An. 5. Enc. Energ. Meio Rural 2004
VirLab - ferramenta de ensino para a tecnologia de sistemas fotovoltaicos
Rita Maria B. MarquesI; Edgney Sarvio O. HolandaII; Fernando Luiz M. AntunesIII; Paulo Cesar M. de CarvalhoIII
IMestranda. Departamento de Engenharia Elétrica. Universidade Federal do Ceará. Cx. Postal 6001 CEP 60.455-760. Fortaleza-CE
IIGraduando. Departamento de Engenharia Elétrica. Universidade Federal do Ceará. Cx. Postal 6001 CEP 60.455-760. Fortaleza-CE
IIIProfessor. Departamento de Engenharia Elétrica. Universidade Federal do Ceará. Cx. Postal 6001 CEP 60.455-760. Fortaleza-CE
RESUMO
Este trabalho diz respeito ao uso da internet como um instrumento de informação e formação de pesquisadores e projetistas na área de sistemas fotovoltaicos (FV). Trata-se do desenvolvimento de um dispositivo capaz de fazer aquisição de dados e estimar o comportamento de um módulo FV, através de um software de simulação e de um sistema de aquisição de dados, disponibilizando os resultados na internet. Sendo o sistema flexível, possuindo uma interface amigável com o usuário, de fácil utilização e apresentando resultados em intervalos muito curtos, possibilitando o enriquecimento dos conhecimentos dos estudantes, através da internet, de maneira que apliquem a teoria sobre a transformação de energia pelo processo FV numa prática virtual de laboratório.
Palavras-chaves: Conversão fotovoltaica, conhecimento e informações, aquisição de dados, internet.
ABSTRACT
This work concerns about the use of the Internet as a tool of information and formation to researchers and planners in Photovoltaic (PV) systems. The setup is based on a computer device with a data acquisition system that is capable to simulate the performance of a PV module, through software and a data acquisition system, and show measurements in Internet. Being a flexible system, and having a friendly interface with the user, and having an easy operation for showing measurements in very short intervals, it making possible to give knowledge of students, through the internet, in a way to apply the theory about PV systems in a practical virtual laboratory.
Introdução
Os problemas ambientais causados pelas fontes convencionais de energia vêm estimulando a busca por fontes não poluentes. Por ser particularmente disponível em todos os lugares, a energia solar vem sendo uma solução viável para o problema. Embora não seja total ou definitiva, o aproveitamento desta energia, de forma direta ou indireta, pode suprir com grandes vantagens determinadas necessidades.
O crescente desenvolvimento de dispositivos para processar energia tem impulsionado o estudo desse tipo de transformação de energia sendo, portanto, o elemento impulsionador para a criação de sistemas voltados para o ensino nessa área.
Dentre as vantagens identificadas na prática do ensino à distância, destaca-se a possibilidade de acesso aos experimentos a qualquer hora do dia ou da noite, como forma de estimulação para que os alunos se interessem mais pelo tema da aula; e principalmente por ser uma forma interativa de aprendizado.
O conceito de ensino a distância não é novo e tem sido amplamente explorado em diversas áreas devido aos avanços da tecnologia e novas oportunidades que surgem com o advento da internet.
Além do meio de comunicação promissor para todas as áreas, os avanços tecnológicos da instrumentação virtual iniciam uma evolução dos velhos conceitos de ensino principalmente onde a teoria e a prática ficavam distantes (BORGES, 2002).
O uso de laboratórios virtuais para aulas práticas, onde ocorre a manipulação de instrumentos de medida e aquisição de dados em tempo real, é uma forma didática recente e aplicada em universidades distribuídas pelo mundo, como na Universidade Nacional de Singapura (HOON, 1998), na Universidade de Stanford (STANFORD, 2002) e na Universidade de Padova (BERTOCCO, 1998).
