoltaica Os sistemas de concentra o permitem expor os m dulos fotovoltaicos a energia solar concentrada aumentando assim a quantidade de radia o que atinge cada c lula Desta forma pode se reduzir a rea da c lula que consiste no material mais caro do sistema e aumentar a rea de material concentrador como espelhos ou lentes significativamente mais econ mico 1 2 Motivacao Para conseguir seguir o sol com precis o de modo a aumentar a produ o de sistemas fotovoltaicos existem de uma maneira geral duas formas e Seguimento astron mico e Seguimento com sensores de
68. anto a linha SCL est no n vel l gico 1 Aquando da transfer ncia de dados n o permitido mudar SDA enquanto a linha de clock est a 1 32 Start sequence Stop sequence SA a DIA aL SL Figura 2 21 Sequ ncias Start e Stop Os dados sao transferidos em sequ ncias de 8 bits Estes bits sao colocados na linha de dados come ando no bit mais significativo MSB Em seguida a linha de clock d um impulso para cima e para baixo Por cada 8 bits transferidos o dispositivo receptor envia um bit de reconhecimento ACK o que faz com que sejam precisos 9 ciclos de clock para uma transfer ncia de 8 bit Se o dispositivo receptor enviar um ACK bit a 0 quer dizer que recebeu e esta pronto para receber mais um byte Por outro lado se enviar a 1 isso quer dizer que n o pode receber mais devendo por essa raz o o Master terminar a comunica o enviando uma sequ ncia stop A primeira coisa a acontecer o dispositivo Master enviar uma sequ ncia Start Esta ac o vai fazer com que todos os Slaves do barramento fiquem atentos ao que se segue O Master depois de enviar a sequ ncia Start vai enviar o endere o do dispositivo com quem pretende comunicar O dispositivo destinat rio continua a transac o enquanto que os outros v o ignorar tudo o que se passa no barramento at haver mais uma sequ ncia Start O passo seguinte definir a ac o pretendida pelo Master ou seja se pretende esc
69. apagada O valor de luminosidade dos dispositivos o valor do divisor de tens o depois de passar no conversor anal gico digital que varia entre O e 1023 sendo que o valor O corresponde ao valor m ximo de luz que o dispositivo consegue captar e o valor 1023 correspondente ao valor m nimo 2 O objectivo do teste ver a resposta varia o da intensidade da luz dos diferentes dispositivos consoante a sua resist ncia associada Figura 3 26 Com este teste pretende se encontrar um dispositivo e respectiva resist ncia para ser montada em s rie que tenha uma resposta sem ru do e que percorra uma boa parte da gama poss vel ou seja quando a luz estiver apagada o dispositivo dever acusar um valor de 1023 e quando a luz estiver no m ximo dever acusar um valor muito baixo 53 Figura 3 26 Teste varia o de intensidade de luz Para a elabora o deste teste foi utilizada uma l mpada de 120W com um re stato a ela associado permitindo desta forma variar a intensidade de luz Foi tamb m utilizado um sistema de suporte da l mpada com capacidade de rota o at 90 uma fotoresist ncia um fotod odo e um fototrans stor seis resist ncias de 1KQ e tr s resist ncias de 10KO Para a aquisi o de dados foi utilizado o microcontrolador A TMEGA 168 Neste teste a l mpada encontra se a 90 relativamente aos tr s dispositivos que se encontram na base deste a uma dist ncia de 15cm 3 2 2 1 1 C
70. aplica o a efici ncia dos sistemas fotovoltaicos depende de muitos aspectos tais como a qualidade das c lulas da qualidade dos componentes de controlo tais como reguladores e conversores do sombreamento sobre as c lulas da qualidade do seguimento do sol de forma a maximizar a incid ncia de raios solares sobre os pain is fotovoltaicos e muitos outros aspectos Mousazadeh Keyhani Javadi Mobli K amp Sharifi 2009 Kalougirou 1996 Em geral a energia desenvolvida nas aplica es fotovoltaicas depende essencialmente da quantidade de energia solar capturada pelas c lulas Da a import ncia que tem sido dada aos sistemas capazes de seguir a traject ria do sol com o fim de maximizar a quantidade de energia recebida durante todo o dia e todo o ano Tais sistemas designados sistemas de seguimento solar t m demonstrado enormes vantagens em termos de ganhos de energia quando comparados com sistemas fixos Lee Chou Chiang amp Lin 2009 Na verdade estudos feitos indicam que um sistema de seguimento solar em dois eixos pode resultar num aumento da energia na ordem dos 40 Mousazadeh Keyhani Javadi Mobli K amp Sharifi 2009 A Figura 1 4 mostra uma compara o entre um sistema de seguimento em dois eixos e um sistema fixo no que diz respeito irradiancia captada 1200 s s s 2 axis tracked horizontal 800 600 Irradiance in W m 400 200 Time 04 00 06 00 08 00 10 00 12 00 14 00 16 00 18
71. ar a mesma montagem para todos os dispositivos ou seja o divisor de tens o Figura 3 22 304 s a b c Figura 3 22 Esquema de montagem a fototransistor b fotoresist ncia c fotodiodo A montagem em questao para al m da simplicidade tem outra grande vantagem o facto de a resist ncia R estar em s rie com o dispositivo permite uma certa calibra o da leitura do valor de luminosidade como se poder constatar na visualiza o dos testes efectuados Como j foi referido anteriormente o modo como a montagem feita nos tr s dispositivos faz com que o valor da tens o de sa da Vout Seja inversamente proporcional Intensidade de luz captada pelo dispositivo Para al m do tipo de dispositivos foram tamb m testados outros factores como por exemplo o valor da resist ncia associada ao divisor de tens o de cada dispositivo R Para a elabora o dos testes recorreu se a uma ferramenta que se mostrou de uma grande utilidade o Arduino Duemilanove Figura 3 23 um dispositivo que utiliza o microcontrolador da ATMEL ATMEGA 168 Tem 14 entradas sa das 6 entradas anal gicas e liga o USB Nos testes a seguir descritos foi elaborado um programa em linguagem C para fazer a aquisi o de dados dos diferentes dispositivos Durante o tempo de teste lido o valor do divisor de tens o de cada um dos dispositivos fotoresist ncia fotod odo e fototrans stor e armazenado num vector de dados que vai ser l
72. as parar o quando a diferen a de luminosidade se encontrar na zona de precis o m xima X Figura 3 47 encontrando se o sensor desta forma perfeitamente alinhado Com o movimento da Terra o ponto de seguimento deixa de estar na zona de precis o m xima X e passa a estar por exemplo na zona de precis o B o que significa que o sol passou a estar mais a Oeste relativamente Terra Neste caso o sensor nada vai fazer pois na zona de precis o B tal como na zona de precis o C est na zona de precis o uma zona com uma precis o perfeitamente aceit vel Ao passar para a zona A o sensor vai enviar a ordem ao motor no sentido de fazer o alinhamento e desta forma trazer o ponto de seguimento de volta zona de precis o m xima X Para uma melhor percep o atente se na Figura 3 48 Movimento JJ Movimento T Amostragem A STOP RAPIDA B STOP STOP LENTA F x STOP R PIDA L o LH Figura 3 48 Esquema da ordem a enviar ao motor Quando o sensor se encontra desalinhado com o ponto P na zona ou D os motores v o ser actuados no sentido de colocar o ponto P na zona X Enquanto o ponto P se encontra na zona A por exemplo o motor est a ser actuado e o programa decorre com normalidade Ao entrar na zona B a prioridade vai ser parar na zona X sem que passe para a zona D logo o programa faz uma leitura sucessiva das LDR de forma a parar sem sobreeleva o ou seja a amostragem ser r pida Figura 3 48 Esta
73. com o seguimento astron mico As fontes de erro associadas utiliza o do sensor de luz resumem se principalmente liga o do pr prio sensor estrutura de seguimento Esta fonte de erro no entanto pode ser minimizada se a forma geom trica do sensor tiver a superf cie de contacto lisa o que de facto se verificar como se pode observar pela Figura 2 5 Orienta o real T Orienta o ideal Figura 2 5 Exemplo de poss vel erro de desfasagem entre o sensor e a estrutura Outro possivel erro associado utiliza o de sensores de luz o facto destes poderem estar mal calibrados ou seja estarem igualmente iluminados mas acusarem diferentes valores de luminosidade Tal erro tem consequ ncias directas na orienta o do sensor Para uma melhor compreens o atente se na Figura 2 6 onde ilustrada a cadeia de erros referente ao seguimento baseado em sensores de luz 21 Calibra es Posi o desejada Sensordeluz Posi o real Motores Liga o Posi o ideal estrutura Figura 2 6 Cadeia de erros no seguimento com sensores de luz A Figura 2 6 tem como objectivo ilustrar a cadeia de propaga o do erro quando se opta pelo seguimento atrav s de um sensor de luz Como se pode observar a posi o do sol directamente apreendida pelo sensor de luz relativamente ao pr prio Como fonte de erro existe a possibilidade de este estar desalinhado com a estrutura mas como j
74. como se pode observar marca todos os componentes ligados Por esta altura o objecto correspondente ao sol j se encontra isolado No entanto existem v rios pix is a formar o objecto sol e visto que o objectivo ter um sensor de elevada precis o uma zona de pix is n o suficiente para o que se pretende Desta feita necess rio encontrar o centro do sol Para tal encontrou se o centr ide Como ja foi referido caso haja mais do que um objecto poss vel que o correspondente ao sol seja desde logo detect vel Para tal este deve ser o maior e mais arredondado sendo para isso necess rio calcular a rea e a convexidade respectivamente Para uma melhor percep o atente se no fluxograma do programa elaborado Figura 3 5 In cio Captar imagem Binarizar Detectar mimera de objectos Soln o encontrado Ap enas 1 objecto Sol encontrado redondo Figura 3 5 Fluxograma do programa elaborado em Matlab Com a execu o do programa cujo fluxograma pode ser encontrado na Figura 3 5 o centro do sol encontrado com sucesso como se pode ver pela Figura 3 6 38 Figura 3 6 Centro do sol encontrado O procedimento aqui descrito com o fim de encontrar o sol e o seu centro foi uma primeira aproxima o com fotografias tiradas por outras c maras No entanto ao testar a c mara que constitui o sensor Figura 3 1 a em condi es reais constatou se que a imagem captada pela c mara vi
75. da montagem do divisor de tens o Figura 3 22 Com base nestes testes concluiu se que o fotod odo apresenta uma resposta mais ruidosa do que os seus concorrentes em todos os testes n o sendo uma boa escolha para nenhuma aplica o Por outro lado o fototrans stor apresenta uma resposta muito abrupta ao diferenciar os n veis de luminosidade esgotando toda a sua gama de sensibilidade o que faz com que sature facilmente A fotoresist ncia apresenta uma resposta muito boa em todos os testes sendo sens vel ao ngulo de incid ncia de luz e s nuvens Uma vez que a fotoresist ncia tem uma boa presta o em todos os testes que partilha o divisor de tens o com a resist ncia de 1KQ este o valor indicado para fazer par com a fotoresist ncia Com base nas conclus es tiradas dos testes efectuados pode se pensar em algumas aplica es teis Para uma aplica o de compara o de valores de luminosidade a melhor op o ser a fotoresist ncia bem como a resist ncia de 1KQ Em conjunto estes dois dispositivos t m uma resposta limpa ou seja com pouco ru do e uma boa sensibilidade tanto ao ngulo de incid ncia da luz bem como s nuvens Figura 3 34 Para uma aplica o em que o sensor sirva apenas para detectar se o sensor est bem direccionado para o sol o fototrans stor em conjunto com uma resist ncia de 1OKQ ser uma boa op o Figura 3 35 a Sensor azimute Sensor altitude q Figura 3 3
76. do a evitar erros desta natureza optou se por fazer a correspond ncia sensivelmente a meio da imagem Para fazer a dita correspond ncia foi utilizada a aplica o gr fica desenvolvida em Matlab e como tal uma explica o mais pormenorizada vir no subcap tulo a esta reservada 3 1 3 Interface do sensor para o utilizador Foi desenvolvido um programa em Matlab com o prop sito de fazer com que a utiliza o do sensor baseado numa Webcam fosse acess vel a qualquer membro da empresa O programa tem v rias funcionalidades sendo a primeira delas de extrema import ncia visto que se trata da calibra o do sensor Ao montar o sensor no seguidor existe uma grande probabilidade de este n o estar perfeitamente alinhado com a estrutura Para tal poss vel calibr lo 41 cam_interface ll EXCEL EXPORTER 0 8 Document Name tempdata 0 6 Number of Samples 15 0 4 Sample Time sec START 0 2 9 02 04 06 08 1 ONE SAMPLE X sun X Tracker ES Centre X Centre Y Y Sun Y Tracker ay 351 277 error X error Y Calibrate sensor Take Snapshot Figura 3 10 Aspecto da interface Como atr s referido e explicado em detalhe no cap tulo referente aos resultados obtidos existe um modo de orientar manualmente a estrutura de seguimento Para tal existem uns tubos acoplados estrutura de seguimento os tubos de precis o de modo a detectar a precis o com que a estrutura est direccion
