Heliostato

(Parte 1 de 4)

Plínio Franklin de Araújo Souza

Plínio Franklin de Araújo Souza

Trabalho apresentado a Universidade Federal do Vale do São Francisco – UNIVASF, Campus Juazeiro, como requisito da obtenção do título de Bacharel em Engenharia Elétrica.

Orientador: Prof. Dr. Militão Vieira Figueredo.

Souza, Plínio F. de A.

S719p Projeto e Montagem de um Sistema de Controle de um Heliostato

Microcontrolado / Plínio Franklin de Araújo Souza. -- Juazeiro, 2014. xv; 58f. : il. 29 cm.

Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia

Elétrica) - Universidade Federal do Vale do São Francisco, Campus Juazeiro, Juazeiro-BA, 2014.

Orientador: Prof. Dr. Militão Vieira Figueredo.

1. Energia Solar. 2. Sistemas Microcontrolados. I. Título. I.

Figueredo, Militão Vieira I. Universidade Federal do Vale do São Francisco. CDD 621.471 iv iv

vi

Aos meus pais, Assis e Goretti, minhas irmãs, Paola e Paloma e meu irmão Pablo.

vii

Primeiramente a Deus, por nossas vidas, pela força e determinação que me dá para enfrentar os desafios e por nos proporcionar, a cada dia, a possibilidade de realizar ações.

A toda minha família, em particular os meus irmãos e em especial aos meus pais, pela oportunidade de uma educação de qualidade, por sempre acreditarem em mim, pessoas fundamentais na realização desse trabalho.

Ao Professor Doutor Militão Vieira Figueredo, professor do colegiado de engenharia elétrica da UNIVASF campos Juazeiro, por acreditar em mim, pela orientação, paciência e críticas construtivas.

Aos demais professores do curso, que em suas respectivas disciplinas, contribuíram para minha formação.

À minha querida noiva Fernanda dos Passos, fundamental nesta etapa de minha vida, pelo companheirismo, atenção, carinho, paciência, e sobretudo, pelo exemplo de pessoa.

À todos os colegas de curso, em especial para Allan, Alexandre, Anísio, Cleiton, Diogo, Ezequiel, Gabriel, Gustavo, Hamilton, Felipe Alencar, Inácio, Itaman, Leonardo Araújo, Lucas, Nyegirton, Quelle, Radmila, Tárcio, Tiago, Vinícius e Vital, pelas conversas e ensinamentos durante todos esses anos.

Aos que não foram citados por esquecimento, peço desculpas. A todos, muito obrigado! viii

“Por vezes sentimos que aquilo que fazemos não é senão uma gota no mar. Mas o mar seria menor se lhe faltasse uma gota.” (Madre Tereza de Calcutá) ix

O heliostato é um sistema mecânico que possui dois eixos de rotação e um ou mais espelhos. Tem por finalidade refletir a luz do Sol que incide em seu espelho e mantê-la fixa em um ponto. Esses equipamentos são responsáveis por coletarem a luz do Sol em usinas heliotérmicas de torre central. Além disso, são bastante utilizados, entre outras aplicações, como sistemas de iluminação de ambientes e em processos fabris que necessitam de aquecimento. Sabendo disso, esse trabalho de conclusão de curso visa descrever o projeto e o desenvolvimento de um sistema automático de controle de posição de um heliostato. Para tanto, foi desenvolvido um sistema eletrônico contendo um microcontrolador da família PIC da empresa Microchip Tecnology, drivers para acionamentos dos motores, sensores, um CI calendário relógio e uma interface homem máquina. O microcontrolador implementa um algoritmo de controle (firmware) que se baseia no cálculo das coordenadas horizontais do Sol, azimute e altura. Um sistema mecânico de dois eixos e um espelho foi montado a fim de simular o desempenho do sistema de controle.

Palavras-chave: Heliostato, coordenadas solares, microcontroladores, firmware.