Nesta mesma linha, observa-se a utilização destes laboratórios em alguns países, Reino Unido (WOLFE, 2001) e países nórdicos como a Finlândia e a Suécia (GUSTAFSSON, 2001), com o objetivo de aumentar a consciência de estudantes e professores na ampliação da utilização da energia solar, que além de ser uma energia alternativa, passa a ser também uma nova maneira de estimular o uso da internet para absorver conhecimento e informações sobre esta tecnologia. Outra maneira de procurar com simplicidade informações seguras a respeito da energia solar é a utilização de sites que demonstram seriedade e dão base para trabalhos e aplicações nesta área (KOOT, 2001).
Motivação
Normalmente são encontrados, nos trabalhos e publicações sobre o assunto, diversas informações no que diz respeito a todas as características de um módulo FV, como sua geometria, tipo de semicondutor utilizado, forma de transferência de energia, aspectos que influenciam o seu comportamento, dentre outros, porém a grande maioria não apresenta resultados de forma flexível, sobretudo para iniciantes neste assunto. Além disso, as formas de apresentação de resultados são complexas, de difícil entendimento e com erros conceituais básicos, os quais prejudicam o entendimento e os propagam pela comunidade científica.
O sistema proposto visa o aprimoramento e a formação de profissionais nessa área. Logo, o direcionamento que tem tomado o desenvolvimento do laboratório, supera os níveis tanto de flexibilização dos ensaios, quanto do rigor nos resultados apresentados, sendo portanto, de grande valia para o aprofundamento do atual conhecimento sobre o uso racional, e previsível, de módulos FV.
O presente trabalho apresenta como o sistema implementado atua como um laboratório virtual, onde os estudantes de engenharia terão todas as informações e ensaios possíveis de serem realizados com módulos FV, instalados no telhado de um laboratório da Universidade Federal do Ceará, sem necessariamente ter uma conexão física com os mesmos, tendo em vista o custo elevado de investimento inicial, para a criação de laboratórios desse porte, por parte das universidades.
Laboratório Virtual - VirLab
O software Labview, desenvolvido pela National Instruments, possui uma linguagem baseada em diagrama de blocos, chamada "G", que utiliza uma programação de duas janelas:
- Painel frontal: janela vista pelo usuário, ou seja, é a tela de apresentação do programa;
- Diagrama de blocos: ambiente de programação em si, e cada objeto nessa janela tem uma ligação direta com um instrumento virtual do painel frontal.
O Labview possui um aspecto importante que é a compatibilidade com outras linguagens (C++, MatLab e Visual Basic), bem como a larga possibilidade para fazer aquisição de dados, tanto por medições em tempo real, como também pelo acesso remoto através da internet.
Desta forma, com esta possibilidade de apresentar elementos virtuais, bem como trabalhar em tempo real, o Labview é o software mais apropriado para satisfazer aos objetivos do projeto.
Assim, foi desenvolvido um ambiente de simulação do comportamento de uma célula FV, mostrando em seguida todos os passos básicos para se efetuar ensaios com módulos FV ou associação destes num mesmo ambiente virtual (HOLANDA, 2003 [7]).
Em seguida foi desenvolvido um hardware para aquisição de dados provenientes dos painéis FV que utiliza o microcontrolador AT90S8535. Com a utilização da programação básica em linguagem C, foi implementado um programa capaz de fazer a aquisição de valores de tensão de quatro canais analógicos do microcontrolador e transmiti-los, via serial, para um computador, a uma taxa de 9600 bps.
A publicação na internet dos dados coletados foi implementada de forma fácil e comum utilizando o formato de hipertexto (HTTP). Expondo para os usuários medições atualizadas em pequenos intervalos, de cerca de 5 à 10 minutos.
Assim, o sistema é capaz de fazer medições com o módulo FV e disponibilizar os resultados na internet, onde os estudantes terão a possibilidade de visualizar medições feitas tanto em sua própria instituição como em outras instituições que possuam o mesmo sistema, eliminando assim, a necessidade de montar um laboratório solar (HOLANDA, 2003 [8]).
Os resultados disponíveis foram adquiridos dos módulos FV instalados no Laboratório de Eletrônica de Potência localizado no Grupo de Processamento de Energia e Controle do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Ceará.