77. e amp Tan 1988 Em 1996 Huang e Sun apresentam um sistema que consiste em fazer seguimento solar segundo apenas um eixo Huang amp Sun 1996 Para tal os autores utilizam como sensor solar um par de dispositivos fotossensiveis sendo que nesta arquitectura existe um dispositivo sombreador entre eles como se pode observar pela Figura 2 8 O objectivo dessa parede de fazer sombra num dos dispositivos quando este n o est rigorosamente alinhado com o sol o que faz com que o sistema perceba facilmente que um dos dispositivos est a ser mais iluminado que outro concluindo consequentemente pela necessidade de ajustar a orienta o do sistema 23 Dispositivos fotossensiveis Figura 2 8 Esquema do sensor utilizado por Huang em 1996 Kalougirou em 1996 Kalougirou 1996 descreve um sistema de seguimento solar de um eixo utilizando tr s fotoresist ncias Nesta arquitectura cada uma das tr s fotoresist ncias tem uma fun o distinta sendo o objectivo da primeira detectar a boa ou m orienta o do sistema ao sol a segunda deve detectar a presen a de nuvens cabendo terceira detectar se dia ou noite A fotoresist ncia respons vel pelo seguimento solar est colocada na zona Este do colector ou seja um sensor que apenas recebe luz solar directa quando o colector est bem orientado Quando este deixa de estar bem orientado ele pr prio a fazer sombra ao sensor o que faz com que o sistema tenha de se mov
78. e comunicar consigo Entrando na rotina do interrupt o slave dever passar o valor de cada uma das entradas as quais est o ligadas s fotoresist ncias pelo conversor A D e enviar o seu valor pela linha DC para o Master terminando a comunica o Terminada a rotina de interrupt o PIC permanecer novamente espera que o Master deseje novamente comunicar A Figura 3 39 visa exemplificar o funcionamento do sensor com base num fluxograma Rotina Main Rotma Jnferrupt Definir entradas Conversor AD Iniciar comunica o PC Enviar por 2C E para o Master Definir interrupt Exercer rotina de interrupt Figura 3 39 Fluxogramas de funcionamento da placa de aquisi o de dados Como se pode observar pela Figura 3 39 o funcionamento da placa de aquisi o de dados muito simples baseando se apenas em ler o valor dos v rios dispositivos e envi lo ao Master 64 3 2 4 Constru o do sensor O primeiro sensor elaborado um sensor muito simples baseado na diferencia o de n veis de luminosidade dos sensores em quadratura S o utilizadas quatro fotoresist ncias duas para fazer a diferencia o de n veis de luminosidade no movimento azimutal e duas para o movimento de altitude S o utilizadas quatro resist ncias de 1KQ pois como visto nos testes feitos s o um bom valor para acoplar fotoresist ncia Foi utilizada uma caixa como a representada na Figura 3 40 Sensor arimute a b Figur
79. e sol que s o detectados pelos respectivos dispositivos Como se pode observar o dispositivo de sombrear tem um papel muito importante na diferencia o dos dois dispositivos 28 2 2 1 2 Sensores com um desfasamento angular entre si Figura 2 16 Esquema de disposi o de sensores Neste subgrupo s o utilizados dois dispositivos fotossens veis simples que s o separados de um certo ngulo Quando o seguimento feito em dois eixos usual utilizar se uma arquitectura id ntica mas desta vez em vez de dois sensores utilizam se quatro que devem trabalhar dois a dois Dois sensores para cada eixo Bingol Altinta amp Oner 2006 Na Figura 2 16 est representado este conceito da disposi o dos sensores Pode se observar a vermelho os raios de sol que s o detectados pelos respectivos dispositivos Como se pode observar o facto de os dois dispositivos terem um desfasamento entre si tem um papel muito importante na diferencia o dos mesmos 2 2 2 Sistemas com sensores de pix is activos APS ou com dispositivo de quatro quadrantes ANNA Lh Figura 2 17 Esquema de disposi o de sensores Neste grupo de sensores usual analisar se a luminosidade do sol num plano ap s passar por uma pequena abertura num plano superior Figura 2 17 Neste grupo enquadram se os sensores compostos por dispositivos de quatro quadrantes por exemplo o fotod odo de quatro quadrantes Roth Georgiev amp Boudinov 2004 ou conjun
80. e um bom desempenho O ajuste da inclina o do conjunto de pain is pode ser feito manualmente conforme a esta o do ano Finalmente dentro dos seguidores com um eixo tem se o seguidor polar que tem a particularidade de ter o eixo de rota o paralelo ao eixo da Terra ou seja o eixo de rota o inclinado e tem a direc o Norte Sul Mais complexo o seguimento em dois eixos contando com movimenta o azimutal eixo vertical e de inclina o eixo horizontal proporcionando assim um grande rendimento de convers o da componente directa da radia o solar Este tipo de seguimento tamb m o mais preciso Para uma compara o de desempenhos atente se na Figura 2 1 Thomas Huld n d No documento referido os autores fazem a compara o do desempenho de v rias estruturas em v rias cidades europeias As estruturas em quest o s o as seguintes e Estrutura est tica com uma Inclina o ptima e Estrutura com o eixo horizontal orienta o E W e Estrutura com o eixo horizontal orienta o N S e Estrutura com o eixo vertical com uma Inclina o ptima e Estrutura polar e Estrutura com dois eixos de seguimento 16 2500 Fixed mounting optimal angle Horizontal E W axis Horizontal N S axis Vertical axis optimum angle inclined N S axis optimum angle 2000 2 axis tracking 1500 1000 Total yearly energy production kWh kWp 500 Almeria ES Bratislava SK Leeds
81. ee reeereeeea 60 3 23 Placa de dquisicio de dados did elle 61 3 2 3 1 Conversor Anal gico Digital scsi eai aaa aee iaia Aae 62 VI 3 2 3 2 Funcionamento da placa de aquisi o de dadoS ccccccccccceceeceeeceaaseeesesssseeeeeeeees 63 32 CONS AO le lined 65 32 92 Modode Tune ORACOES eed 68 LO Paramel108 CO SE MS OMe eai tl 12 Re Udo ner a ae 75 4 1 Estrutura de seouiment utilizada oi de 75 A Ba Si r Se ner 78 4 3 LA rss ERBE Cio O O A a Raia 82 44 Condi es advers AS cascas ensina tdo 83 44 1 Cotimuto nublado nido 83 AE Robustez 8 NUVENS ias 86 AAD Comportamento dO anolleeer dali 88 44 3 Comportamento do amanhecer su is ss tee cies A de cuore ead A 91 CONCE lola 95 5 1 SCS SO EAS 95 3 2 CONC O at pea eee ee 95 5 3 Tala NO tUM rel 96 Biblostata susanne ren 97 RING ROSE reelle een A A aa a 99 Manual de instr coes do sensor d PRECISO radia laeancsel esac Sp anda Rad 101 Manual de instru es da placa de aquisi o de dadoS oooooooooocccccccncnonnnnnnnononononononononnncnnonnnnnnnnnnos 107 Comparison between astronomical and light sensor feedback sun tracking algorithms 113 VU VHI Indice de Figuras Figura 1 1 Previs o da utiliza o da energia prim ria no futuro Responding to climate change 2009 Pd tae aera AE A E S T 3 Figura 1 2 Central de energia solar fotovoltaica de Serpa portal de moura 2010 4 Figura 1 3 Esquema de a
82. ela incide luz Este dispositivo conta com um grande leque de valores poss veis de resist ncia j que a mesma fotoresist ncia pode ter no escuro uma resist ncia de alguns mega ohm e iluminada poucas centenas de ohm Uma caracter stica interessante deste dispositivo o facto de ser sens vel ao mesmo espectro de luz do que o olho humano sendo desta forma um bom sensor para detectar luz vis vel sensivelmente de 0 4 e os 0 7 micr metros Figura 3 12 O s mbolo da LDR mostrado na Figura 3 13 45 Figura 3 13 Simbolo da fotoresist ncia Quando o dispositivo colocado no escuro os seus electr es n o se movimentam atrav s da resist ncia porque est o demasiado ligados No entanto quando iluminados os fot es provenientes da luz colidem com os electr es separando os do tomo o que faz com que sejam criadas lacunas no processo Estes electr es libertados podem agora contribuir para o fluxo de corrente atrav s do dispositivo ou seja a resist ncia diminui Fot es e Dip lo O Lacuna criada Electr o livre Figura 3 14 Esquema de funcionamento da fotoresist ncia As fotoresist ncias de sulfeto de c dmio cujo s mbolo qu mico CdS respondem melhor a luz na gama dos 0 4um at aos 0 8um enquanto que as de sulfeto de chumbo PbS sao mais indicadas para luzes infra vermelhas Como se pode observar pela Figura 3 12 a gama mais interessante para a detecc o de luz solar a gama detectad
83. entes n veis de luminosidade 66 XIII XIV Resumo Neste trabalho resultante de uma parceria entre a Faculdade de Ci ncias e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa e a WS Energia S A proposto o desenvolvimento de um sensor de direc o luminosa para seguimento solar Procedeu se ao desenvolvimento de dois sensores de luz para efeitos de seguimento solar sendo um deles para seguimento propriamente dito com fins comerciais num futuro pr ximo e outro para avaliar o desempenho do sistema de seguimento O primeiro consiste num sensor que faz o seguimento solar com base na compara o de quatro dispositivos fotossens veis simples O sensor mostrou ter uma precis o de aproximadamente 0 5 em dias pouco nublados e uma robustez s nuvens bastante satisfat ria O outro sensor desenvolvido destina se a avaliar a precis o do sistema em funcionamento Este sensor que tem como base uma simples webcam existente no mercado funciona atrav s de processamento de imagem Este processamento de imagem consiste em encontrar o centro do sol na imagem captada pela webcam assim como a posi o para onde a estrutura est direccionada Esta ferramenta mostrou se muito til na avalia o do desempenho do seguimento disponibilizando o seu erro em graus e em ambos os eixos No decorrer do trabalho feita tamb m uma an lise comparativa entre dois tipos de seguimento solar o seguimento astron
84. er no sentido de ficar novamente orientado para o sol de maneira a que o sensor fique novamente iluminado pela irradia o directa do sol Este sistema tem a particularidade de ao detectar nuvens no c u que perturbem a detec o da orienta o do sol funcionar em anel aberto Ou seja quando o sensor n o consegue detectar bem a posi o do sol o sistema passa a funcionar em anel aberto fazendo rodar o sistema a uma velocidade id ntica velocidade aparente do sol Este sistema mostrou ser bastante fi vel num per odo de teste de cerca de quatro anos Contudo tem uma desvantagem associada ao facto de utilizar sensores pois a sua precis o depende da intensidade de ilumina o do sol O sistema que se segue apresentado por Roth Roth Georgiev amp Boudinov 2004 tem a particularidade interessante de operar em dois modos Quando o c u est relativamente limpo ou seja quando a posi o do sol percept vel pelo sensor o sistema trabalha em anel fechado com base em informa es recebidas pelos sensores Por outro lado quando o c u est encoberto o sistema trabalha em anel aberto com base em equa es matem ticas que definem a orienta o do sol nesse instante Neste sistema o sensor utilizado um fotod odo de quatro quadrantes no interior de um tubo Este um dispositivo fotossens vel que dividido em quatro partes iguais Um feixe de luz ao incidir no dispositivo vai iluminar uma parte das quatro divis es Se o
85. es the tracker with a flat surface which really happens as can be seen in the Figure 16 Real Orientation Ideal Orientation Figure 16 Possible assembly error The errors associated to the actuators don t matter in this approach because the sensor is always looking to the sun so if the real position isn t equal to the desired the actuators shall be actuated So in the Figure 17 where the error propagation chain of the light sensor approach is illustrated there is no need to distinguish between the real and ideal position It can be just called position of the tracker in red Calibrations Light sensor Connection a tothe Ideal position structure Figure 17 Error propagation chain of the light sensor approach Another possible error comes from a possible error in the calibration of the photo sensitive devices All the devices are different so much attention has to be given to the calibration Without a careful calibration two different devices being equally illuminated may output a different value of luminosity which will lead to a bad accuracy of the sensor For these reasons much attention has to be given to the calibration of the devices and assembly of the sensor in the tracker For these reasons it can be concluded that the light sensor approach may not track the sun perfectly because of errors from e Calibration of the photo sensitive devices e Assembly of t
86. este o valor que se deseja atingir Para todos os sensores foi encontrada a matriz pela qual se deve multiplicar para atingir um valor pr ximo do esperado ficando assim os sensores calibrados Sensores depois de calbrados x Visb 200 f nr 4 H calibrado 5 cobrado Snr DS E calibrado T o 2 W cabbeado oor u A D I a a so Gor Ed amp q 2 Figura 3 44 Grafico dos sensores calibrados Para uma boa compara o entre os valores depois e antes de calibrados atente se na Figura 3 45 que visa mostrar a diferen a dos mesmos podendo se concluir que ficam bastante mais pr ximos quando calibrados 67 Sensores antes e depces de calibrados 400 600 is y N cahbredo 800 A y S canbrado 4 E calibrado Me W cabbrado Valor dos sensores V 12001 A I 15 2 25 3 35 4 45 3 55 5 niveis de lurrenotedade Figura 3 45 Sensores antes e depois de calibrados Os valores dos sensores quando calibrados ficam bastante mais pr ximos em particular na zona de maior Interesse ou seja na zona de maior luminosidade ou seja quando o valor dos sensores menor Para ilustrar esta situa o atente se na Figura 3 46 Sensores antes e depois de calibrados x Visb 100 W 500 N calibrado S calibrado 700 E calibrado W calibrado Valor dos sensores W 35 4 45 5 5 5 nivers de luminosidade Figura 3 46 Sensores antes e depois de calibrados na zona de maior l