The heliostat is a mechanical system that has two rotation axes and one or more mirrors. Aims to reflect the sunlight falling on your mirror and keep it fixed at one point. These facilities are responsible for collecting the sunlight in heliothermics central tower plants. Moreover, they are widely used, among other applications, such as lighting environments and manufacturing processes requiring heating systems. Knowing this, the work of completing course aims to describe the design and development of an automatic control system of a heliostat position. For this purpose, an electronic system containing one PIC microcontroller family from Microchip company Tecnology, drivers to drive the motors, sensors, an IC calendar clock and a man machine interface was developed. The microcontroller implements a control algorithm (firmware) which is based on calculating horizontal coordinates of the sun height and azimuth. A mechanical system with two axles and a mirror was mounted to simulate the performance of the control system.

Keywords: Heliostat, solar coordinates, microcontrollers, firmware.

xi

Figura 1.1: Complexo de geração Solar Two, Barstow, Estados Unidos	2
Figura 1.2: Esquema da planta Solar Two	3
Figura 1.3: Média da radiação solar anual do Brasil	4
Figura 2.1: Sol visto por uma pessoa através de uma janela	7

torno de um eixo que é o prolongamento do eixo de rotação da Terra

8

Hemisfério Sul	9
Figura 2.4: Altura ( ) e azimute ( )	10
Figura 2.5: Declinação ( ) e ângulo horário ( )	1
Figura 2.6: Declinação do Sol no ano	12
Figura 2.7: Equinócios e Solstícios	12
Figura 2.8: Equação do tempo	14
Figura 2.9: Triângulo esférico	15
Figura 2.10: Triângulos de posição do Sol	16
Figura 2.1: Raios envolvidos e espelho	18
Figura 3.1: Divisão do sistema de controle elétrico do heliostato	19
Figura 3.2: (a) Pinagem do PIC18F452 e (b) Encapsulamento DIP40	20
Figura 3.3: Display LCD 16x2	21
Figura 3.4: Circuito LCD	2
Figura 3.5: Circuito do teclado matricial	23
Figura 3.6: Ligação das bobinas de um motor de passo unipolar	25
Figura 3.7: Circuito de acionamento do motor unipolar	26
Figura 3.8: Ligação das bobinas de um motor de passo bipolar	27
Figura 3.9: Diagrama de blocos do CI driver L298N	27
Figura 3.10: Driver motor de passo bipolar	28
Figura 3.1: Sistema sensor ótico	29
Figura 3.12: Característica do sinal de saída do sensor devido a rotação do disco	29
Figura 3.13: Chave ótica para sensoriamento de posição dos eixos do heliostato	30

31

LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 2.2: A esfera celeste é uma esfera imaginária, centrada na Terra, girando em Figura 2.3: A esfera celeste e seus pontos de orientação para um observador no Figura 3.14: CI DS1302 no encapsulamento DIP e o cristal oscilador de 32,768 kHz. Figura 3.15: Circuito do DS1203. .............................................................................. 31

Figura 3.16: Níveis de tensão de alimentação no sistema	32
Figura 3.17: Circuito do regulador de tensão 7805	32
Figura 3.18: Circuito eletrônico completo do heliostato microcontrolado	3
Figura 3.19: Layout da placa principal	34
Figura 3.20: Layout sensor de posicionamento de um eixo	34
Figura 3.21: Layout motor de passo unipolar	35
Figura 3.2: Layout motor de passo bipolar	35
Figura 3.23: Layout do teclado matricial	35
Figura 4.1: Fluxograma da rotina principal	38
Figura 4.2: Correção do azimute do espelho	39
Figura 4.3: Fluxograma de posicionamento do espelho	40
Figura 4.4: Rotina de ajuste da hora	41
Figura 4.5: Rotina de ajuste da data	42

xii Figura 4.6: Byte de comando para Calendário/Relógio ou endereço para memória

RAM	43
Figura 5.1: (a)Vista frontal do heliostato e (b) vista traseira do heliostato	4

Azimute

45

45

instalação	45
Figura 5.5: Circuito eletrônico do projeto: Integração de todos os módulos	46
Figura 5.6: Altura solar ao longo do dia 12/07/2014	47
Figura 5.7: Azimute solar ao longo do dia 12/07/2014	48
Figura 5.8: Declinação magnética	48
Figura 5.9: Posicionamento inicial da base do heliostato	49
Figura 5.10: Cenário montado para testes	50

demonstração. (a) início do processo; (b) 40 minutos após; (c) final do processo	50
Figura 5.12: Variação no eixo x ao longo do tempo para os dois sistemas	51

