Com o objectivo de tirar partido da energia eólica e da energia solar térmica de forma distribuída para o aquecimento de água, este artigo foi projectado para efectuar o controlo de um sistema híbrido solar-eólico.
Este sistema para além de aquecimento de água a nível doméstico vai também efectuar produção de energia eléctrica para venda à rede, utilizando para o efeito uma turbina eólica de 2,5kW, sendo esta prática denominada de microgeração.
KleanEnergie4Life, LDA
O sistema funciona de uma forma muito simples. Aproveita a radiação solar para aquecer água num determinado reservatório como outro qualquer sistema de aquecimento solar, mas por outro lado conta com o auxílio de uma turbina eólica que inicialmente está ligada a uma resistência de aquecimento. Esta é ligada à saída do regulador da turbina eólica, para que a energia eléctrica seja dissipada no interior do reservatório térmico de forma a aquecer a água vinda da rede. Através deste sistema consegue-se compensar de certa forma as alturas em que houver fraca disponibilidade de um dos recursos, recorrendo ao outro se estiver disponível. Por exemplo de verão existe mais radiação solar e de Inverno existe maior disponibilidade do vento.
Foi elaborado também um ECU (Electronic Unit Control), para utilizar os colectores energéticos de forma optimizada e realizar a ligação à rede eléctrica quando a energia eólica não for suficiente para satisfazer o consumo. Quando a temperatura for a desejada, este comutará o aerogerador para venda de energia eléctrica à rede.
O aquecimento da água contida no reservatório térmico é feito com recurso ao colector solar e ao aerogerador em simultâneo e consoante as ordens fornecidas pelo ECU, ordens estas que dependem da temperatura da água no interior do reservatório (T1), da temperatura da água no colector solar (T2), da temperatura mínima (Tmin.) e da temperatura máxima (Tmáx.) definidas para a água armazenada. Este controlo está representado num diagrama de blocos que é apresentado de seguida.
O aerogerador está ligado a uma resistência no interior do reservatório, que é activada conforme as ordens do ECU. Por sua vez o colector solar aquece a água através de um sistema indirecto e com recurso a uma bomba de circulação do fluído, comandada pelo ECU.
Existe ainda uma ligação de tensão da rede à resistência de aquecimento, que é activada com ordem do ECU apenas como um recurso em caso da radiação solar e do vento não serem capazes de garantir a temperatura da água desejada. Finalmente, quando a temperatura no interior do reservatório é a desejada, o ECU comutará o relé do aerogerador, para a venda de energia eléctrica à rede.
Diagrama de blocos do sistema baseado em Energias Renováveis
DIAGRAMA ESTADOS (CAUSA EFEITO) DO FUNCIONAMENTO DO SISTEMA HÍBRIDO DE AQUECIMENTO DE ÁGUA
Cálculo da potência necessária da turbina
Na selecção da turbina, um dos critérios de escolha, seria o valor da potência. Para este item a quantidade diária de energia eólica e a velocidade média anual do vento no local a instalar a turbina são factores preponderantes. Este sistema como tem como principal objectivo o aquecimento de águas sanitárias, neste sistema utilizar-se-á um aerogerador, com uma potência de 3,5kW.
Colector solar
Neste sistema é necessário um colector solar-térmico com 4m² de área de colector solar para responder às necessidades.
Como este projecto, incide essencialmente sobre o projecto de uma unidade de controlo de processamento do sistema, apenas serão indicados as características técnicas dos equipamentos.
Figura 3: Colector Solar-Térmico com 2m2 de área
Termoacumulador
O dimensionamento do sistema de armazenamento de energia térmica é calculado em função de algumas variáveis que terão de ser determinadas ou admitidas, consoante a situação para a qual se está a fazer o cálculo.
No fundo, o que se quer é dimensionar o volume de armazenamento necessário para uma determinada situação que foi previamente estabelecida.
Os dados a definir previamente, são o volume de água consumido diariamente por pessoa à temperatura de consumo, a temperatura a que se pretende consumir a água, a temperatura da água da rede e a temperatura de armazenamento, só depois poder-se-á calcular o volume de água à temperatura de armazenamento necessário para garantir um dia de consumo a uma pessoa.
De seguida é apresentado uma figura com o termoacumulador a utilizar neste sistema.
Figura 4: Termoacumulador para 3 serpentinas
Resistência auxiliar de Aquecimento
Devido ao facto das energias renováveis em estudo neste trabalho terem um carácter imprevisível, ou seja, nunca se sabe quando o sol ou o vento estão presentes com a intensidade necessária, torna-se necessário implementar um sistema auxiliar de aquecimento da água.