87. estrutura est direccionada A partir deste momento o ponto de refer ncia deixa de ser o centro da imagem como seria idealmente para ser o ponto encontrado experimentalmente Na Figura 4 4 est ilustrado o seguidor completamente alinhado com o sol a b Figura 4 4 Sensor da webcam calibrado manualmente a visto no sensor de precisao b visto nos tubos de precisao Como se pode observar pela Figura 4 4 b a estrutura foi perfeitamente alinhada Nesse instante foi corrida a aplica o Matlab encontrando o centro do sol Figura 4 4 a Ap s este procedimento o sensor encontra se calibrado De notar que o centro do sol n o est no centro da imagem o que prova que de facto conveniente calibrar o sensor pois caso se admitisse que o sensor estava perfeitamente alinhado estar se 1a a cometer um erro logo partida 71 4 2 C u nublado Num dia de c u nublado como ilustra a Figura 4 5 foi elaborado um teste de sensivelmente 10 minutos para comparar o seguimento com sensor de luz com o seguimento astron mico O teste consiste em deixar o seguidor a trabalhar normalmente a partir de uma posi o aleat ria sendo esperado que este em primeiro lugar se alinhe com a traject ria do sol e ent o a possa seguir Neste teste foi utilizado tamb m o sensor baseado na webcam com o fim de encontrar a traject ria real do sol durante o teste Este sensor no teste em quest o tem um tempo de amostragem de 10 segundos
88. fer ncia aos aspectos que diferenciam os dois tipos de seguimento o astron mico e o seguimento com base em sensores de luz Com este trabalho fica 95 demonstrado que o seguimento com sensor de luz apresenta menos fontes de erro comparativamente ao astron mico o que faz com que este tipo de seguimento seja mais preciso pelo menos em dias de c u limpo Com o c u completamente coberto o seguimento astron mico tem melhor desempenho pois mesmo que tenha um ou dois graus de erro o seguimento pode ser mais bem sucedido do que utilizando um sensor de luz Com dias parcialmente cobertos o seguimento com base em sensor de luz poder ter um seguimento aceit vel uma vez que este quando o sol aparece entre as nuvens consegue alinhar se perfeitamente 5 3 Trabalho futuro No decorrer do trabalho foram sendo referidas vantagens e desvantagens associadas ao tipo de seguimento adoptado nomeadamente ao seguimento astron mico e ao seguimento atrav s de sensor de luz Visto que cada uma destas aproxima es tem vantagens seria interessante como trabalho futuro estudar um sistema que funcionasse com as duas tecnologias em simult neo tirando partido das vantagens de cada uma permitindo assim desenvolver um sistema muito robusto e preciso para seguimento solar Foi descrito todo o processo de desenvolvimento dos sensores at ao prot tipo No entanto ainda necess rio transformar os referidos prot tipos em produtos que possam ser
89. he sensor on the tracker 4 3 Error sources comparison As previously shown the astronomic approach has much more error sources than the light sensor approach To resume it the Table 2 is presented Astronomic Approach Light sensor Approach Geology of the place Position of the tracker Calibration of the relatively to the surface of the photo sensitive devices Earth Assembly of the sensor Position of the robotic box on the tracker gravity sensor relatively to the tracker Clock calendar equations Actuators Table 2 Error sources comparison The fact of having much sources of error Table 2 a good tracking accuracy using the astronomical approach will be very difficult to achieve 5 PRATICAL COMPARISON ASTRONOMICAL AND LIGHT APPROACHES BETWEEN SENSOR Several tests were made in order to understand the advantages and disadvantages of each type of tracking In the Figure 18 it s possible to see the path of the sun given by the astronomical approach green line It s also visible the path of the tracker blue line The red points are the errors given by the developed precision sensor in every ten seconds relatively to the real position of the tracker blue line 119 After this test it s possible to say that when the sun is visible and there aren t many clouds the light sensor approach can have a better accuracy than the astronomical one The advantage of the light sen
90. ht the device can read To better understand the range of the amount of light the following table is presented Table 1 where two values are compared an assembly with a photoresistor and a IKQ resistor and the value given by the light meter LDR value Light Meter LUX 98 000 90 000 Table 1 Matching values of luminosity A value of O was never reached with this assembly which means that a range is left for higher values of luminosity These values Table 1 can be calibrated by modifying the value of R Figure 7 This calibration shall be done in order to choose the best range of values In this application it s known that the desired is to make a system capable of detecting a range of illumination from O LUX absolute dark to the value corresponding to the higher value of illumination of the sun about 100 000 LUX As it can be seen in the Figure 8 Figure 9 and Figure 10 three values of R were tested in order to find the best resistor to integrate the voltage divider After testing three different values of R linked to each one of the devices it was possible to choose the device to integrate the sensor as well as its value of the associated resistor R a 800 a a a 500 E 2 a m gt 200 os 4 A I L 4 0 100 Illumination of the lamp Figure 8 Test with 500Q resistors Test 1200 E fii 1009 diode 10K branded or 10 a f 60 1 ta d r i u
91. ia das nuvens na resposta dos diferentes dispositivos Com este teste pretende se encontrar um dispositivo que tenha uma boa sensibilidade s nuvens Figura 3 32 58 Figura 3 32 Fotografia do c u no dia do teste em condi es reais Para a elabora o deste teste foi utilizada uma fotoresist ncia um fotodiodo um fototransistor e tr s resist ncias de 1KQ Para a aquisi o de dados foi utilizado o microcontrolador ATMEGA 168 Valor dos sensores vV TESTES 0 E hp 1h ndo 1 banantos Fh Figura 3 33 Teste com resist ncias de IKQ 3 2 2 3 1 Conclus es acerca do teste Observando a Figura 3 33 pode se observar que todos os dispositivos s o sens veis passagem de nuvens No entanto as respostas s o todas distintas destacando se a resposta da fotoresist ncia a azul pela sua suavidade e grande sensibilidade s nuvens Resumindo tal como nos testes anteriores o fotod odo tem uma resposta muito ruidosa O fototrans stor tem uma resposta aceit vel mas pouco sens vel s nuvens ou seja a resposta s varia es de luz relativamente pequena A fotoresist ncia tal como nos testes anteriores tem uma boa resposta sendo bastante sens vel a nuvens tais como a mostrada na Figura 3 32 59 3 2 2 4 Conclus es acerca de todos os testes A elabora o de todos estes testes permitiu avaliar todos os dispositivos bem como a influ ncia da resist ncia que faz parte
92. ia do c u na noite do teste Este teste consiste em mostrar o comportamento do sensor ao anoitecer Nesta altura do dia a estrutura estar voltada para a ltima posi o onde o sol foi sentido logo estar voltada para Oeste O sensor dever detectar que a noite se aproxima atrav s do baixo valor de luminosidade das fotoresist ncias e movimentar se para Este de modo a ficar j minimamente orientado para o sol quando este nascer Foi efectuado um teste de modo a estudar o efeito do anoitecer nos diferentes dispositivos Chegou se a conclus o de que pode ser considerado noite quando os dispositivos acusam um valor de 650xVIsb V Definiu se portanto que a partir do valor 650xVIsb V pode ser considerado noite logo mal as quatro fotoresist ncias acusem um valor superior a 650xVlsb V ou seja menos luminoso a estrutura dever voltar se para Este A estrutura move se para Este durante seis minutos valor aceit vel para atingir sensivelmente a posi o desejada A Figura 4 22 que consiste em dois gr ficos que devem ser interpretados em simult neo retrata esta situa o Pelo gr fico de cima pode se observar o valor de cada um dos sensores enquanto que no de baixo pode ser vis vel o movimento do seguidor no eixo horizontal De notar que o valor dos dispositivos est a aumentar suavemente efeito directo do facto do dia estar a perder luminosidade e que quando o dispositivo mais luminoso neste caso o Este passa o
93. ido em Matlab para serem feitos gr ficos para uma melhor visualiza o do resultado dos 50 testes Este equipamento utiliza um conversor anal gico digital ADC de 10 bit Como 21 1024 uma tens o entre O e 3 3V vai corresponder a um valor de O a 1023 O valor do ADC encontrado Vin desta forma valor ADC Fe x 1023 ref O valor do bit menos significativo LSB Visp EL V Por exemplo a tens o de 1V vai corresponder a um valor ADC de valor ADC a x 1023 ou ref seja valor ADC x 1023 pelo que resulta valor ADC 310 Confirmando este valor a 3 3 corresponde a uma tens o de 310 x V sg V ou seja 310 x ne 1V No decorrer deste trabalho para uma melhor percep o do valor do ADC o valor dos dispositivos fotossensiveis vir na forma valor 0 1023 x Vi sp V Este o valor que vai ser armazenado no vector de dados De recordar que o valor da tens o de sa da Vo de cada uma das montagens Figura 3 22 correspondente ao valor da tens o de entrada do ADC Vin inversamente proporcional intensidade de luz logo o valor de 1023 x Visp V ou seja 3 3V corresponde a uma intensidade de luz muito baixa e o valor de O V corresponde a um valor de intensidade de luz muito elevado P 2A0836 3 2 p Z oo ab rr nk BL oe aa U E T amb TX Arduino pugo o n w Duemilanove u r De i a EEE Geb en em StS ecm q se 3 3 a n Wuu arqu no cc O POWER ANALOG
94. imenta o de certos locais remotos onde as solu es alternativas convencionais tais como gerador diesel ou rede el ctrica t m desvantagens quer financeiras quer ambientais Castro 2002 Estes sistemas s o constitu dos essencialmente por um conjunto de m dulos baterias um controlador de carga e um inversor sendo este ltimo necess rio apenas se for desej vel alimentar cargas AC Em dias de elevada radia o solar os m dulos produzem energia el ctrica A energia el ctrica que n o for necess ria vai ser armazenada em baterias ou qualquer outro dispositivo de armazenamento de energia Quando a radia o solar insuficiente por ser de noite ou por ser um dia muito nublado a energia fornecida tamb m pelas baterias Para efectuar esta gest o existe O controlador ou regulador de carga que efectua a gest o da carga considerando a radia o dispon vel e a capacidade das baterias A tens o disponibilizada quer pelos m dulos quer pelas baterias ser uma tens o cont nua o que faz com que seja necess rio um inversor que transforma a tens o cont nua em alternada caso seja necess ria tens o alternada J nos sistemas ligados rede Figura 1 3 a a energia produzida directamente infectada na rede Os m dulos geram uma tens o cont nua e um inversor transforma a tens o cont nua proveniente em tens o alternada com as caracter sticas necess rias para ser enviada para a rede Independentemente do tipo de
95. is 2009 um instrumento que utilizado para medir o desempenho de um sistema de seguimento solar que consiste num sensor de alta resolu o que deve ser montado no sistema de seguimento solar com o fim de medir o ngulo de erro entre o sol e o seguidor Este tipo de sistema oferece muita precis o e mais caro do que os referidos anteriormente Consiste em ter um dispositivo que tira fotografias sucessivas e atrav s de processamento de imagem consegue encontrar o centro do sol Este sistema utilizado apenas para analisar o desempenho do seguidor solar e n o para ser ele pr prio o sensor para o seguimento solar Figura 2 14 Fotografia e esquema do sensor www greenmountainengineering com Em Julho de 2010 Arturo M e Garcia P Minor amp Garc a 2010 apresentam um sistema de seguimento solar baseado numa webcam atrav s de t cnicas de processamento de imagem Neste trabalho foi desenvolvido um sistema de seguimento solar cuja precis o obtida foi de 0 1 Este sistema Interessante tendo no entanto a desvantagem de ser necess rio um computador para que seja feito o seguimento solar Ap s uma an lise atenta destes sistemas de seguimento solar poss vel fazer uma divis o do tipo de sistemas em tr s grandes grupos e Sistemas com dispositivos fotossens veis simples e Sistemas com sensores de pix is activos APS ou com dispositivo de quatro quadrantes e Sistemas Machine Vision 27 2 2 1