Figura 5.2: Detalhes da instalação dos motores e engrenagens (a) Altura e (b) Figura 5.3: Interface Homem Máquina implementada em placa de circuito impresso. Figura 5.4: (a) Placa de circuito impresso do sensor azimute e (b) Detalhe de sua Figura 5.1: Resultados do posicionamento das imagens nos eixos durante a Figura 5.13: Variação no eixo y ao longo do tempo para os dois sistemas. .............. 51 xiii

Tabela 1.1: Classificação dos coletores solares por graus de rastreamento	3
Tabela 2.1: Dias acumulados do ano	13
Tabela 3.1: Descrição dos pinos do LDC 16x2	2
Tabela 3.2: Passo completo motor unipolar	25
Tabela 3.3: Meio passo motor unipolar	25
Tabela 3.4: Passo completo motor bipolar	28

valores do NOOA e do Stellarium

47

LISTA DE TABELAS Tabela 5.1: Comparação dos valores de Azimute e Altura solar do sistema com os Tabela A 1: Lista de componentes eletrônicos...........................................................57 xiv SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO	1
1.1. OBJETIVOS	4
1.2. SÍNTESE DO TRABALHO	5
2 COORDENADAS SOLARES	6
2.1. O SOL E SEU MOVIMENTO APARENTE	6
2.2. A ESFERA CELESTE	7
2.3. SISTEMA DE COORDENADAS GEOGRÁFICAS	9
2.4. SISTEMA DE COORDENADAS HORIZONTAIS DO SOL	10
2.4.1. Declinação	1
2.4.2. Equação do Tempo	13
2.4.3. Ângulo horário solar	15
2.4.4. Altura solar ( )	16
2.4.5. Azimute solar ( )	17
2.5. FUNCIONAMENTO DO HELIOSTATO	17
3 SISTEMA ELÉTRICO DO HELIOSTATO	19
3.1. MICROCONTROLADOR 18F452	19
3.2. INTERFACE HOMEM MÁQUINA	21
3.2.1. Display LCD Alfanumérico	21
3.2.2. Teclado Matricial	23
3.3. ATUADORES	24
3.3.1. Driver motor unipolar	25
3.3.2. Driver motor bipolar	26
3.4. SENSORES	29
3.5. MÓDULO DATA/HORA	30

3.7. CIRCUITO COMPLETO DO PROTÓTIPO	32
3.8. LAYOUT DAS PLACAS	34
4 FIRMWARE DO SISTEMA	36
4.1. ROTINA PRINCIPAL	36
4.1.1. Ajuste da altura do espelho	37
4.1.2. Ajuste do azimute do espelho	39
4.2. ROTINA DE CONFIGURAÇÃO DA DATA E HORA	40
4.3. CALANDÁRIO RELÓGIO	43
5 CONSTRUÇÃO E TESTES	4
5.1. MONTAGEM MECÂNICA	4
5.2. IMPLEMENTAÇÃO DOS MÓDULOS	45
5.3. TESTES	46
5.3.1. Cálculos do firmware	46
5.3.2. Demonstração	48
6 CONCLUSÕES E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS	53
6.1. CONCLUSÕES	53
6.2. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS	53
REFERÊNCIAS	5

TCC – Projeto e montagem de um sistema de controle de um heliostato microcontrolado.

CAPÍTULO 1 1 INTRODUÇÃO

A partir da revolução industrial, em meados do século XVIII, a demanda energética mundial aumentou substancialmente. O carvão passou a ser a primeira fonte de energia largamente utilizada. O homem começou a preocupar-se com as variadas formas de se obter energia.

A fonte de energia mais utilizada atualmente ainda é a proveniente dos combustíveis fósseis, denominados de convencionais: petróleo, carvão mineral e gás natural. A geração de energia elétrica a partir desses combustíveis promove emissão de CO2 na atmosfera. Os estudos apontam ser este um dos gases causadores do “efeito estufa”, que eleva a temperatura do planeta promovendo mudanças climáticas (FILHO, 2009). Além de ser uma barreira no que se refere ao desenvolvimento sustentável.