Neste caso, o sistema auxiliar mais indicado, devido à sua simplicidade e fácil implementação, é uma resistência eléctrica de aquecimento ligada à rede de electricidade da habitação comandada pelo ECU. Esta resistência deve ser dimensionada em termos de potência, com base nos valores previamente calculados e/ou admitidos do volume do reservatório térmico, temperatura de armazenamento e temperatura da água da rede. Um factor a ser considerado é o tempo desejado (?t) para que a resistência seja capaz de sozinha aquecer todo o volume de água do reservatório desde a temperatura da água da rede, até a temperatura de armazenamento
O valor da potência recomendada para esta situação seria de cerca de 2,6 [kW], sendo natural que a opção a tomar corresponda à resistência standard existente no mercado mais próxima deste valor. Serão utilizadas 2 resistências de aquecimento de 2,5kW, uma alimentada em C.A (230V,50 Hz - Rede Eléctrica em Portugal) e outra em DC (saída do aerogerador).
Figura 5: Resistências utilizadas no termoacumulador para aquecimento de água
Figura 6: Incorporação da resistência de aquecimento no acumulador
Dimensionamento do rectificador eólico
A conversão de CA para CC poderá ser de onda completa ou de meia onda, consoante se utilizam as duas alternâncias ou apenas uma alternância da tensão alternada sinusoidal, respectivamente. Dependendo dos dispositivos semicondutores utilizados (díodos, transístores/tirístores), o rectificador poderá ter maior ou menor grau de controlo - rectificador totalmente controlado, semi-controlado ou não controlado.
A corrente proveniente do gerador é trifásica e alternada e necessita de ser rectificada. Assim é usado um rectificador trifásico de ponte completa. Na figura abaixo, está esquematizado a ligação do rectificador eólico.
Ligação do aerogerador a um rectificador trifásico de ponte completa
Nesta rectificação conduzem dois díodos de cada vez, um do conjunto superior (aquele cuja tensão no ânodo seja maior que as restantes) e um do conjunto inferior (aquele cuja tensão no cátodo seja inferior às restantes).
A forma de onda da tensão na carga toma, em cada intervalo de condução, a forma de onda duma tensão composta da rede. A forma de onda da tensão na carga apresenta o dobro dos picos que na rectificação em estrela.
A rectificação em ponte tem menos ondulação que a rectificação em estrela.
O rectificador eólico tem como principal função, a de rectificar a corrente em AC para DC. Normalmente quando estamos perante sistemas híbridos, isto é, energia eólica e solar fotovoltaica para alimentar sistemas isolados (com baterias), é utilizado um equipamento denominado Regulador Eólico.
Este tem duas funções, sendo que a primeira é evitar sobrecargas nas baterias e a segunda, evitar que a energia flua em sentido inverso quando não há vento. É requerido que a tensão de ripple proveniente do rectificador não exceda os 10 %. Alguns fornecedores incluem o rectificador integrado na turbina, tendo nas restantes vezes de ser adquirido em separado. Os fabricantes do inversor costumam incluir os valores das grandezas de entrada referentes à tensão e corrente após a saída do rectificador.
O rectificador eólico utilizado tem 3 entradas trifásicas, vindas do aerogerador e terá uma saída bipolar em DC, para o inversor do sistema (Figura 7).
Para a escolha do regulador eólico, este terá de ser previsto para o valor da corrente IMÁX. DC: PMÁX. / UDC MÁX. Para um aerogerador de 2500 W a 300 VDC, iremos precisar de um regulador de carga que suporte IMÁX. DC = 2500/300 ˜ 8,33 Ampere. O rectificador terá de ter um IN = 10A (valor existente no mercado).
À entrada do regulador, temos um comutador rotativo de isolamento, para posteriores manutenções a efectuar, a montante e a jusante do rectificador (Figura abaixo). Através deste comutador rotativo, que é ligado entre a turbina eólica e o rectificador, consegue-se isolar a turbina eólica de toda a instalação. Efectuando esta operação, o inversor da SunnyBoy vai entrar em modo "Sleep". À saída, como protecção é colocado um fusível de 10A, contra possíveis curto-circuitos.
Para monitorizarmos o valor da tensão e da corrente à saída do rectificador, colocamos um amperímetro em série e um voltímetro em paralelo, nos terminais à saída do regulador.