96. ixo horizontal o Eixo vertical o Eixo polar e Dois eixos o Fixo horizontal e eixo vertical 15 Existem dois tipos de seguimento solar quanto aos eixos Pode haver um ou dois eixos de movimenta o Quando existe apenas um eixo de movimenta o este pode ter uma orienta o horizontal vertical ou polar Havendo dois eixos um deles vertical ajusta o azimute da superficie o outro horizontal ajusta a Inclina o dos pain is Oliveira 2008 As montagens que utilizam o movimento sobre o eixo horizontal orienta o Este Oeste s o de montagem robusta e de baixa manuten o No entanto tais montagens n o apresentam um ganho importante em esta es com dias curtos O seu funcionamento baseia se em seguir a traject ria aparente do sol em cada dia come ando na sua posi o de nascimento No momento em que o sol se encontra no seu ponto de maior altitude o painel encontra se com o ngulo m nimo de inclina o voltando sua posi o inicial ao entardecer Este tipo de seguimento utilizado nomeadamente na Central Solar de Serpa em Portugal Uma montagem com o eixo horizontal pode tamb m ter uma orienta o distinta da que se acabou de descrever pode na verdade haver uma montagem com o eixo horizontal mas com orienta o Norte sul A semelhan a do sistema anterior tamb m este robusto e de baixa manuten o O seguidor com eixo vertical m vel faz o seguimento no sentido Este Oeste e usufrui tamb m d
97. l estiver na zona X como ilustra a figura o sistema est bem orientado Entretanto o sol aparentemente vai se movimentando para Oeste e o seguidor permanece parado A certa altura o sol encontra se quase a passar para a zona D na recta vermelha Ora isto o ponto a partir do qual o sistema vai alinhar a traject ria O valor atribu do vari vel precis o o que faz mover esta recta ou seja se o valor da vari vel fosse mais pequeno a recta 13 vermelha estaria mais para a esquerda o que faria com que a estrutura se movesse mais cedo Assumindo agora que o sistema se est a alinhar ou seja o sol est na imagem a deslocar se para a esquerda na zona C e a certa altura entra na zona X passando portanto pela recta verde aqui que o sistema vai parar Ou seja a vari vel precis o m xima faz mover esta recta ou seja se o valor atribu do a esta vari vel fosse menor a recta estaria mais para a esquerda fazendo com que a estrutura se movesse mais tempo Como ja foi referido se a zona de precis o X for muito pequena o sistema poder passar um pouco chegando zona de precis o B No entanto n o h problema pois a precis o admitida termina apenas na zona que tal como a zona D definem o intervalo precis o 14 4 Resultados Este o cap tulo reservado aos resultados obtidos Para tal feita uma pequena introdu o ao sistema de seguimento utilizado nomeadamente aos tubos de precis o que
98. lan ados no mercado O sensor desenvolvido necessita de ser utilizado por uma rob tica de seguimento solar No entanto com o conhecimento adquirido poderia criar se todo o sistema de seguimento baseado no sensor e com baixo custo 96 6 Bibliografia Abdallah S amp Salem N Two axes sun tracking system with PLC control Energy Control and Management 1931 9 2004 arduino Obtido em Janeiro de 2010 de www arduino cc 2010 Bingol O Altinta A amp Oner a Y Microcontroller based solar tracking system and its implementation Journal of Engineering Sciences vol 12 243 248 2006 Castro R M Introdu o energia fotovoltaica Instituto Superior T cnico 2002 Choi J Kim D Park C amp Chung K C Design of Fuzzy controller based on PC for Solar Tracking System International Conference on Smart Manufacturing Application Kintex Korea 2008 Davis M Machine Vision as a Method for Characterizing Solar Tracker Performance 2009 Department of Energy Obtido em Janeiro de 2010 de www energy gov energias renovaveis Obtido em Fevereiro de 2010 de www energiasrenovaveis wordpress com Greene M amp Tan H Solar Tracking Design and Simulation Auburn University Departement of Electrical Engineering 1988 Huang B J amp Sun F Feasibility study of one axis three positions tracking solar PV with low concentration ratio reflector Taiwan Department of Mechanical Engineering Nation
99. leitura sucessiva implica n o sair da rotina de leitura at que o ponto P se encontre na zona X ou seja at que o sensor esteja perfeitamente alinhado Se o intervalo precis o m xima for muito pequeno o sistema poder ter um pouco de sobreeleva o no sentido em que o seguidor poder parar na zona C em vez de parar na zona X como se pode observar pela Figura 3 49 70 pa 11 EW H Id ecis o max ma OEA 0 00 000 an 2000 Terr DO Figura 3 49 Valor relativo de luminosidade nos dois eixos Na Figura 3 49 est representada a luminosidade relativa dos sensores no eixo vertical a azul e no eixo horizontal a vermelho A luminosidade relativa consiste na diferen a do valor de um dispositivo referente ao dispositivo do mesmo eixo ou seja se os dispositivos E e W ou Ne S tiverem o mesmo valor o valor relativo ser zero No exemplo ilustrado na Figura 3 49 a estrutura esteve a seguir o sol durante cerca de 40 minutos e foram atribu dos os seguintes valores s vari veis de precis o precis o m xima 2xVIsb V e precis o 8 xVIsb V Como percept vel pela figura onde est o representados os valores relativos dos dispositivos nos dois eixos bem como os limites de precis o a verde mal os valores relativos saem do intervalo precis o os motores s o actuados at que o valor relativo dos dispositivos entre no Intervalo precis o m xima Como ja foi referido visto que o Inte
100. lo quatro fotoresist ncias necess rio ler o valor de cada uma pass las pelo conversor anal gico digital de modo a obter um valor entre O e 1023 e em seguida enviar os valores adquiridos para o Master da comunica o DC Como a placa de aquisi o de dados vai ser um Slave na comunica o DC n o vai tomar qualquer iniciativa em come ar a comunicar A sua fun o antes de ser solicitada a sua participa o pelo Master de configurar o PIC de acordo com a utiliza o em causa Ora a utiliza o em causa consiste numa placa que l o valor de luminosidade de quatro fotoresist ncias e envia a respectiva informa o para o Master Logo a primeira ac o a ser feita definir os pins ao qual est o ligadas as 63 fotoresist ncias como entradas Em seguida h que definir o conversor anal g co digital tal como definir a tens o de refer ncia de 3 3V e configurar a comunica o DC Estando todas as configura es feitas o PIC n o far nada a n o ser que o Master tenha a iniciativa de comunicar com esta placa A iniciativa de comunicar por parte do Master traduz se por meio de um interrupt Um interrupt consiste num sinal que activado informando o processador que deve interromper a ac o actual para assim poder correr a rotina de interrupt ou seja para responder de forma adequada interrup o feita Este interrupt gerado quando o dispositivo Slave detecta que o Master na linha IC pretend
101. lu o do ADC Por exemplo a resolu o de 10 bit do pic escolhido significa que existem 1024 21 1024 valores dispon veis para representar uma tens o que varia entre OV e a tens o de refer ncia Como a tens o de alimenta o dispon vel de 3 3V essa ser a tens o de refer ncia logo uma tens o de entrada de 3 3V corresponder a 1023 x V sg V uma tens o de OV a O e por exemplo uma tens o de 1V corresponder a um valor de 62 1 ADCvalue 37 x 1023 ADCvalue 310 x Visp V Para uma melhor percepg o do funcionamento do conversor anal gico digital do sensor de luz atente se na Figura 3 38 Vout Valor do Ji dispositivo h Figura 3 38 Esquema do conversor anal gico digital Como se pode observar pela Figura 3 38 todo o processo se inicia na montagem do divisor de tens o de modo a ler o valor V Como ja foi referido nesta montagem a queda de tens o Vout e a quantidade de luz incidente no dispositivo fotossens vel s o inversamente proporcionais No conversor anal gico digital a queda de tens o de OV a 3 3V transformado num valor de 0 a 1023 e ser esse o valor de luminosidade que vai ser comparado com os outros dispositivos fotossens veis 3 2 3 2 Funcionamento da placa de aquisicao de dados A placa de aquisi o de dados programada em linguagem C utilizando o software MPLAB bem como o programador ICD3 da Microchip Para a placa de aquisi o de dados ler por exemp
102. luminosidade dos sensores Estes devem ser comparados dois a dois Atente se de momento apenas no movimento de azimute Se Sl estiver mais iluminado que S2 o sistema dever rodar no sentido de igualar a luminosidade nos dois sensores O mesmo acontece para o movimento de eleva o Compara se o valor dos outros dois sensores e actua se no motor com o eixo horizontal O sistema em causa foi comparado com um sistema equivalente mas sem seguimento solar tendo se conclu do que o painel acoplado ao sistema de seguimento solar tem mais densidade de luz do que o painel acoplado ao sistema estacion rio Finalmente Oliveira em 2008 na sua disserta o faz a descri o de um sistema de seguimento solar segundo um eixo Oliveira 2008 Para tal utiliza apenas um sensor composto por um fototransistor acoplado estrutura no lado oeste do painel Este sensor composto por um fototransistor e por uma haste de sombreamento Quando o painel est bem orientado para o sol a haste de sombreamento faz sombra ao sensor Quando a luminosidade passa um certo n vel quer dizer que a luz solar j est a incidir sobre o sensor o que faz com que o sistema tenha de rodar um pouco mais at a haste de sombreamento voltar a sombrear o sensor 26 Haste de sombreamento a Ea Parte sombreada Parte exposta a radiacao Figura 2 13 Esquema do sistema Oliveira 2008 Em seguida apresenta se um sensor actualmente dispon vel no Mercado Dav
103. m Matlab que permite ao utilizador calibr lo ver o erro de seguimento num dado instante e at deixar o sensor a armazenar dados enquanto a estrutura est a fazer o seguimento para um futuro tratamento Este armazenamento de dados feito numa folha de Excel onde armazenada informa o tal como o momento de cada medida em coordenadas hor rias horas minutos e segundos e o erro de seguimento em graus para cada um dos dois eixos Para fazer o seguimento solar propriamente dito foi criado um sensor baseado em quatro fotoresist ncias Este sensor demonstrou uma precis o na ordem de 0 5 num dia limpo 5 2 Conclus o O seguimento feito base de sensores de luz tem a desvantagem de ser sens vel s condi es atmosf ricas ou seja pode ser dif cil para o sensor de luz num dia com muitas nuvens alinhar se correctamente com o sol e fazer um seguimento sem demasiadas oscila es No entanto foi desenvolvida uma protec o que visa minimizar os efeitos deste ponto fraco Com esta protec o a estrutura s se movimenta quando a fonte de luz mais luminosa do que um limite definido Tal decis o faz com que a estrutura s se mova quando o sensor capta irradia o directa o que minimiza o n mero de oscila es mas em dias mesmo muito cobertos pode n o ser capaz de seguir o sol satisfatoriamente o que tamb m n o representa perdas significativas de produ o No decorrer deste trabalho foi sendo feito re
104. mico m todo actualmente utilizado pela WS Energia S A e o seguimento base de sensores de luz na qual o bom desempenho de ambos os sensores desenvolvidos se mostrou de grande import ncia Parte deste trabalho foram publicadas num artigo e apresentadas na confer ncia Concentrating Photovoltaic Optics and Power decorrida na Alemanha em Bremerhaven de 20 a 22 de Outubro de 2010 O artigo encontra se no anexo III Palavras Chave sensor de luz seguimento solar processamento de imagem sistemas fotovoltaicos XV XVI Abstract The main aim of this project is to develop a range of light sensors to be applied in Sun tracking Systems The project is a partnership between Faculdade de Ci ncias e Tecnologia of Universidade Nova de Lisboa and WS Energia S A Two light sensors were developed The first one is to be soon commercialized by WS Energia and the aim of the other one is to provide accurate measurements about the sun tracking error so the accuracy of the system can be quantified The first mentioned consists on an economic sensor that tracks the sun by comparing four simple photo sensible devices The sensor showed a precision of more or less 0 5 in sunny days and a good behave working in cloudy days The other developed sensor consists as already told on a device to evaluate the precision of the sun tracking system This sensor consists on a simple webcam that can be easily found on the market and its f