Com o intuito de ampliar a capacidade de geração de energia elétrica e tornar-se menos dependente das fontes convencionais, foram incentivados e desenvolvidos diversos meios alternativos de geração buscando consigo o uso consciente dos recursos ambientais. Essas tecnologias utilizam fontes de energia renováveis como, o vento, as ondas dos mares, biomassa, o Sol, entre outras.

poluente e menos finita conhecida até o momento”

De acordo com Lopez (2012, p. 21) “A energia solar é a fonte de energia menos

O uso da energia solar para geração de energia elétrica vem crescendo em importância nos últimos anos. Nesse contexto, duas alternativas de aproveitamento são utilizadas. Uma converte diretamente a energia solar em elétrica por meio de células fotovoltaicas. A outra concentra a energia solar térmica, a fim de gerar vapor em alta temperatura, o qual, em uma etapa posterior, é convertido em eletricidade através de uma turbina a vapor e um gerador (PENAFIEL, 2011).

Os Estados unidos e Espanha são os pioneiros no desenvolvimento de tecnologias nesse setor. (LOPEZ, 2012).

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2050 (LOPEZ, 2012, p.23)

O cenário energético para a demanda de energia mundial nos próximos 50 anos, conforme estudos realizados pelo United Nations Solar Energy Group for Environment and Development (Unseged), mostra que a participação das energias solar e eólica será superior a 30% na demanda global em

Existem diversos tipos de sistemas que concentram a energia solar térmica para geração de energia elétrica, os mais comuns são: Cilindros parabólicos, discos parabólicos e torre central.

As usinas heliotérmicas de torre central são caracterizadas por concentrar a energia solar em um receptor (localizado no topo de uma torre). Na figura 1.1 é mostrado o complexo de geração solar de torre central, Two.

Figura 1.1: Complexo de geração Solar Two, Barstow, Estados Unidos. Fonte: National Renewable Energy Laboratory – NREL (w.nrel.gov)

A usina Solar Two, possui uma capacidade de produção de 10MW de energia, encontra-se localizada no deserto de Mojave na Califórnia, USA e entrou em operação em 1997 (LOPEZ, 2012).

Basicamente, em sistemas concentradores de torre central, a energia solar é levada por meio de heliostatos a um condensador cilíndrico no alto da torre, onde aquece um tanque contendo água e sais, o líquido é aquecido e circula em um circuito fechado onde passa por um tanque de sais quente, em seguida, por um gerador de vapor. O vapor aciona um sistema turbina-gerador que produz eletricidade. A figura 1.2 ilustra o esquema da Usina Solar TWO.

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Figura 1.2: Esquema da planta Solar Two. Fonte: EUSTÁQUIO (2011, p. 21).

Os elementos que tem por finalidade conduzir a energia solar para os receptores são chamados de coletores solares. Estes podem ser estacionários ou rastreadores. Dentre os rastreadores, os coletores podem rastrear em um eixo ou em dois. A tabela 1.1 mostra um comparativo entre os tipos de coletores solares e seus graus de liberdade de movimento.

Tabela 1.1: Classificação dos coletores solares por graus de rastreamento. Fonte: KALOGIROU (2009)

Motora Coletor Receptor Faixa de temperatura (°C)

Estacionário solar plano Plano 30 a 80 tubular a vácuo Plano 50 a 200 parabólico composto Tubular 60 a 240

Rastreamento em 1 eixo

Refletor linear Fresnel Tubular 60 a 250 cilíndrico parabólico Tubular 60 a 400

Rastreamento em 2 eixos

Disco parabólico Pontual 100 a 1500 Heliostato (torre central) Pontual 150 a 2000

O semiárido nordestino encontra-se em uma posição geográfica de destaque para o aproveitamento dessa fonte de energia. Com uma baixa umidade relativa do ar e possuindo, em média, 8 horas diárias de irradiação solar quando comparado com o restante do país. A região mais clara presente na figura 1.3 é onde se encontram as mais altas taxas de radiação solar durante o ano no Brasil.

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Figura 1.3: Média da radiação solar anual do Brasil. Fonte: (PEREIRA et all, 2006, p.34).

Em 2012, a Companhia Hidroelétrica do São Francisco (CHESF), a Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) e o Centro de Pesquisas de Engenharia Elétrica - CEPEL junto com o Ministério de Ciência e Tecnologia (MCT) firmaram uma parceria para implantação de uma planta piloto de uma usina heliotérmica em Petrolina-PE com capacidade de 1 MW de energia. O empreendimento será o primeiro desse tipo em todo o país (BELFORT, 2012).