O endereço eletrônico que trata o trabalho é: http://www.li.dee.ufc.br/~edgney. Dentre os dados que estão sendo disponibilizados e atualizados na internet, pode-se obter:
- Gráfico de tensão x corrente;
- Gráfico de tensão x potência;
- Ponto de operação (tensão x corrente);
- Temperatura do módulo;
- Histórico de temperatura radiação local;
- Histórico de radiação;
- Estimativa das perdas resistivas (série e paralela);
- Posição do painel em relação à horizontal (tilt angle);
- Posição do sol a cada instante e identificação do air mass atual.
O sistema VirLab encontra-se em fase de testes, para validação das medições realizadas (figura 1), bem como para verificar a eficácia do método no aprendizado. Na figura 1, observa-se a carga resistiva que é alimentada pelos painéis FV, o computador, que é utilizado para disponibilizar as medições na internet e o hardware microcontrolado, que realiza a aquisição dos dados.
Uma visão geral do VirLab pode ser observada na figura 2, que mostra como os estudantes podem encontrar todas as informações acima citadas, podendo a partir de então praticar os seus conhecimentos teóricos sobre energia FV. Pode-se visualizar os gráficos referentes ao comportamento do módulo FV em um determinado instante de tempo, radiação e temperatura. Na mesma figura, do lado esquerdo, observa-se à posição do sol, na latitude de Fortaleza no dia 14/06/04 às 10:37 da manhã em relação aos eixos coordenados da rosa-dos-ventos, e a projeção que um obstáculo de altura unitária teria ao longo desse dia, ou seja, pode-se, por meio destas informações, estimar qual seria o melhor posicionamento que um módulo FV teria para se conseguir um melhor rendimento.
Conclusões
O sistema VirLab é capaz de funcionar como laboratório remoto com acesso por qualquer computador ligado à internet. Além disso, a forma como as medições são apresentadas permite que os ensaios feitos possam ser comparados com outros de pontos diferentes do país.
Logo, com o uso da tecnologia de comunicação à distância, tanto estudantes, pesquisadores e projetistas têm a possibilidade de acessar dados reais, confiáveis e, acima de tudo obter informações enriquecedoras para a consolidação dos conceitos advindos da conversão FV.
Portanto, este projeto serve de alicerce para futuros trabalhos e pesquisas sobre o aproveitamento da energia solar pelo efeito FV.
Referências
[1] BORGES, ADRIANA PAULA; Instrumentação virtual aplicada a um laboratório com acesso pela internet; Dissertação de mestrado; Escola Politécnica da Universidade de São Paulo; São Paulo; 2002.
[2] HOON, SUAT P; Conduting experiments over the internet; Instrumentation Newsletter, National Instruments; Vol. 10; Num. 4; 1998.
[3] www.cyberlaw.stanford.edu, acessado em março de 2002.
[4] BERTOCCO, MATEO; FERRARIS, FRANCO; OFFELLI, CARLO; PARVIS, MARCO; A client-server architecture for distributed measurement systems; IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement; Vol. 47; Num. 5; October; 1998.
[4] WOLFE, P.; CONIBEER, G.J; The scolar programme for photovoltaics in schools in the uk; Anais do 17th European Photovoltaic Solar Energy Conference; Munich; Outubro; 2001.
[5] GUSTAFSSON, MATTIAS; ANDERSSON, MATS; SOERENSEN, HENRIK; GAARDSTED, MARIA; FANINGER-LUND, HEIDRUN; OLDACH, ROLF; SELHAGEN, LEIF; The nordic pv school programme; Anais do 17th European Photovoltaic Solar Energy Conference; Munich; Outubro; 2001.
[6] KOOT, E. J.; www.pvportal.com your link to the solar world; Anais do 17th European Photovoltaic Solar Energy Conference; Munich; Outubro; 2001.
[7] HOLANDA, EDGNEY SARVIO O.; A internet como instrumento de publicação de dados sobre sistemas fotovoltaicos; Anais do XXII Encontro de Iniciação Científica, Universidade Federal do Ceará; Fortaleza; 2003.
[8] HOLANDA, EDGNEY SARVIO O.; Análise do comportamento de painéis fotovoltaicos num laboratório virtual; Anais do IX Encontro de Iniciação à Pesquisa da Universidade de Fortaleza; Fortaleza; 2003.