105. minosidade das LDR a mesma Fora do intervalo X precis o m xima existe o intervalo precis o que compreende as zonas B e C Se o ponto P se encontrar neste intervalo isso significa que a diferen a de luminosidade entre as duas LDR no m ximo o n mero de valores definido para a vari vel precis o por exemplo dez valores ou seja 32 2 mV no divisor de tens o A diferen a entre a zona B e a C depende da LDR que est mais iluminada ou seja se o movimento em quest o for o horizontal se o ponto P estiver na zona B significa que a LDR W est mais iluminada que a LDR E devendo neste caso dar ordem ao motor para rodar para Oeste de modo a que o ponto P esteja na zona X 69 A zona A e a zona D s o zonas que est o fora dos intervalos de precis o ou seja se o ponto P se encontrar numa destas zonas o programa deve ordenar a actua o imediata dos motores de modo a que o ponto P esteja na zona X De modo a permitir um bom seguimento este sensor n o se baseia apenas em seguir o ponto mais luminoso Para evitar um constante movimento dos motores este sensor apenas se move quando a diferen a de luz nas LDR ultrapassa um certo limite ou seja quando sai da zona precis o Assim sendo quando as LDR se encontram com uma diferen a de luz considerada substancial fora da zona precis o os motores mover se o no sentido de igualar o n vel de luminosidade dos sensores Os motores apen
106. ms 113 114 COMPARISON BETWEEN ASTRONOMICAL AND LIGHT SENSOR FEEDBACK SUN TRACKING ALGORITHMS David Gomes Luis Pina Jo o Martins Faculdade de Ci ncias e Tecnologia FCT Universidade Nova de Lisboa 2829 516 Caparica Portugal davidcoimbragomes O gmail com WS Energia Taguspark Edf Tecnologia II Pavilh o 46 2740 257 Porto Salvo Portugal pinaOws energia com CTS Uninova Dep de Eng Electrot cnica Faculdade de Ci ncias e Tecnologia FCT Universidade Nova de Lisboa 2829 516 Caparica Portugal jf martins O fct unl pt Abstract This paper compares the performance of two different Sun tracking algorithms the light sensor feedback approach and the astronomical calendar approach These are the two most popular approaches for Sun tracking algorithms and their performance in terms of accuracy and robustness to exogenous interactions is compared The error propagation chains are analyzed and compared to identify the sources of Sun tracking errors and system brake downs Several examples show the behavior of the Sun tracking algorithms under nominal working conditions and extremely harsh conditions Conclusions are drawn in terms of the applicability of both Sun tracking approaches Keywords Sun tracking light sensor image processing photovoltaic 1 INTRODUCTION The performance of a photovoltaic application depends among other features on the amount of solar energy captured by the photovoltaic cells
107. na Figura 3 16 um dispositivo que converte energia luminosa directamente em corrente el ctrica Se os dois terminais do fotod odo forem ligados pode se constatar que no escuro n o h passagem de corrente el ctrica mas ao iluminar o dispositivo come a a haver uma pequena corrente el ctrica a passar do c todo para o nodo Scherz 2000 E nodo c todo Figura 3 16 S mbolo do fotod odo Scherz 2000 O fotod odo feito juntando uma camada muito fina de um semicondutor do tipo N com uma camada de um semicondutor do tipo P A fronteira entre os materiais dos dois tipos tem o nome de junc o PN Malvino 2000 O lado N considerado o c todo e o lado P chamado de nodo Ao iluminar o dispositivo alguns fot es passam do lado N para o lado P onde existem electr es e lacunas juntos formando aquilo a que se d o nome de dip los Figura 3 17 Os fot es que chegam ao lado P v o colidir com os electr es que constituem os dip los desalojando os e criando lacunas Se estas colis es forem suficientemente perto da jun o os electr es desalojados v o atravessar para o lado N Este processo cria excesso de electr es no lado N e excesso de lacunas no lado P Se um fio for ligado entre o nodo e o c todo h um movimento de electr es do c todo para o nodo 47 Dip lo O Lacuna criada e Electr o livre tw Fluxo de electr es Figura 3 17 Esquema de funcionamento do fotod odo Desta
108. nal gico digital de 10 bit e comunica o PC A comunicac o entre os dois dispositivos ou seja entre a caixa de rob tica e o sensor deve obedecer a uma arquitectura Master Slave ou seja a caixa de rob tica Master funciona com normalidade e quando necess rio solicita a participa o do sensor Slave Figura 3 36 61 MASTER SLAVE Caixa de rob tica WS Energia Comunica o Iac Figura 3 36 Esquema global do sistema A placa de aquisi o de dados foi elaborada para integrar o sensor contendo apenas o necess rio para o seu funcionamento No entanto face possibilidade de ler outros sensores de uma forma simples foi elaborada uma placa ilustrada na Figura 3 37 com oito entradas anal gicas e comunica o DC Para a leitura de outros sensores basta que estes tenham a sua resposta em tens o n o superior tens o de alimenta o do pic 3 3V Para o desenvolvimento desta placa foi necess rio programar tanto o pic 1814420 como o pic da caixa de rob tica PIC24FJ256GB110 Figura 3 37 Fotografia de uma das placas desenvolvidas 3 2 3 1 Conversor Anal gico Digital Um conversor anal gico digital ADC utilizado para converter um n vel de tens o anal gico num n mero digital que representa a tens o Basicamente um ADC tira a rela o entre uma tens o de entrada e uma tens o de refer ncia e representa a atrav s de um n mero Este n mero depende do n mero de bits de reso
109. ndo com 2520 seguidores azimutais com 104 pain is cada um num total de 250 hectares portal de moura 2010 Figura 1 2 Central de energia solar fotovoltaica de Serpa portal de moura 2010 1 1 3 Sistemas fotovoltaicos Os sistemas fotovoltaicos completos podem ser pensados como integrando tr s subsistemas No que respeita gera o de energia temos um subsistema composto por c lulas fotovoltaicas agrupadas de forma a formar um m dulo fotovoltaico com o objectivo de converter a luz do sol em electricidade J no que diz respeito utiliza o da energia o sistema composto basicamente pela carga ou seja a aplica o da electricidade fotovoltaica Entre estes dois subsistemas torna se necess rio um terceiro que permita que a electricidade gerada seja aplicada carga Este terceiro subsistema composto por componentes electr nicos estruturas de suporte e se for o caso equipamento para seguimento solar como por exemplo sensores e motores Os sistemas fotovoltaicos podem ser divididos em dois grandes grupos quanto sua aplica o Podem ser sistemas aut nomos ou sistemas ligados rede Figura 1 3 Esterias Figura 1 3 Esquema de a sistema ligado rede e b sistema aut nomo Os sistemas aut nomos Figura 1 3 b s o principalmente utilizados em aplica es de pequena pot ncia d cimas ou unidades de quilowatt ou em aplica es de m dia pot ncia dezenas ou centenas de quilowatt para al
110. nha saturada ou seja devido quantidade de luz existente a imagem encontrava se toda branca De forma a evitar a satura o da c mara foram utilizados filtros de protec o solar A adop o destes filtros Figura 3 1 b para al m de precaver a satura o da c mara tem uma grande contribui o na melhoria do desempenho do sensor uma vez que elimina partida muitos dos pontos luminosos que poderiam ser confundidos com o sol 3 1 2 2 Procedimento para encontrar o ponto para onde est direccionada a estrutura Admitindo um erro nulo na montagem do sensor na estrutura o que dif cil de alcan ar dada a elevada precis o do sensor o ponto para onde est direccionada a estrutura seria exactamente o centro da imagem Sabendo que a imagem recebida pela webcam tem um tamanho de 640x480 pix is f cil descobrir que o centro da imagem corresponde ao ponto 320 240 No entanto neste trabalho n o se vai admitir que o sensor est perfeitamente montado na estrutura Alternativamente compensar se esse erro admitindo que manualmente poss vel alinhar perfeitamente a estrutura utilizando os tubos de precis o explicados em detalhe no cap tulo referente aos resultados Os tubos de precis o por m podem tamb m ter erros mas ser o seguramente menos do que os provenientes do sensor de precis o caso se admitisse um erro nulo na montagem do sensor na estrutura Admitindo ent o que a orienta o manual
111. nte num sistema de seguimento solar 2 3 Rob tica Sun Gravity Control A rob tica Sun Gravity Control da WS Energia consiste num equipamento feito medida das necessidades da empresa Este equipamento disp e de tudo o que necess rio ao seu funcionamento tais como o sensor de gravidade supercondensadores para suprimir pequenos cortes de energia comunica o GSM e muitos mais dispositivos indispens veis a um correcto funcionamento Para programar a rob tica do sistema utilizado o programador ICD3 da Microchip que se pode ligar directamente placa Este equipamento tem tamb m uma porta DC dispon vel que pode ser utilizada para a leitura de v rios sensores nomeadamente sensores de vento ou de radia o Para a comunica o entre o sensor a desenvolver e a rob tica do sistema dever ser utilizada a porta PC em quest o Muito utilizada para testes existe tamb m uma porta RS 232 para se poder ligar a um computador e assim atrav s do programa Termite poder ter um output do programa em funcionamento Figura 2 19 Rob tica Sun Gravity Control 31 2 4 Protocolo de comunica o IC Este protocolo utiliza apenas dois fios para comunica o sendo eles chamados de SCL e de SDA e mais dois fios para alimenta o normalmente 5V ou 3 3V e GND SCL a linha de clock sendo utilizado para o sincronismo da transfer ncia de dados no barramento PC constituindo SDA a linha de dados Estas linhas s
112. o n o andar longe de um ou dois graus Pode se ent o concluir que com o c u muito nublado prefer vel que o seguidor esteja parado 4 4 1 1 Robustez s nuvens Para definir um valor para c u muito nublado atente se nas leituras efectuadas durante o teste vis vel na Figura 4 19 Andamento temporal do valor digdal dos sensores a a A ao Sensores Vv 400 500 600 Tempo 5 Figura 4 19 Valor dos sensores Uma forma de proteger esta situac o e de evitar que a estrutura esteja sempre em movimento a procura do sol definir um limite a partir do qual o sensor vai perceber que o c u est muito nublado A estrutura s se movimentar se E ou W for menor que 130xVlsb V ou se N ou S for menor que 200xVIsb V Com a protecc o referida ou seja fazer a estrutura mover se apenas se o n vel de luminosidade for alto com o intuito de a fazer mover apenas aquando da incid ncia de radiac o directa o sistema mostrou uma resposta bastante satisfat ria nao sendo no entanto perfeita Na Figura 4 20 s o demonstrados tr s gr ficos que devem ser analisados simultaneamente No primeiro gr fico mostrado o valor dos sensores referentes ao eixo horizontal ou seja o E e W Para uma boa percepc o do que se passa muito importante saber o valor relativo dos sensores valor mostrado no segundo gr fico Figura 4 20 b A par destes gr ficos ilustrativos do valor dos sensores 86 encontra se tamb m ilust
113. ois os valores sentidos pelo sensor s o valores de muito menor luminosidade que o sol n o sendo por isso confund vel 90 4 4 3 Comportamento ao amanhecer Figura 4 26 Fotografia do seguidor ao amanhecer Ao amanhecer o seguidor vai estar j minimamente virado para Este como foi visto no cap tulo anterior referente ao anoitecer A estrutura de seguimento ficar nesta posi o at que haja um certo nivel de luminosidade o mesmo definido para a robustez s nuvens ou seja o valor 130xVlsb V para E e W eo valor de 200xVlsb V para Ne S cap tulo 4 4 1 1 O sol ao nascer vai trazer ilumina o e quando o valor dessa ilumina o passar o limite definido a estrutura come ar a fazer o seguimento A Figura 4 26 visa mostrar a situa o em que o seguidor detecta a presen a do sol e gira para Este no sentido de se alinhar No entanto a estrutura tem limites de ac o n o sendo poss vel orientar se perfeitamente com o sol Para se perceber melhor esta situa o atente se na Figura 4 27 Andamento temporal da dwecg o no eixo horizontal sol real E sol precision x Angulo 9 0 400 40 6000 SOOO 10000 12400 14000 16000 Tempo s Figura 4 27 Andamento temporal no eixo horizontal Na Figura 4 27 bem vis vel que o limite da estrutura de 130 visto que a estrutura se tenta alinhar com a traject ria do sol parando no valor 130xVlsb V A partir desse momento espera que o sol se 91 aproxime
114. om uma resist ncia em s rie de 10KQ TESTE x Vieb ade ide 9084 gude 10K transrstor ICh Valor dos sensores V 0 100 0 durruna o da l mpada Figura 3 27 Teste varia o de intensidade de luz com uma resist ncia de 10K 9 Observando a Figura 3 27 f cil de perceber que com uma resist ncia de 1OKQ o n vel de luminosidade n o percept vel pelos dispositivos ou seja os dispositivos n o t m a sensibilidade luz que se deseja Nota se que existe como que um limiar que separa o valor O e o valor 1023 ou seja se a Intensidade de luz for menor que o dito limiar o dispositivo tem o valor de 1023 e se for maior o dispositivo tem o valor de 0 54 Todos os dispositivos t m uma resposta abrupta ao nivel de luminosidade todos eles ficam com o valor zero antes de a l mpada estar no m ximo da sua luminosidade ou seja grande parte da varia o da luminosidade n o sentida pelo dispositivo 3 2 2 1 2 Com uma resist ncia em s rie de 1KQ TESTES sensores V i 4 4 4 j IT urmnac 40 da Lampada Figura 3 28 Teste varia o de intensidade de luz com uma resist ncia de IKQ Como se pode observar pela Figura 3 28 a um n vel global as respostas assemelham se mais ao que se deseja em compara o com as respostas dos dispositivos com uma resist ncia de 1OKQ Nota se que a resposta do fotod odo muito ruidosa e a do fototrans stor tal como no teste anterior