1.1. OBJETIVOS

O presente trabalho visa o projeto e montagem de um heliostato microcontrolado, e o seu algoritmo de controle se baseia no cálculo das coordenadas horizontais do Sol ao longo do tempo. O objetivo é desenvolver uma instrumentação automática capaz de movimentar um espelho em dois graus de liberdade, de forma a manter projetado o reflexo dos raios solares incidentes ao espelho em um ponto fixo desejado no decorrer do tempo.

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1.2. SÍNTESE DO TRABALHO

O trabalho é composto de 6 capítulos, estando dividido da seguinte forma:

O capítulo 2 aborda uma fundamentação teórica sobre os sistemas de coordenadas solares, o conceito de esfera celeste, as grandezas características da dinâmica de movimento solar e as equações que descrevem o posicionamento do Sol no céu e o funcionamento de um heliostato.

O capítulo 3 descreve o hardware do circuito elétrico, desde o estudo e escolha dos componentes adequados, o projeto dos circuitos necessários ao sistema, como os circuitos de interface homem máquina, acionamento dos motores de passo, sensores, data/horário e alimentação até a realização do esboço das placas de circuito impresso.

No capítulo 4 é detalhado o firmware do sistema, ou seja, todos os comandos lógicos e necessários para o funcionamento adequado do heliostato. Os algoritmos principais são mostrados em forma de fluxogramas.

O capítulo 5 apresenta a montagem experimental, os testes e os resultados de caracterização do equipamento.

O capítulo 6 apresenta as conclusões obtidas com os resultados da montagem e dos testes e as propostas para melhoria do projeto desenvolvido.

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CAPÍTULO 2

2 COORDENADAS SOLARES

O Sol é a estrela mais próxima da Terra, a única e a que define o nosso sistema solar. Devido a sua grande massa, a Terra e os outros planetas do sistema solar, descrevem órbitas em torno dele. É o responsável por fornecer energia para o nosso planeta, incluindo os processos vitais (KALOGIROU, 2009).

O objetivo neste capítulo é descrever uma metodologia para o cálculo da posição do Sol no decorrer do tempo sob uma perspectiva geocêntrica.

2.1. O SOL E SEU MOVIMENTO APARENTE

A Terra possui dois tipos de movimento, rotação e translação. O de rotação é o movimento no qual ela gira em torno de si mesma em ciclos de aproximadamente 24 horas, sendo responsável pelos dias e noites. O de translação, onde ela gira em torno do sol a cada 365,25 dias em uma órbita elíptica distando em média 150 milhões de quilômetros do Sol. Devido à inclinação de 23,5º do eixo da terra em relação ao plano elíptico (plano de sua órbita em torno do Sol) as estações são produzidas à medida que a Terra gira em torno do Sol (KREITH e KREIDER 1978 apud EUSTÁQUIO, 2011, p. 30).

Ao se observar o Sol durante o dia, podemos notar seu movimento no céu. No nascer do Sol, pela manhã, ele encontra-se próximo do horizonte a leste do observador. Conforme as horas passam ele eleva-se em relação ao horizonte, percorre o céu de leste a oeste, e no pôr do Sol, aproxima-se do horizonte novamente, porém, a oeste do observador. E assim durante todos os dias do ano, a este movimento, chamamos de movimento diurno aparente do Sol.

Observando com um pouco mais de atenção esse processo, durante o ano ele não nasce e nem se põe nos mesmos pontos do horizonte para um observador no mesmo lugar. A figura 2.1 ilustra marcações diárias do nascer do Sol em uma janela de um mesmo ponto de um quarto, conforme os dias passam, a posição vai variando, atingindo os extremos nos meses de Junho e Dezembro.

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Figura 2.1: Sol visto por uma pessoa através de uma janela. Fonte: BOCZKO (1984, p.31)

Esse movimento aparente do Sol é cíclico e com período de um ano. Existem equações que descrevem o posicionamento do Sol, para um observador em qualquer ponto do globo terrestre. Algoritmos precisos e complexos são encontrados em: Computing the solar vector (BLANCO MURIEL, 2001), Solar Position Algorithm for Solar Radiation Applications (REDA E ANDREAS, 2008) e entre outros.

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