Esquema de ligações eléctricas do rectificador eólico ECM2504
Funcionamento do ECU
Neste projecto o ECU (Electronic Control Unit) serve para controlar a bomba de circulação da água do colector solar e as resistências de aquecimento, conforme as temperaturas em alguns pontos do sistema (Figura acima). Também irá fazer a comutação entre a rede eléctrica quando a temperatura do reservatório não for a desejada.
Controlo da bomba de circulação
A bomba de circulação é activada sempre que a temperatura do fluído no interior do colector solar (T2 na figura 8) for 10ºC superior à temperatura da água armazenada no reservatório (T1 na figura 8) e desactivada sempre que a temperatura do fluído no colector for igual ou inferior à temperatura da água armazenada.
Controlo das resistências de aquecimento
A resistência da turbina eólica normalmente está sempre activada sendo desactivada quando T2= 60º C ou Vn = 18m/s.
A resistência auxiliar está ligada à tensão da rede eléctrica e só é activada quando a temperatura da água de armazenamento for inferior a 40ºC (T2 = 40ºC) e Vn = 4,975 m/s e T2 + 10 <T1.
A resistência é desactivada quando a temperatura chegar aos 60ºC (T2= 60º C).
Projecto do ECU (Electronic Control Unit)
O ECU (Electronic Control Unit) é constituído basicamente por um microcontrolador, em que este controla os valores dos sensores à entrada e actua os dispositivos à saída. Neste artigo apresentado aos leitores, o ECU (Electronic Control Unit) serve para controlar a bomba de circulação da água do colector solar e as resistências de aquecimento, conforme as temperaturas em alguns pontos do sistema. Também irá fazer a comutação entre a rede eléctrica quando a temperatura do reservatório não for a desejada.
Um sistema de aquisição de dados consiste num conjunto de hardware e software que nos permite comunicar com o meio exterior. Assim sendo pode dizer-se que um sistema de aquisição de dados é um conjunto de componentes que nos permite analisar fenómenos físicos que nos rodeiam.
Por exemplo, se tivermos um sistema de aquisição de dados a monitorizar uma ponte, podemos, a qualquer momento, saber se existem deformações ou alterações na estrutura da ponte.
A informação é enviada por sensores que convertem grandezas físicas não eléctricas em grandezas eléctricas (sinais de tensão ou de corrente), essa informação provenientes dos sensores são muitas vezes incompatíveis com o hardware do sistema de aquisição de dados. Para ultrapassar esta incompatibilidade, dever-se-á proceder ao condicionamento do sinal.
O condicionamento de sinal tem como objectivo converter a grandeza eléctrica fornecida pelo transdutor e adequá-la ao passo seguinte. A filtragem, a amplificação e a linearização são as mais importantes funções desempenhadas pelo bloco de condicionamento de sinal, num dado sistema de instrumentação/controlo.
Por exemplo, nos transdutores passivos, a alteração da grandeza que se pretende medir vai provocar uma variação de resistência, indutância ou capacidade. É então necessário converter a variação dessas grandezas (já eléctricas) num sinal de tensão ou corrente.
As formas mais comuns de condicionar um sinal incluem:
o Amplificação
o Filtragem
o Isolamento eléctrico
o Multiplexagem
o Fonte de excitação (tensão ou corrente)
o Linearização
Torna-se necessário compreender a natureza do sinal que se pretende medir, a configuração usada para medir o mesmo, e os efeitos provenientes do meio que envolve o Sistema de aquisição de dados. Baseando-se nessas informações, é possível determinar que tipo de condicionamento de sinal será necessário integrar no sistema para efectuar medições mais exactas.
Transdutor - É um dispositivo que converte uma forma de energia em outra forma de energia.
Sensor - Mede a magnitude das variáveis do sistema
Classificação dos sensores
* Campo de aplicação
biomedicina, meteorologia, consumo, automação, etc.
* Função que realizam ou o que medem: pressão, aceleração, campo magnético, temperatura, capacidade térmica, etc.
* Princípio físico de funcionamento
Transdução resistiva, transdução capacitiva, transdução indutiva, transdução piezoeléctrica, transdução piezoresistiva, transdução fotovoltaica, transdução termoeléctrica, etc.
* Forma de energia do sinal que convertem
Mecânica, magnética, radiante, térmica e eléctrica (não há conversão da forma de energia do sinal)
Nos vários sensores que existem no mercado, estes normalmente possuem uma faixa de sinal de saída que possuem. Daí a necessidade de lhe efectuar o chamado "Condicionamento de sinal".
De seguida é apresentado a título de exemplo uma gama de valores mais comuns de sinais de saída de termopares.