115. ormente Estas vari veis s o definidas por tentativa e erro de acordo com o n vel de precis o que se deseja podendo mudar a precis o do sistema conforme a aplica o em causa Pode se utilizar o sensor desenvolvido o sensor de precis o para avaliar o desempenho de seguimento com determinados valores atribu dos s vari veis e conforme o resultado obtido aumentar ou diminuir o referido valor Imagine se por exemplo uma aplica o que requeira 1 de precis o Nesse caso pode se utilizar a aplica o desenvolvida Figura 3 10 e detectar quando que o erro de seguimento de 1 num determinado eixo atrav s de imagens captadas e da informa o disponibilizada na pr pria interface da aplica o Quando o erro for de 1 no eixo horizontal por exemplo atrav s do Termite consultam se os valores dos dispositivos E e W O valor da vari vel precis o ser a diferen a entre os dispositivos E e W O valor da vari vel precis o m xima ser um valor entre O e E W dependendo do ngulo com que se deseja que o seguidor passe o sol ao ajustar se Para uma melhor percep o atente se Figura 3 52 Figura 3 52 Ilustra o do efeito directo das vari veis de precis o Na Figura 3 52 est ilustrada uma imagem captada pelo sensor de precis o bem como a recta de precis o anteriormente referida De notar que a recta de precis o est muito maior do que a propor o devida de forma a uma melhor percep o Se o so
116. p o n o pode ser tomada se ao inv s de pain is fotovoltaicos o seguidor em causa se destinar a aplica es de concentra o fotovoltaica Como j foi referido esta tecnologia permite expor os m dulos fotovoltaicos a energia solar concentrada aumentando desta forma a quantidade de irradia o que atinge cada c lula No entanto esta tecnologia tem ngulos de admit ncia muito 17 pequenos sendo por isso muito exigente a n vel de precis o de seguimento Quaschning 2005 Ou seja para haver de facto uma melhoria no desempenho a estrutura deve estar perfeitamente alinhada com o sol Por esta raz o crucial que o seguimento seja feito em dois eixos que conforme ja referido a escolha que oferece maior precis o 2 1 2 Tipos de seguidores solares quanto tecnologia O seguimento solar de uma forma geral pode ser feito de duas formas distintas podendo assim ser dividido em dois grandes grupos e Seguimento astron mico e Seguimento com sensores de luz O seguimento astron mico pressup e o conhecimento de coordenadas espaciais e temporais Neste tipo de arquitectura o seguimento solar feito atrav s de c lculos matem ticos onde s o considerados par metros como o declive terrestre latitude ngulo hor rio dia do ano etc Oliveira 2008 Para ter conhecimento acerca da posi o do sol a uma dada altura necess rio um rel gio e a resolu o de v rias equa es Para p r uma estrutura
117. panha It lia e Fran a Responding to climate change 2009 entre outros Tal crescimento faz com que estudos efectuados indiquem que a energia solar seja a energia prim ria mais utilizada no futuro tal como se pode observar na Figura 1 1 que retrata um estudo feito pela German Advisory Council on Global Change em 2003 EE Geothermal E reat ony Solar power candies Era thermal geororation EZ wind Bioma MO sea Biomasa iradibonal MN tiy rosteciriciry EXA Nuclear power ES Gas ES o 5 3 Figura 1 1 Previs o da utiliza o da energia prim ria no futuro Responding to climate change 2009 Como se pode observar pela Figura 1 1 de acordo com o estudo efectuado a previs o de um aumento da utiliza o de combust veis f sseis at ao ano 2030 mas a partir desse ano as previs es apontam no sentido de um decr scimo gradual na utiliza o destes combust veis para um crescimento nomeadamente da energia solar No ano 2100 o estudo prev que a energia solar tenha a maior fatia na utiliza o da energia 1 1 2 Energia solar fotovoltaica Fotovoltaico a jun o de duas palavras photo e Volta Photo significa luz vindo do grego phos phot s e Volta em homenagem ao f sico italiano 1745 1827 Por outras palavras fotovoltaico significa a convers o directa de luz em electricidade Quaschning 2005 Os sistemas fotovoltaicos utilizam c lulas para converter radia o solar em elec
118. percept veis primeira vista No entanto poss vel notar que entre o segundo 500 e 700 o valor do sensor W decresce um pouco ou seja fica mais iluminado Tal facto deve se influ ncia dos m ximos de um carro Tal influ ncia mostra se muito t nue talvez tamb m 89 devido ao facto de o sensor se encontrar numa posi o alta Como observado nem t o pouco a luz de presen a do local tem influ ncia no funcionamento do sensor uma vez que o valor acusado pelos dispositivos por estas luzes n o minimamente confund vel com a luz do sol Figura 4 24 Luzes de presen a no local Andamento temporal do valor dos sensores ensores VW gt c Valor do Ap ee A nn e aA a btn tan ir PO WE ua Het ash re hei 30 350 40 40 500 550 600 650 70 750 Tempo 5 Figura 4 25 Sensor sob influ ncia de luzes externas Todo este teste visa mostrar o funcionamento do sensor quando cai a noite Os resultados obtidos s o bastante satisfat rios uma vez que ao anoitecer a estrutura de seguimento virada a Oeste devido a um dia de seguimento ao detectar que noite vira se para Este para ficar j minimamente orientada a nascente Esta posi o foi escolhida de modo a que aquando do nascimento do sol este seja mais facilmente detect vel pelo sensor Tamb m neste teste foi poss vel ver que o sensor pode detectar outras luzes externas ao seu funcionamento n o interferindo no entanto com o seu desempenho p
119. precis o demasiado pequeno e tem como consequ ncia um constante movimento do seguidor como se pode observar pela Figura 4 29 0 que desaconselh vel r Por outro lado ao definir um intervalo precis o demasiado largo a resposta limpa no sentido em que n o h oscila es na traject ria mas o seguimento feito com menos precis o do que se conseguiria obter com um intervalo bem definido 93 94 5 Conclus es O cap tulo em causa resume as conclus es que podem ser tiradas desta tese Est dividido em tr s partes sendo a primeira a s ntese onde feito um pequeno resumo do trabalho efectuado A segunda parte deste cap tulo consiste nas conclus es que podem ser tiradas a partir dos resultados observados e finalmente o ltimo subcap tulo reservado ao trabalho futuro que pode ser feito 5 1 S ntese No decorrer deste trabalho foi desenvolvido um conjunto de sensores de luz para seguimento solar Um dos sensores chamado sensor de precis o como o pr prio nome indica um sensor bastante preciso 0 07 que tem como fun o avaliar o desempenho da estrutura de seguimento quer o modo de seguimento seja astron mico quer seja por sensor de luz Este sensor para al m de extremamente preciso tem muito poucas fontes de erro uma vez que poss vel calibr lo cada vez que acoplado estrutura Para uma maior facilidade em utilizar este sensor foi desenvolvida uma aplica o e
120. r PC com a rob tica existente Para valida o dos resultados experimentais foi tamb m desenvolvido um sensor de elevada precis o baseado numa webcam e funcionando atrav s de processamento de imagem bem como uma interface gr fica para permitir uma f cil e pr tica utiliza o do mesmo anexo I 11 12 1 4 Organizacao do documento No cap tulo 2 encontra se o estado da arte cap tulo onde s o revistas v rias tecnologias utilizando sensores de luz Neste cap tulo encontra se tamb m uma breve descri o do sistema utilizado pela WS Energia S A assim como uma introdu o ao protocolo de comunica o DC uma vez que vai ter de ser utilizado para comunicar entre a caixa de rob tica da WS Energia S A e cada um dos sensores de luz desenvolvidos No cap tulo 3 s o descritas as contribui es feitas para este trabalho come ando pelo modo de funcionamento e respectiva constru o do sensor baseado em processamento de imagem Neste cap tulo feita tamb m uma breve introdu o s fotoresist ncias fotod odos e fototrans stores tr s candidatos a serem utilizados no desenvolvimento de sensores de luz S o elaborados v rios testes envolvendo cada um dos dispositivos sendo que o objectivo escolher o dispositivo mais indicado para Integrar o sensor de luz a ser desenvolvido Ainda neste cap tulo descrita a placa de aquisi o de dados uma placa que utiliza o PIC 1814420 para adquirir dados dos sensores e
121. ra Posi o desejada ee a Posi o medida _ Liga o da estrutura Terra Figura 2 4 Cadeia de erros no seguimento astron mico A Figura 2 4 tem como objectivo ilustrar a cadeia de propaga o do erro associada utiliza o de seguimento astron mico Como se pode observar pela figura por um lado o sistema tem informa es referentes s coordenadas hor rias atrav s do rel gio Por outro o sistema tem tamb m informa es acerca das coordenadas geogr ficas atrav s da resolu o de algumas equa es que consideram o movimento da Terra em rela o ao sol e a posi o do seguidor na Terra como a sua latitude e longitude Juntando as informa es das coordenadas hor rias e geogr ficas obt m se a posi o desejada do seguidor Por sua vez necess ria tamb m a informa o vinda do sensor de gravidade dando a posi o da estrutura Esta posi o da estrutura tem de ser levada em conta bem como a posi o desejada para se poder encontrar a posi o ideal do seguidor em rela o ao sol Tendo a posi o ideal resta apenas actuar os motores no sentido desejado para ter o seguidor orientado para o sol Como j foi referido neste percurso existem muitas fontes de erro Observando a Figura 2 4 existem fontes de erro em todas as fases de seguimento Primeiramente existem erros se bem que m nimos para encontrar a posi o desejada j que bastam uns segundos de desfasagem no
122. ra uma imagem bin ria ooccncnnnnnnnncncnnnnnnnnnnonnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnns 36 Figura 3 3 Efeito da aplica o do filtro de MediaNa ooooooooccnnonononnnnnnnnnnnnnnnnnnnonnnnnnnnnnnonnnnnononnnnnnnnnnnoss 37 Figura 3 4 Esquema da marca o dos componentes ligados oooooooncocononooonnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnonononos 37 Figura 3 5 Fluxograma do programa elaborado em Matlab ooooonoonnnnononononcncnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnonos 38 Fisura 30 Centro do sol ncontido iia 39 Figura 3 7 Ilustra o da calibra o do SENSOT ooooooooccnonooonnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnonnnnnnnnnnnnnnnnnonononnnnnnonnnnonnnnnnnnnss 40 Pisura So ustra o JOS Ho AAA I nr ter ny teres O erm ene een rer 40 Figura 3 9 Poss vel nao linearidade em gamas diferentes da Imagem eeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeenennne 41 Fouad 3 105 Aspecto da nter I E a 42 Figura 3 11 printscreen do ecra podendo ver a posi o do sol em pix is e a posi o da estrutura em ELO T EE EE E S EEEE E EE E TEE EEE TEE EE EE E ET 44 Figura 3 12 Espectro da radia o solar Department of Energy 2010 eeeeeeeeeeeeeneennenrennernnnnnna 45 Fisura 3130 Simbolo da totoresistencia iia 46 Figura 3 14 Esquema de funcionamento da fotoresist ncia ooooooononoconooonnnnnnnnnonnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnonoss 46 Figura 3 15 a Esquema do divisor de tens o b curva da tens o Voutem ordem ao valor de R2 47 Figura 3 16 S mbolo do fotod odo
123. rado o movimento efectuado pelo seguidor bem como a traject ria real do sol Figura 4 20 c Andamento temporal do valor dos sensores 50 x Visb E 100 a limite nuvens S 35000 Lux 5 150 2 5 250 1000 1020 1040 1060 1080 1100 1120 1140 1160 Tempo 5 a Valor relatwo dos sensores Visb mu E W e vari vel precis o z T 10 2 3 0 s 10 1000 1020 1040 1060 1080 100 110 1140 1160 Tempo s b Andamento temporal da direc o no eixo horizontal 126 g 124 2 gt DO E 122 120 1000 1020 1040 1060 1080 1100 1120 1140 1160 Tempo s c Figura 4 20 Robustez s nuvens De notar que at ao segundo 1050 os sensores s o relativamente iguais ou seja n o h necessidade de corrigir a traject ria A partir desse momento o sistema passa a estar sob forte influ ncia de nuvens no entanto s o nuvens muito densas que fazem ultrapassar o limite da radia o directa o que faz com que o sistema permane a im vel O sistema corrige a traject ria no segundo 1160 que como vis vel pelo gr fico do valor relativo dos sensores estes t m uma diferen a entre si maior do que o considerado na vari vel precis o de quatro neste caso Juntando a este aspecto o facto de o sensor mais iluminado ter um valor menor que o limite de nebulosidade 130x V1sb V faz com que a estrutura corrija a traject ria 87 4 4 2 Comportamento ao anoitecer Figura 4 21 Fotograf
