Este projeto
consiste no desenvolvimento de um sistema de Energy Harvesting para alimentar
uma boia oceanográfica, com o objetivo de aumentar o tempo de operação sem
intervenções. Este sistema foi desenvolvido utilizando tecnologias já
existentes, sendo que não haverá desenvolvimento das partes mecânicas
existentes na boia. A fronteira do sistema será o ponto entre a alimentação das
cargas e as cargas em si, uma vez que estas não fazem parte do sistema de
Energy Harvesting, apesar de estarem diretamente relacionadas com o sistema.
O sistema de
Energy Harvesting é constituído por seis subsistemas interligados entre si
segundo o seguinte gráfico:
- O bloco de Geração é onde se encontram os componentes encarregues de obter energia dos recursos existentes no local de implementação da boia, nomeadamente fontes renováveis.
- O bloco de Controlo é responsável pelo controlo do funcionamento do sistema, nomeadamente a capacidade de controlar os períodos de carga da bateria, gestão da alimentação das cargas, controlo de tensão no sistema e realizar a monitorização em todo o sistema.
- O bloco de Armazenamento é onde se armazena a energia obtida pela geração, para alimentar a bóia quando não existirem recursos disponíveis para produção de energia.
- O bloco de Conversão é o encarregue de fazer a conversão de energia entre a geração e o armazenamento, e gerar as diversas tensões especificadas para os componentes internos e externos ao sistema.
- O bloco de Interface envolve toda a interação dos utilizadores com o sistema.
- O bloco de Cablagem é o bloco responsável por todas as ligações entre os vários sistemas.
O System Breakdown Structure
completo deste sistema é o seguinte:
Para se
dimensionar os sistemas de geração e armazenamento é necessário conhecer as
cargas a alimentar, embora não façam parte do sistema. Assim sendo tem-se as
seguintes cargas:
A potência a
alimentar é de 14 W, sendo a tensão mais alta de 36 V e a corrente mais elevada
para alimentar de 600 mA.
GERAÇÃO
O bloco de
Geração é um sistema híbrido eólico/fotovoltaico constituído por:
- 4 Módulos fotovoltaicos cuja potência nominal é de 220 W;
- 1 Aerogerador de 72 W de potência nominal para um vento incidente de 7 m/s;
A conjugação
destas duas tecnologias permite um carregamento das baterias num período de 15
horas a um nível de tensão de 24 V DC. A ligação entre a produção e a bateria é
feita com recurso a um regulador de carga. No entanto a alimentação das cargas
é feita noutro nível de tensão, pelo que há necessidade da existência de vários
inversores DC/DC.
Painéis
A disposição
dos painéis fotovoltaicos é aquela que se encontra na figura. O painel
escolhido foi PW500, que utiliza células policristalinas PHOTOWATT. O
encapsulamento é em EVA (vinil de acetato etileno) resistente aos raios
ultravioletas, que cobre as células fotovoltaicas dentro dos laminados
protegendo-as da corrosão.
Cada módulo
tem 55 W de potência de pico e 12 V de tensão de referência, e os 4 módulos são
ligados como duas strings em paralelo, cada uma com dois módulos em série, para
que a tensão seja de 24 V.
As dimensões
de cada módulo são:
Aerogerador
O aerogerador
foi escolhido para se adequar a funcionar entre 5 e 20 nós. Sabe-se que no
local onde se pretende instalar a boia a velocidade do vento ronda os 7 m/s
(aproximadamente 13,6 nós), logo o aerogerador escolhido foi o AERO6EN, modelo
LVM624.
Este
aerogerador tem 24 V DC à saída e uma corrente de 5 A para as condições
especificadas de vento. Assim sendo tem-se uma potência nominal de 120 W, após
a retificação e regulação da tensão CC para a tensão nominal 24 V.
As dimensões
do aerogerador escolhido são:
Regulador de Carga
O regulador de
carga tem por missão tornar possível a integração de diferentes formas de
produção, para que quando existir excesso de corrente no sistema de produção,
ele limite essa corrente através de resistências para que a bateria não entre
em sobrecarga.
Os reguladores
utilizados foram os LVM SB, com tecnologia PWM para fazerem o carregamento das
baterias e têm um consumo de 10 a 15 mA.
A ligação do regulador às
baterias, ao aerogerador e aos painéis é feita da seguinte forma:
ARMAZENAMENTO
O armazenamento é constituído por
duas baterias 12V SOLAR BLOC que se pode ver na figura:
O tempo de carga das baterias
pode variar consoante as condições climatéricas e pode-se verificar esses
valores na tabela seguinte:
O
estado das baterias nunca será inferior a 60% da sua capacidade total, para
manter o bom estado das baterias. Caso não se verifique a existência de sol nem
vento, a alimentação das cargas será feita apenas com recurso às baterias.
Sabendo que a corrente necessária para alimentar todas as cargas ao mesmo tempo
é de 1 A temos:
Esta tabela
demonstra o tempo de descarga das baterias para o caso em que esteja com carga
mínima e máxima. A questão da intermitência de recursos é real e acarreta
problemas, daí a necessidade das baterias para assegurar o funcionamento
contínuo por 3 dias e meio sem necessidade de recarregar as baterias.
CONTROLO
O controlo é
feito com recurso a um microcontrolador Microchip dsPIC30F4013 com
capacidade para controlar todos os intervenientes do sistema, incluindo a
gestão da informação recolhida para a armazenar.
A informação é
recolhida pelos sensores e pelo medidor de carga, através de um interface SPI
(Serial Peripheric Interface) para conexão com a memória e com os medidores de
carga e de conversores de sinais analógicos para digitais para os diversos
sensores.
Devido à
necessidade de guardar uma grande quantidade de dados e garantir a sua
manutenção em casa de falta de energia, utilizou-se uma memória EEPROM 25LC1024
(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory). A memória escolhida tem
as seguintes características:
A medição
de potência ativa produzida nas unidades de geração é feita pelo MCP3909
da Microchip, uma vez que consegue realizar comunicações através de SPI com
o microcontrolador. Serão utilizados 3 MCP3909 para retirar valores dos
painéis, aerogerador e das baterias.
INTERFACE
O interface
surge com a necessidade de haver uma plataforma a bordo da boia que permita ao
operador comunicar com o sistema. Para isso, adicionou-se uma comunicação entre
o microcontrolador e um PC que serve para o utilizador recolher as informações obtidas
pelas cargas e dados relativos à geração de energia. Utiliza-se a comunicação
RS-232 através de um cabo, sendo necessário um conversor (max232) de RS-232
para TTL, uma vez que o microcontrolador apenas consegue receber sinais TTL.
CONVERSÃO
Neste sistema
utilizam-se vários níveis de tensão nas cargas e sistemas de controlo e
interface mas à saída das baterias a tensão é de 24 V, portanto torna-se
necessário utilizar reguladores step-down para baixar a tensão ou reguladores
boost quando se pretende elevar a tensão. Os reguladores utilizados variam
consoante a necessidade de cada sistema e foram os seguintes:
CONCLUSÃO
(Atualizado em: 25-06-2012)
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