Variação da resistência com a temperatura
Conversores resistência tensão
Este conjunto de amplificadores são utilizados quando se pretende converter a saída de um transdutor em resistência para uma tensão. Transdutores típicos são por exemplo os extensómetros.
Conversores simples
Se a resistência variável tiver uma amplitude apreciável, de preferência entre um valor nulo e um valor máximo, pode-se utilizar a montagem da seguinte Figura.
Conversor resistência tensão.
Esta montagem tem como tensão de saída:
A resistividade e portanto a resistência de qualquer condutor metálico não é constante mas aumenta à medida que a sua temperatura se eleva.
A expressão desta variação é dada Por:
Legenda:
R1?resistência inicial
R2?resistência final
? ?Coeficiente de temperatura
(t2 - t1) ? variação da temperatura
Coeficiente de temperatura (?) de um material é a variação sofrida pela resistência de 1? desse material quando a sua temperatura aumenta de 1ºC.
Em primeiro lugar foi efectuado um condicionamento se sinal para os dois sensores de temperatura PT1000 e também para o anemómetro. Após este condicionamento foi elaborado o programa do microcontrolador no software AVR Studio 4, da ATMEL.
Condicionamento sinal para a primeira PT1000
A alimentação dos AMPOP'S será feita a ± 15 VDC. Os potenciómetros utilizados serão a multi-volta CERMET.
Condicionamento sinal para a segunda PT1000
O anemómetro converte a velocidade do vento num sinal físico, geralmente num sinal eléctrico pulsante. O condicionamento de sinal transforma o sinal do anemómetro num sinal para amostra, a ser realizada pelo A/D do microcontrolador.
Condicionamento sinal para o anemómetro
Diagrama blocos do ECU (Electronic Control Unit)
À saída do microcontrolador serão ligados relés com alimentação a 6 VDC, de forma a comutar entre o aerogerador ou a rede eléctrica. O circuito da activação das saídas será o mesmo.
Quando o relé desliga, a energia armazenada na bobine, dissipa-se através do díodo de roda livre D1 e não através do transístor "2QN2222 (junção colector - emissor).
O funcionamento do transístor - relé baseia-se no seguinte:
* Vo = +15 V ? VBE = 0,7 V ? transístor em saturação ? Ic aumenta ? Relé atraca
* Vo = -15 V ? VBE = 0 V ? transístor ao corte ? Ic = 0 ? Relé não atraca
Esquema eléctrico de ligação à saída do microcontrolador para activação das saídas
Programa controlo da unidade ECU do sistema de Energias Renováveis
#include <interrupt.h>
#include <stdio.h>
unsigned int leitura_ad0,leitura_ad1,leitura_ad2;
char buffer[20]; //Buffer em memória para USART
//******* Inicialização dos portos do ATMega128 *********
void inic(void)
{
PORTC=0;
DDRC=0b00000111; //configura o porto C como saída de dados
//portc.0= relé activação da Bomba de circulação
//portc.1= relé de comutação para a rede
//portc.2= relé do aerogerador
//sreg=0b10000000;
//activa as interrupções globais
}
//******* Inicialização do AD *********
void inic_ad(void)
{
ADMUX = 0b11000000; //Utiliza referência interna
ADCSRA = 0b10000111; //Enable do AD e ..
//..divisão do clock de 16MHz por 128
}
//**** Inicialização da USART0 ****
void init_usart0(void)
{
UBRR0H = 0; //Taxa de comunicação = ...
UBRR0L = 103; //... 9600 bps
UCSR0C |= 0b00000110; //8 bits, 1 stop, sem paridade
UCSR0B |= 0b00011000; //Enable de Tx e Rx
}
//**** Transmissão de um caracter pela USART0 ****
void usart_transmit(unsigned char data)
{
while(!(UCSR0A & (1<<UDRE0))); //Espera que o caracter anterior tenha sido transmitido
UDR0 = data; //Transmite caracter
}
//**** Transmissão de um buffer de caracteres ****
void tx_buffer(void)
{
unsigned char p;
p = 0;
while(buffer[p] != 0)
{
usart_transmit(buffer[p]);
p++;
}
}
//******* Função de leitura do AD0,AD1 e AD2 (leitura de T1,T2 e anemómetro)********
unsigned int ler_ad(unsigned char canal)
{
unsigned int resultado=0,media=0,soma=0,i=0;
unsigned char lbyte, hbyte;
soma=0;
// ADMUX = (ADMUX & 0b11000000) | canal; //Escreve em ADMUX o canal 0 de conversão
ADMUX = 0b11000000;
ADMUX = ADMUX | canal;
for(i=0;i<=15;i++)
{
ADCSRA |= 0x40; //Ordem de início de conversão
while(!(ADCSRA & 0x10)); //Espera fim de conversão (bit 4 do ADCSRA)
lbyte = ADCL; //Lê o byte menos significativo
hbyte = ADCH; //Lê o byte mais significativo
ADCSRA |= 0b00010000; //Escreve 1 na flag de fim de ..