124. rever no Slave ou ent o ler a partir dele O Master pode agora enviar os dados que pretende para o Slave tendo de terminar com uma sequ ncia Stop W 0 Receiving Address qua Receiving Data ACK Receiving Data NACK F q SDA 1 1 A7 XAGXA5XA4XA3XA2XA1 D7X D6 DS D3XD2AD D7X D6 D4 D3XD2X DITADO If _ ATXBBXASXAAXASKAZXAT _ 07X DEN DI NDAXDSXD2XDIXOD D5XDAXDSXDAXOIKDIY A T so IS AARAU FURL AA SS SSA SN SAA BUU RA TR Acknowledge Acknowledge Acknowledge Clock Clock Clock STOP Figura 2 22 Exemplo de escrita no pic18f4420 datasheet Como se pode observar pela Figura 2 22 que representa a ac o do picl8f4420 como Slave a sequ ncia de escrita tal como a de leitura come a com uma sequ ncia Start enviada pelo Master Os pr ximos 8 bits s o compostos por 7 bits que cont m o endere o do Slave destinat rio e um bit reservado para determinar a ac o a efectuar podendo esta ser de escrita ou de leitura Na Figura 2 22 o oitavo bit zero pois a ac o pretendida de escrita Recebido tanto o endere o como a ac o pretendida o Slave envia um bit de reconhecimento ACK bit dizendo que recebeu tudo bem O Master recebendo tal bit inicia a transmiss o enviando 8 bits de dados O Slave recebendo os pode 33 enviar um ACK bit caso queira receber mais uma sequ ncia de dados ou por outro lado um NACK dizendo desta forma ao Master que nao pretende receber mais dados O Master caso receba
125. ria do sol eeeeeeeeeeeeeeeeeenee 85 Figura 4 19 Valor dos Sensores it 86 Fisura 4 20 RODUStEZ 38 DUVETS it rr r rr rmrmrmrmr rr a 87 Figura 4 21 Fotosrana do ceu Na noitedo teste IR ALLIED 88 Figura 4 22 a valor dos sensores e b movimento horizontal oooooooonnnnnnnnonooooooonnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnos 89 Figura 4 23 Varia o da posi o da estrutura ao anoitecer ooooooocococonococonnnnnonononnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnos 89 Fisura 4 24 Luzesde presen a no local mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmHraaHHMH 90 Figura 4 25 Sensor sob influ ncia de luzes externas oooooooconcoonocononnnnnnnnnnnnnnnonononononnnnnnonnnnonnnnnnnnnnnnnnos 90 Figura 4 26 Fotografia do seguidor ao amanhecer ooooooooooonononononononnnnnnnnnnnnnnnnnonnnonnnnnnononnnnnnnnnonnnnnnnnnss 91 Figura 4 27 Andamento temporal no eixo horizontal ooooooooonononnooonnncnonononnnnnnnnnnnnnnnnnnonononononnnnnos 91 Figura 4 28 Pormenor do erro dado pelo sensor de PreCiSa0 cccccccccecccceceeeeaeeeseeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeaaas 92 Figura 4 29 Andamento temporal n ixo vertical seasann ah ds 92 Pietra 4 30 Recta de preciso accio 93 XII Indice de Tabelas Tabela 1 Exemplo de escata no Excel N Oras ea a Tin ld 43 Tabela 2 Associa o entre valores dos dispositivos e do lux metro occccccccccccncnnnonnnnnononnnnnnnnnnnnnnnnnoss 32 Tabela 3 Tabela de valores dos dispositivos a difer
126. rror by pressing the Take Snapshot button This button allows the user to see the image of the sky with the interesting points marked as well as their position in pixels and the tracking error in degrees of both axes A full test can be made by pressing the Start button This function allows the user to choose the name of the Excel sheet in which is desired to save the data as well as the number of samples and the time between each sample The saved data consists on the time hour minute and second of the snapshot moment as well as the tracking error in degrees 104 Taguspark Edf Tecnologia Il Pavilh o 46 2740 257 Porto Salvo Portugal T 351 214 212 190 E info ws energia com W www ws energia com User s Guide IMAGE OF THE By pressing the button the data will be saved in an Excel sheet EXCEL EXPORTEF ONE SAMPLE X Tracker E enor Y Tale Saga WARNING Pressing this button will recalibrate the sensor Findthe error NOW Press the button just if the tracker is aligned 105 Taguspark Edf Tecnologia Il Pavilh o 46 2740 257 Porto Salvo Portugal T 351 214 212 190 E info ws energia com W www ws energia com 106 Anexo II Manual de instrucoes da placa de aquisicao de dados 107 108 US WE POWER THE SUN Oca DATA ACQUISITION BOARD User s Guide Scope Describe the operation procedures for the data acquisition board Approved Da
127. rvalo precis o m xima muito pequeno frequente acontecer uma ligeira sobreeleva o o que faz com que o valor relativo dos dispositivos passe um pouco o Intervalo precis o m xima parando dentro do intervalo precis o Atente se agora no valor absoluto dos dispositivos Na Figura 3 50 est ilustrado o andamento temporal do valor de luminosidade dos sensores Este vermelho e Oeste azul Como seria de esperar as curvas dos dois sensores t m sempre sentidos distintos ou seja se o n vel de luminosidade de um sensor est a crescer o do outro estar certamente a diminuir As curvas afastam se at que a diferen a dos dois sensores atinja o m ximo admitido o valor da vari vel precis o que no exemplo de 8 unidades 71 Andamerto temporal do valor dos sensores Figura 3 50 Valores de Este vermelho e Oeste azul Assim como foi feito para os dispositivos do eixo horizontal E e W tamb m visivel na Figura 3 51 o andamento temporal do valor de luminosidade dos sensores Sul vermelho e Norte azul Bem como no eixo horizontal tamb m no eixo vertical foi atribu do o valor de 8 vari vel precis o Andamerdo tempore do valor dos sensores q 120 i ua 190 r e eg Ez ponu V a P e ME 50 va 0 Soo 1000 1500 2000 Tempo Figura 3 51 Valores de Norte azul e Sul vermelho Comparando as duas figuras Figura 3 50 e
128. s an information from the gravity sensor and as already told it has several errors associated like the orientation of the structure the orientation of the gravity sensor and the geology of the place where the system is assembled Knowing the desired position and the measured position of the tracker the position where the tracker should be oriented to ideal position can easily be found However the actuators have errors as well so the orientation calculated as the perfect one may not be achieved It can be concluded that the astronomical approach may not track the sun perfectly because of errors from e Geology of the place e Position of the tracker relatively to the surface of the Earth e Position of the robotic box gravity sensor relatively to the tracker 118 e Clock calendar equations e Actuators 4 2 Light sensor approach The light sensor approach is a system uniquely based on information received from the sensor It is a very simple system that works by the comparison of the values of luminosity of each photosensitive device as it can be seen on the Figure 5 The error propagation chain in this case is much less comparing to the previous approach In this case the desired position is obtained directly by the sun without the need of solving equations or reading the gravity sensor The main error source is the assembly between the sensor and the structure However this error can be reduced if the sensor assembl
129. s das nuvens que s o tamb m muito claros Num dia em que o sol n o seja detect vel ap s esta convers o a imagem obtida ser uma imagem toda a negro ou seja o sol n o detectado Visto que a convers o da imagem original para a imagem bin ria n o suficiente para isolar o sol deve se proceder aplica o de um filtro para eliminar os componentes brancos mais pequenos Para tal utilizou se um filtro de mediana Esta ac o devolve a imagem filtrada ap s ter passado a imagem original por um filtro de mediana com M linhas e N colunas Cada pixel da imagem filtrada cont m o valor da mediana numa vizinhan a de M por N da imagem original Este filtro muito utilizado para suavizar imagens mas numa imagem bin ria tem a particularidade de ao suavizar a imagem ir 36 diminuindo os componentes brancos o que se mostra de grande utilidade na aplica o que se pretende Figura 3 3 Figura 3 3 Efeito da aplica o do filtro de mediana A Figura 3 3 mostra a aplica o do filtro de mediana imagem obtida pela convers o para imagem bin ria por duas vezes Como se pode observar ao aplicar o filtro a primeira vez Figura 3 3 b um dos componentes desapareceu e outro ficou mais reduzido O maior correspondente ao sol como se pode observar ficou mais suavizado mais arredondado Ao aplicar o filtro uma segunda vez Figura 3 3 c obt m se apenas o componente correspondente ao sol Ao observar a Figura 3
130. shots com inclina es diferentes Como assinalado na Figura 3 11 ap s captar uma imagem o programa devolve a posi o do sol em pix is No exemplo da figura XSun 349 Por sua vez a Termite devolve a posi o do movimento horizontal da estrutura que no exemplo ilustrado de X 103 4 Movimentando a estrutura apenas na horizontal obtiveram se valores de XSun 298 e X 99 71 Logo a uma quantidade de 51 pix is correspondem 3 69 ficando desta forma feita a correspond ncia entre pix is e graus 43 BD com imtertace l EXCEL EXPORTER Number of Samples 100 Sample Time sec o START ONE SAMPLE 99 37 492102 46 54 caos va R N a s 40 57 34 101 16 52 90 189 181 91 87 B sg 7 34 Figura 3 11 printscreen do ecr podendo ver a posi o do sol em pix is e a posi o da estrutura em graus A partir deste momento poss vel saber o erro em graus apenas sabendo o erro em pix is como se pode observar pela seguinte equa o CTT Onix is x 3 69 erro graus 51 Esta ent o a correspond ncia feita de modo a detectar o erro de seguimento em graus 3 2 Sensor para seguimento 3 2 1 An lise de dispositivos fotossens veis A escolha de um ou mais dispositivos sens veis luz com o fim de realizar um sensor solar deve ter v rios factores em conta Um deles certamente a capacidade de ler a luz solar A luz proveniente do sol cont m luz
131. so Minor amp Garc a 2010 mesmo que para isso seja necess rio utilizar um sensor econ mico com menos precis o para garantir que o sol se encontra sempre no campo de vis o deste sensor Consiste em ter um dispositivo que tira fotografias sucessivas e atrav s de processamento de imagem consegue encontrar o centro do sol Pode se utilizar uma c mara CCD ou CMOS Estes dispositivos t m a vantagem de ter alta resolu o e precis o Em geral os algoritmos de processamento de imagem t m relativa facilidade em encontrar objectos de caracter sticas conhecidas e se forem algoritmos robustos podem tornar o sistema insens vel a distor es da imagem do sol tais como nuvens ou reflexos A utiliza o de uma larga matriz de pix is permite fazer um c rculo volta do sol e a partir deste calcular o centro do mesmo mesmo que este esteja parcialmente coberto com nuvens Davis 2009 A t tulo ilustrativo mostra se o resultado de um programa feito em Matlab na Figura 2 18 que recebe uma fotografia do c u e calcula o centro do sol assinalando o Figura 2 18 Procura do centro do sol atrav s de um programa Matlab 30 Na primeira imagem apresenta se a fotografia original Na segunda imagem apresenta se a mesma imagem a preto e branco com um threshold muito elevado ou seja s ficam a branco os pix is mesmo muito claros Ainda nesta imagem est representado tamb m o centro do sol Este ser o ponto importa
132. sol e o ponto para onde a estrutura est direccionada ambos em pix is basta encontrar a diferen a e ficamos com o erro de seguimento da estrutura em pix is Figura 3 8 Error x Figura 3 8 Ilustra o dos erros Para encontrar o erro em graus basta encontrar a correspond ncia entre o n mero de pix is e O n mero de graus Esta correspond ncia poder n o ser linear para toda a imagem ou seja a mesma dist ncia em pix is poder n o ter a mesma correspond ncia em graus se tiverem em lugares diferentes da imagem Ou seja como se pode observar pela Figura 3 9 a dist ncia A e a dist ncia B 40 em pix is igual mas no entanto em graus poder n o o ser Esta poss vel nao linearidade dever se ao facto de a lente da webcam ser c ncava e n o plana Figura 3 9 Poss vel n o linearidade em gamas diferentes da imagem No entanto mesmo que a correspond ncia n o seja linear o procedimento efectuado minimiza os poss veis erros provenientes deste aspecto Ora o sensor de precis o foi realizado com um objectivo espec fico avaliar o desempenho de seguimento Como tal os valores interessantes encontrar se o sensivelmente a meio da imagem onde se encontra o centro do sol Para uma aplica o cujo objectivo avaliar a precis o de seguimento como o caso n o ser relevante um erro de 0 5 na gama B por exemplo No entanto seria grave um erro desta ordem na gama A Para tal de mo
133. sor is the fact that it is able to watch the sun But is it also better when the sun is no longer visible The answer 1s obviously not Several tests were made in order to find the accuracy in cloudy days As it can be seen in the Figure 21 and Figure 22 that shows the behaviour in a cloudy day of the tracker blue line and the path of the sun given by the astronomical approach red line in both axes it s possible to O 50 100 150 200 250 30 350 400 450 500 550 Time s say that the light sensor isn t very robust for these situations It s true that the path of the sun in the figures isn t the real Figure 18 Test made with the sun shining horizontal axis one but the path given by the astronomical approach However it is also true that the real path and the one given It s easy to deduce that the real path of the sun isn t the by the astronomical approach are not very different green line as the astronomical approach says but it s a line that passes in all points given by the precision sensor Horizontal axis The real path of the sun is approximately the black line of the Figure 19 As it can be seen the tracker working with the light sensor tracks the sun quite well with a maximum deviation of 0 6 Horizontal axis a4 0 100 200 300 400 500 600 700 600 Time s E E d sol real Figure 21 Test made in a cloudy day horizontal axis Vertical axis 0 50 100 150 200 250 30 3550 400 450
