Desenvolvimento de um Rastreador Solar do Tipo Polar com Ajuste do Ângulo de Inclinação

82 Pages·2014·1.02 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E
UNIVERSIDADEFEDERALDO RIO GRANDE DO NORTE DE COMPUTAÇÃO
Desenvolvimento de um Rastreador Solar do
Tipo Polar com Ajuste do Ângulo de Inclinação
José Rômulo Vieira Lira
Orientador: Prof. Dr. Ricardo LúciodeAraújo Ribeiro
Dissertação de Mestrado apresentada ao
Programa de Pós-Graduação em Engenharia
ElétricaedeComputaçãodaUFRN(áreade
concentração: AutomaçãoeSistemas)como
parte dos requisitos para obtenção do título
deMestreem Ciências.
Natal, RN, 23 de Janeiro de 2014
UFRN / BibliotecaCentral ZilaMamede
Catalogação daPublicação naFonte
Lira, JoséRômuloVieira.
Desenvolvimento de um Rastreador Solar do Tipo Polar com Ajuste do Ân-
gulodeInclinação. /JoséRômuloVieiraLira. -Natal, RN, 2014.
65 f.: il.
Orientador: Prof. Dr. Ricardo LúciodeAraújo Ribeiro.
Dissertação(Mestrado)-UniversidadeFederaldoRioGrandedoNorte. Cen-
tro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de
Computação.
1. Rastreador solar - Dissertação. 2. Energia solar - Dissertação 3. Controle
de posição - Dissertação. 4. Estruturas - Energia solar - Dissertação. I. Ribeiro,
Ricardo LúciodeAraújo. II. UniversidadeFederal do Rio Grandedo Norte. III.
Desenvolvimento de um Rastreador Solar do Tipo Polar com Ajuste do Ângulo
deInclinação.
RN/UF/BCZM CDU 621.472
Desenvolvimento de um Rastreador Solar do
Tipo Polar com Ajuste do Ângulo de Inclinação
José Rômulo Vieira Lira
Dissertação de Mestrado aprovada em 23 de Janeiro de 2014 pela banca examinadora
compostapelosseguintesmembros:
Prof. Dr. Ricardo LúciodeAraújo Ribeiro (Orientador) .............. UFRN
Prof. Dr. FlavioBezerra Costa ..................................... UFRN
Prof. Dr. Francisco DeAssisDosSantos Neves ...................... UFPE
A todas as pessoas que contribuíram
para realização deste trabalho,
principalmente a todos os
companheiros do LEPER pelo apoio
e companheirismo.
Agradecimentos
Primeiramente,aDeus, quemeiluminouao longodestacaminhada.
Ao meu orientador, professorRicardo Lúciode Araújo Ribeiro, pelaorientação ao longo
destetrabalho.
A todos os amigos do LEPER, em especial a Thiago de Oliveira, Cecilio Martins e Ro-
drigoBarreto, pelacompanhia,dedicação eapoionosmomentosmaisdifíceis.
À minhafamília,emespecial aos meuspaise meusirmãos.
A CAPES, pelo apoiofinanceiro.
Resumo
O aproveitamento da energia solar para geração de energia elétrica tem apresentado
um crescente interesse nos últimos anos. Geralmente nestes sistemas, a conversão de
energia solar em elétrica é realizada por módulos fotovoltaicos, instalados em estruturas
fixas, com inclinação determinada em função da latitude do local de instalação. Neste
sentido, o uso de estruturas móveis, com rastreamento solar, tem possibilitado o incre-
mento da produção da energia gerada. Porém, o desempenho dessas estruturas depende
do tipo de rastreador instalado e do tipo de controle de posição utilizado. Nesta disser-
tação, é empregadauma estratégia de controlede posição aplicada a um rastreador solar,
que será instalado no Laboratório de Eletrônica de Potência e Energias Renováveis (LE-
PER),localizadonaUniversidadeFederal doRioGrandedoNorte(UFRN).Orastreador
será do tipo polar, com rastreamento diário no sentido leste-oeste e ajuste do ângulo de
inclinaçãomanualnos períodossazonais,no sentidonorte-sul.
Palavras-chave: Rastreador solar,energiasolar, controledeposição,estruturas.