//.. conversão para fazer o seu reset
resultado = (unsigned int)hbyte; //Compõe o resultado (para 16 bits)
resultado = resultado <<8;
resultado = resultado + lbyte;
//faz a média de 16 valores devido a estarmos a trabalhar em
//baixas frequências
soma = soma +resultado;
}
media=soma >> 4;
return(media); //Retorna o resultado
}
//******** PROGRAMA PRIMNCIPAL ***********
// O que este programa faz é ficar sempre em ciclo
// efectuando a leitura do canal 0,1 e 2 do AD e atribuíndo
// o resultado da leitura à variável leitura_ad0, leitura_ad1 e leitura_ad2
// activa os relés de comutação e a bomba de acordo com os valores lidos nas entradas
int main(void)
{
inic();
inic_ad();
init_usart0();
sprintf(buffer,"Teste do AD\n\r");
tx_buffer();
while(1)
{
leitura_ad0 = ler_ad(0); //leitura do valor da temperatura em T1
leitura_ad1 = ler_ad(1); //leitura do valor da temperatura em T2
leitura_ad2 = ler_ad(2); //leitura do valor da velocidade do vento no anemómetro
sprintf(buffer,"ad0=%d ad1=%d ad2=%d\n\r", leitura_ad0, leitura_ad1, leitura_ad2);
tx_buffer();
if( ( leitura_ad0 < 205 ) ) //temperatura T1 <40ºC?
{
if( ( leitura_ad2 < 28 ) ) // vento < 5m/s ?
{
PORTC = 0b00000100; // vai à rede
sprintf(buffer,"Rele3\n\r");
tx_buffer();
}
else{
PORTC = 0b00000001; //se há vento liga a bomba
sprintf(buffer,"Rele1\n\r");
tx_buffer();
}
}
else{
if( ( leitura_ad1 + 51 < leitura_ad0 ) ) // T2+10<T1 ?
{
PORTC = 0b00000001; // bomba ligada
sprintf(buffer,"Rele1\n\r");
tx_buffer();
}
else{
if( ( leitura_ad2 > 28 ) & ( leitura_ad2 <= 100 ) ) //se há vento
{
if( ( leitura_ad0 >= 307 ) ) // e se T1 >60ºC ?
{
PORTC = 0b00000010; // vende à rede
sprintf(buffer,"Rele2\n\r");
tx_buffer();
}
else{
PORTC = 0b00000001; // continua a bomba ligada
sprintf(buffer,"Rele1n\r");
tx_buffer();
}
}
}
}
}
}
Configuração dos pinos ATmega128
Figura 14: Disposição dos pinos do ATMega128
Porto F - Entrada de dados para o ADC
Porto C - Envio de sinais aos actuadores
O ATMEGA 128 é um microcontrolador de 8 bits desenvolvido pela ATMEL. O ATMEGA 128 contém:
* 128 K bytes de memória flash
* 4K bytes de memória EEPROM
* 4K bytes SRAM, com opção de 64K bytes externos de memória opcionais
* Interface ISP para sistema de programação
* Interface JTAG (IEE std 1149.11 compilado)
Factores periféricos:
* Dois timer/counters de 8 bits com prescalers separados e modos de comparação separados;
* Dois timer/counters de 16 bits com prescalers separados, modos de comparação separados e modos de captura;
* Tempo real com separador oscilador;
* Dois canais de PWM de 8 bits;
* Seis canais de PWM de 2 até 16 bits alteráveis através do programa;
* Comparador de saída modulado;
* Oito canais de 10 bits ADC;
Factores especiais:
* Oscilador RC interno calibrado;
* Fontes externas e internas de interrupção;
* Seis modos de latência: Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Powerdown, de espera, e prolongado de espera;
* Frequência de clock solucionável por software
Sensores de temperatura PT1000 utilizados no reservatório
Sensores de temperatura PT1000
Características técnicas do anemómetro utilizado no projecto
Anemómetro utilizado no projecto da marca Yankee