134. tem uma resposta muito brusca Por outro lado a resposta da fotoresist ncia parece ser a desejada ou seja suave e ocupando grande parte da sua gama de varia o No entanto n o ocupa toda a gama o que tamb m uma vantagem pois o seu valor m nimo correspondente m xima intensidade de luz dever ocorrer quando est a ser directamente iluminado pelo sol Como se pode observar pela Tabela 2 o valor correspondente fotoresist ncia com uma resist ncia de 1K quando iluminada pelo sol de 120 No entanto conv m que haja uma gama valores de maior luminosidade de modo a que o dispositivo seja capaz de sentir luminosidades maiores para quando o sol estiver mais forte Ou seja a fotoresist ncia seria ainda sens vel a mais intensidade de luz do que aquela que a l mpada capaz de produzir Concluindo com uma resist ncia de 1KQ as respostas dos dispositivos traduzem melhor a varia o do n vel de luminosidade Particularizando o fototrans stor tem uma resposta muito abrupta e n o consegue detectar grande parte da varia o de luz Por outro lado o fotod odo sens vel a toda a gama de varia o da luz mas cont m muito ru do e varia pouco na sua gama o que se pode traduzir numa fraca sensibilidade Finalmente a fotoresist ncia LDR sens vel a toda a gama de luminosidade da l mpada e utiliza a sua gama quase toda para a traduzir de uma forma suave 55 3 2 2 1 3 Com uma resist ncia em s rie de 50
135. til pois tem tamb m a op o de gravar toda a informa o numa folha de Excel Tabela 1 Para tal basta introduzir o nome do ficheiro onde se deseja gravar a informa o bem como o n mero de amostras pretendidas e o espa amento entre elas em segundos e premir Start 42 Tabela 1 Exemplo de escrita no Excel em graus x error y error ano mes dia hora minuto segundo 0 325 0 023 2010 9 19 11 6 23 0 377 0 023 2010 9 19 11 5 33 0 423 0 026 2010 9 19 11 6 43 0 487 0 039 2010 9 19 11 6 3 0 533 0 046 2010 9 19 11 7 3 0 367 0 051 2010 9 19 11 7 13 0 028 0 053 2010 9 19 11 7 23 0 681 0 056 2010 9 19 11 7 33 0 716 0 054 2010 9 19 11 Fj 43 0 761 0 057 2010 9 19 11 7 oS 0 81 0 008 2010 9 19 11 5 3 0 867 0 085 2010 9 19 11 8 13 0 907 0 091 2010 9 19 11 23 0 966 0 095 2010 9 19 11 8 33 1 038 0 112 2010 9 19 11 8 43 Na folha de Excel a informac o disponibilizada tem o aspecto demonstrado na Tabela 1 mostrando a data e os erros em X e em Y exemplo em que foram escolhidas varias amostras com taxa de amostragem de 10 segundo Esta ferramenta como referido anteriormente assim como informa es do sistema j existente fol utilizada tamb m para fazer a correspond ncia entre pix is e ngulos O sistema j existente informa o utilizador da posi o da estrutura em graus atrav s do Termite Por sua vez o programa desenvolvido devolve a posi o do sol em pix is A correspond ncia pode ser feita tirando dois snap
136. to de quatro fotod odos Choi Kim Park amp Chung 2008 Greene amp 29 Tan 1988 Considera se tamb m neste grupo dispositivos APS por exemplo um CCD para detectar a imagem do sol no plano de imagem atrav s de um ou mais buracos Liebe 2004 Figura 2 10 Na Figura 2 17 est representado este conceito da disposi o dos sensores O dispositivo de sombreamento corresponde a um tubo opaco que previne a radia o difusa tornando assim mais precisa a medida do alinhamento do sol Mousazadeh Keyhani Javadi Mobli K amp Sharifi 2009 Pode se observar a vermelho os raios de sol que s o detectados pelos respectivos dispositivos Esta uma forma de facilitar a diferencia o de luminosidade entre os dispositivos podendo tamb m ser aplicado este conceito ao seguimento de dois eixos aproximando se assim arquitectura proposta por Choi Kim Park amp Chung 2008 onde s o utilizados quatro fotod odos ou Roth Georgiev amp Boudinov 2004 onde os quatro dispositivos correspondem a um fotod odo de quatro quadrantes 2 2 3 Sistemas Machine Vision Neste grupo de sensores enquadram se sensores como o mecanismo atr s descrito Davis 2009 No artigo referido o autor descreve sucintamente o funcionamento do sistema de avalia o do desempenho de seguidores solares Ao enquadrar esta tecnologia neste cap tulo a ideia utilizar um dispositivo semelhante para ser um sensor de seguimento solar extremamente preci
137. tricidade Estas c lulas s o dispositivos de um material semi condutor normalmente sil cio que quando iluminadas produz electricidade A c lula o elemento mais pequeno do sistema fotovoltaico produzindo tipicamente pot ncias na ordem dos 1 5W correspondentes a 0 5V e 3 A Tipicamente as c lulas s o ligadas em s rie e ou paralelo formando m dulos fotovoltaicos Castro 2002 Na actualidade os sistemas fotovoltaicos s o utilizados em v rios tipos de aplica es nomeadamente em aplica es de m dia pot ncia dezenas ou centenas de quilowatt e de pequena pot ncia d cimas ou unidades de quilowatt Castro 2002 As aplica es de m dia pot ncia s o utilizadas em electrifica o rural no abastecimento de cargas dom sticas em locais sem rede ou em produ o ligada rede Por sua vez as aplica es de pequena pot ncia s o aplicadas em rel gios calculadoras sinais rodovi rios e outras aplica es Nos ltimos anos tem se observado um enorme crescimento de instala es fotovoltaicas quer aut nomas quer e sobretudo ligadas rede A Europa tem um lugar de grande relevo na implanta o de grandes centrais de gera o fotovoltaica Oliveira 2008 Por exemplo em Moura Portugal Figura 1 2 existe um dos maiores projectos fotovoltaicos do mundo a central de energia solar fotovoltaica em Amareleja que consiste num sistema de 46MW de pot ncia pico e 35MW de pot ncia de injec o na rede conta
138. uma resposta que varie bastante com o ngulo de incid ncia 57 Figura 3 31 Teste de varia o do ngulo de incid ncia com uma resist ncia de IKQ Na Figura 3 31 est o representadas as curvas de resposta dos diferentes dispositivos rota o da luz Como se pode observar todos eles s o sens veis rota o da l mpada embora com diferentes n veis de sensibilidade De notar que o fototrans stor a verde tem muito pouca sensibilidade comparando com a fotoresist ncia a azul que mostra uma grande sensibilidade rota o da l mpada 3 2 2 2 1 Conclus o acerca do teste varia o do ngulo de incid ncia Com este teste foi poss vel verificar a resposta dos dispositivos varia o do ngulo de incid ncia de luz O fototrans stor revelou se pouco sens vel varia o do ngulo de incid ncia de luz Por outro lado tanto o fotod odo como a fotoresist ncia se revelaram bastante sens veis Numa aplica o em que a orienta o feita atrav s da compara o de dispositivos muito til que os dispositivos que a integram sejam sens veis ao ngulo de incid ncia Com a elabora o deste teste fica demonstrado que a fotoresist ncia com uma resist ncia de 1KQ bastante sens vel ao ngulo de incid ncia da fonte de luz 3 2 2 3 Teste em condi es reais O presente teste com a dura o de quatro minutos foi feito com a luz solar directa para uma boa percep o da influ nc
139. uminosidade 3 2 5 Modo de funcionamento Para o desenvolvimento do software foi adoptado um esquema baseado no n vel de diferen a de luminosidade das LDR Defina se uma vari vel e chamemos lhe ponto P O ponto P representa a diferen a de luminosidade entre duas LDR Como seria de esperar as duas LDR em quest o est o em quadratura ou seja o ponto P define a diferen a de luminosidade entre a LDR N Norte e a LDR S Sul mas tamb m a diferen a de luminosidade entre a LDR W Oeste e a LDR E Este Existem 68 portanto dois pontos P Sendo este um sensor para seguimento solar o que se espera que as LDR tenham o mesmo valor de luminosidade duas a duas Para simplificar atente se na Figura 3 47 Figura 3 47 Esquema de precis es Na Figura 3 47 encontra se esquematizado o sensor bem como a referida recta de precis o tanto no eixo vertical como no eixo horizontal A figura representa tamb m a situa o ideal do sensor ou seja o ponto P na zona X O facto de o ponto P se encontrar na zona X significa que as LDR Ne S ou Ee W dependendo se o movimento em causa for o horizontal ou o vertical est o iguais com uma diferen a de no m ximo o n mero de valores definido para a vari vel precis o m xima por exemplo quatro valores Estes quatro valores correspondem a 3 3 1024 4 ou seja 12 9 mV de diferen a no divisor de tens o o que neste caso considerado zero logo considera se que a lu
140. unctionality is based on image processing The aim of the image processing is to find the centre of the sun on the image and also the position where the system is pointing to This tool proved to be very useful on the evaluation of the tracking accuracy providing its error on the two axes in degrees In this document a comparison between astronomical and light sensor based sun tracking methods was made in which the reliability of both developed sensors was crucial This work was published in an article and presented in the conference Concentrating Photovoltaic Optics and Power in Bremerhaven Germany in October of 2010 Keywords light sensor sun tracking image processing photovoltaic systems XVII XVII Acronimos AC corrente alternada Alternating Current ACK bit de reconhecimento no protocolo I2C Acknowledge bit ADC conversor anal gico digital Analog to Digital Converter APS sensor de pix is activos Active Pixel Sensor CCD sensor para capta o de imagens Charge Coupled Device DC corrente cont nua Direct Current DC protocolo de comunica o Inter Integrated Circuit LDR fotoresist ncia Light Dependent Resistor LSB bit menos significativo Least Significant Bit NACK bit de n o reconhecimento no protocolo I2C Non Acknowledge bit PIC controlador program vel Programmable Interrupt Controller SCL linha de clock no protocolo DC Serial Clock Line SDA linha de dados no protocolo DC Seri
141. valor correspondente noite 650xVIsb V a estrutura inicia o seu movimento para Este De notar tamb m que enquanto a estrutura se movimenta para Este os valores dos dispositivos v o trocando de posi o dois a dois ou seja O dispositivo N inicia mais luminoso do que o S mas a situa o vai se invertendo O mesmo acontece com os dispositivos E e W 88 Andamento temporal do valor dos sensores Visb N 600 ee S E 650 w 500 Lux 700 mile 5 7 750 3 sm 850 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Tempo s a Andamento temporal da direc o no eixo horizontal Angulo 2 O 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Tempo s b Figura 4 22 a valor dos sensores e b movimento horizontal Na Figura 4 23 s o vis veis as duas posi es Na Figura 4 23 a a estrutura esta na posi o at onde conseguiu seguir o sol e na Figura 4 23 b encontra se j virada para Este esperando o amanhecer a Figura 4 23 Varia o da posi o da estrutura ao anoitecer Chegada a noite foi testada a robustez a poss veis interfer ncias externas tais como carros a passar com os m ximos ligados luzes de presen a na vizinhan a do seguidor como acontece realmente na estrutura de teste e pode ser vis vel na Figura 4 24 e muitos mais factores que podem induzir o sensor a erro Como se pode observar pela Figura 4 25 figura que ilustra o valor dos sensores durante a noite as influ ncias externas n o s o
142. vid Gomes Lu s Pina Lu s Pina 28 09 2010 28 09 2010 28 09 2010 109 WS R BOTICS User s Guide Objective Describe the procedures for operating data acquisition board Brief Description The data acquisition board has the following characteristics I2C communication Capacity for 8 inputs The sensors must have its output in voltage until 3 3V The aim of this product is to acquire data from several sensors providing to the user automatically the voltage of each sensor This tool has 8 sensor inputs and 4 I2C inputs outputs Connection to the WS Energia Robotic DC Interface R101 Ritz R 4x7 1 0603 R 47 1 0603 5DA1 lt SCI CONS 110 Taguspark Edf Tecnologia Il Pavilh o 46 2740 257 Porto Salvo Portugal T 351 214 212 190 E info ws energia com W www ws energia com User s Guide Sun Gravity Control Data Acquisition Board Connection to the Sensors The following picture shows where the sensors must be connected 01234567 IE ETIT EE The following picture shows an example where is desired to read the value of a sensor on the interface 2 The other inputs shall be connected to GND as shown 01234567 BR BIR 111 Taguspark Edf Tecnologia Il Pavilh o 46 2740 257 Porto Salvo Portugal T 351 214 212 190 E info ws energia com VV www ws energia com 112 Anexo III Comparison between astronomical and light sensor feedback sun tracking algorith

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