Abstract
Abstract: The use of solar energy for electricity generation has shown a growing
interest in recent years. Generally, the conversion of solar energy into electricity is made
by PV modules installed on fixed structures, with slope determined by the latitude of
the installation site. In this sense, the use of mobile structures with solar tracking, has
enabledincreasedproductionofthegeneratedenergy. However,theperformanceofthese
structures depends on the typeof tracker and the positioncontrol used. In this work, it is
proposed positioncontrol a strategy applied for a solartracker, which will be installed in
LaboratoryofPowerElectronicsandRenewableEnergy (LEPER), locatedintheFederal
UniversityofRioGrandedoNorte(UFRN).Thetrackersystemisofpolartypewithdaily
positioningeast-westandtiltanglemanualadjustmentintheseasonalperiods,fromnorth
tosouth.
Keywords: Solartracker, solarenergy, positioncontrol,structures.
Sumário
Sumário i
Lista deFiguras iii
Lista deTabelas iv
Lista deSímbolos vi
Lista deAbreviaturas eSiglas x
1 Introdução 1
1.1 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Organização do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Estado da Arte 5
2.1 Rastreadores Solares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Rastreadores Passivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.2 Rastreadores Ativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 MotoresElétricosUtilizadosnoControledePosiçãodeRastreadores So-
lares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1 Técnicas deControledePosiçãodeMáquinasAssíncronas . . . . 11
2.3 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3 Rastreadores Solares 15
3.1 Classificação dos Rastreadores Solares Quanto ao Número de Eixos Ro-
tativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1.1 Rastreador SolardeumEixo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1.2 Rastreador SolardeDoisEixos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2 Classificação dosRastreadores Solares Quantoao TipodeEstrutura . . . 16
3.2.1 Estruturacom Pedestal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
i
3.2.2 EstruturaRoll-Tilt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2.3 Estruturacom PlataformaGiratória . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3 Classificação dosRastreadores Solares Quantoao TipodeControle . . . 18
3.3.1 Passivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3.2 Microprocessados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3.3 Eletro-Ópticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.4 ClassificaçãodosRastreadoresSolaresQuantoàEstratégiadeRastreamento 19
3.4.1 Rastreador SolarPolar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.4.2 Rastreador SolarAzimutal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.4.3 Rastreador SolardeEixoHorizontal . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.5 Estruturado Rastreador SolarProposto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.5.1 JustificativadeEscolhadaEstruturaProposta . . . . . . . . . . . 21
3.5.2 EstruturaMetálica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.5.3 TracionadorMecânico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.6 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4 Modelagem da Máquina Trifásica 26
4.1 Equações daMáquinaTrifásica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.1.1 Expressõesdos FluxosdaMáquinaTrifásica . . . . . . . . . . . 28
4.1.2 Expressõesdas TensõesdaMáquinaTrifásica . . . . . . . . . . 30
4.1.3 Expressão doConjugadoEletromagnéticodaMáquinaTrifásica . 31
4.2 Representação odq daMáquinaTrifásica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.2.1 Expressõesdos Fluxosemodq . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.2.2 Expressõesdas Tensõesem odq . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2.3 Expressõesdo ConjugadoEletromagnéticoem odq . . . . . . . . 35
4.3 Representação Bifásica dqdaMáquinaAtiva . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.4 Representação Vetorialdq . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.5 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5 Técnica de ControleEmpregada 38
5.1 ModelodaEstruturadeControleEmpregada. . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.2 ControledeCorrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.3 ControledePosição Angular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.4 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6 Resultados Experimentais 46
6.1 Identificação dosParâmetros daMáquinadeIndução . . . . . . . . . . . 46
6.1.1 Medição dasResistências Estatóricas . . . . . . . . . . . . . . . 47
6.1.2 Ensaioem Vazio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.1.3 Ensaiocom RotorBloqueado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.1.4 Cálculo dosParâmetros Mecânicos . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.2 Descrição doSistemadeControleImplementado . . . . . . . . . . . . . 52
6.3 Resultados Experimentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.4 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7 Conclusões 60
7.1 Conclusões Gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
7.2 TrabalhosFuturos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Referências bibliográficas 62
A Informações Adicionais 65
A.1 Dados deIdentificação do MotordeIndução . . . . . . . . . . . . . . . . 65