Equipa:	Grupo 02: Miguel Leite (Coord.) , Filipe Silva , Filipe Miranda , Francisco Heleno , José Paredes
Empresa:	Sinuta SA.
Orientadores:	Prof. Paulo Pedreiras (DETI) Eng. Diogo Matos (Sinuta SA.)

A produção de energia elétrica 'verde' nunca foi um tópico tão importante, então, soluções inteligentes e que maximizem os recursos naturais disponiveis são aspetos cruciais neste paradigma. Desafiados pela Sinuta SA, o "START - Solar TrAcker with Remote conTrol" pretende maximizar a eficiência de um painel solar ao criar um sistema que o faça seguir o sol, conseguindo também medir e visualizar algumas métricas sobre a produção energética remotamente.

Desafio

Nos últimos anos, impulsionado por incentivos nacionais e europeus, o mercado das energias renováveis expandiu-se rapidamente. Especificamente, a capacidade de instalação solar em Portugal aumentou 45% entre 2021 e 2022, com o objetivo de atingir uma oferta de energia renovável de 80% até 2030 [1]. No entanto, o mercado atual de ‘solar trackers’, dispositivos que pretendem maximizar a eficiencia de paineis solares ao seguirem o sol, é muito limitado na Europa, especialmente para painéis com potências entre 90 W e 250 W, onde as opções disponíveis são caras e muitas vezes exigem que a montagem seja feita pelo próprio consumidor [2][3][4].

O desafio proposto pela Sinuta SA dividiou-se em duas vertentes diferentes que necessitavam de integração posterior. Por um lado, desenvolver um sistema que siga o sol para aumentar a eficiência de um painel solar de 100 W. Por outro, conseguir obter métricas do sistema, remotamente, para posterior tratamento e visualização numa aplicação móvel. Os objetivos inicias foram os seguintes:

Sistema que consiga um tracking solar eficiente;
Controlo dos atuadores com base no sistema de tracking;
Medição da potência produzida pelo painel solar;
Transmissão, tratamento e vizualização dos dados remotamente.

O diagrama de blocos abaixo apresenta a visão geral da solução proposta, com a definição inicial de algumas entradas e saídas do sistema.

Outro passo fundamental foi ter uma visão inicial da estrutura, que necessitaria de ser desenvolvida e montada pela Sinuta SA. Para isso, um modelo preliminar foi desenvolvido pela equipa, de modo a ser iterado posteriomente, facilitando algumas discussões sobre aspetos mais especificos. Neste primeiro modelo ainda estão presentes os sensores de luz, que na solução desenvolvida não foram escolhidos devido à existencia de uma opção mais vantajosa, o ‘tracking’ através de tabelas de valores.

Especificações do projeto/Resultados

Conforme o desafio proposto acima, de modo a compreender melhor os resultados obtidos durante a realização do projeto, iremos fazer uma breve explicação do sistema desenvolvido.

Protótipo final da estrutura

Trabalhando com o desenho preliminar da estrutura apresentado inicialmente, foi possível por parte da equipa da Sinuta SA. desenvolver um protótipo final que tivesse em conta os requisitos pretendidos.

Divisão do protótipo

No nosso sistema temos três sensores que lêem três variáveis importantes para a monitorização, sendo eles, um sensor de corrente (medição da corrente produzida pelo painel solar), divisor resistivo (medição da diferença de potencial produzida pelo painel solar) e um anemómetro (que indica a velocidade do vento, para finalidades de segurança). Para além dos sensores temos eletrónica de acondicionamento de sinal, uma fonte de alimentação que alimenta o circuito nesta fase de desenvolvimento e, por fim, dois atuadores que controlam o movimento do painel solar de modo a permitir um acompanhamento do mesmo ao longo do dia.

Todos os dados recolhidos são guardados numa base de dados localmente (no micro-computador) e numa base de dados na aplicação (plataforma simples e eficaz com todos os dados recolhidos, incluindo o estado de segurança do sistema).

Por observação do diagrama de blocos geral do sistema, podemos dividir em dois blocos, sendo um deles constituído pelos sensores e base dados. E o outro sendo constituído pelos actuadores. Ambos os blocos contém desenvolvimento em hardware e software, sendo a ponte desta divisão o micro-computador, que se encontra localmente.

Sensores
- O circuito de medição de potência utiliza um divisor de tensão e um sensor de corrente para medir a saída do painel solar. Com base nas especificações do painel solar (tensão de circuito aberto de 45 V, corrente de curto-circuito de 2,7 A), foi concebido um divisor de tensão específico para medir a tensão do painel sob uma carga de 15 Ω a 100 W. Esta carga simula as ligações típicas a um inversor.
- Para permitir a interpretação do sinal dos sensores, é utilizado um ADC externo, o MCP3008, devido ao facto de o microcomputador escolhido não possuir pinos analógicos. O ADC MCP3008 de 10 bits e 8 canais é económico, oferece uma boa resolução e é fácil de utilizar em aplicações Raspberry Pi via SPI.

Fonte de alimentação
- Para alimentar todos os circuitos, a equipa desenvolveu a seguinte arquitetura: Uma fonte de alimentação AC/DC converte os 220 V AC da rede eléctrica para 36 V fixos, fornecendo energia aos dois motores de passo. Dois conversores de corrente contínua reduzem a tensão de 36 V para 5 V (exclusivamente para o microcomputador) e 9 V (para o anemómetro e os circuitos de controladores). Dois pequenos reguladores de tensão convertem ainda os 9 V em 5 V e 3,3 V para utilização nos circuitos de condicionamento.

Atuadores e seu controlo
- O bloco dos atuadores requer ligações ao controlador e ao microcomputador para um controlo preciso.
- O script de controlo do motor tem os seguintes requisitos:
  - Recuperar os valores tabelados do dia atual para os ângulos de elevação e azimutal
  - Aplicar estes ângulos como passos nos motores de passo, durante as horas de exposição solar e em períodos de 15 em 15 minutos;
  - Posicionar o painel solar numa posição de segurança em caso de vento forte;
  - Repor a posição do motor, determinando o seu valor absoluto;

Leitura dos sensores, transmissão e base de dados
- O algoritmo lê os dados dos sensores, incluindo a corrente, tensão e velocidade do vento, convertendo-os para unidades SI e calculando a potência. Se a velocidade do vento ultrapassar um limite, a variável “Estado” muda para ativar o modo de segurança. Os dados dos sensores são armazenados na base de dados para uso em outros scripts, especialmente no script de transmissão. O diagrama de blocos seguinte representa o funcionamento do script.

Para este efeito, utilizámos o MQTT, utilizando um padrão de mensagens de publicação/subscrição. Nesta arquitetura, o broker atua como um intermediário que gerencia a troca de mensagens entre dispositivos ou aplicações. As nossas transmissões têm o seguinte padrão lógico:

Aplicação
- A aplicação Android, criada em Kotlin, tem como objetivo apresentar os dados do sistema desenvolvido. Utilizando a sua base de dados local, a aplicação reduz as transmissões apenas às informações mais recentes e permite o acesso aos dados do sistema de monitorização.
- A aplicação efectua consultas específicas para apresentar informações cruciais no ecrã inicial, ou pode calcular a média dos dados com base em intervalos horários, diários ou mensais, dependendo da escala selecionada no ecrã de dados. Além disso, os utilizadores podem configurar as definições de transmissão e gerir a base de dados através do ecrã de definições.

Protótipo final
- Assim, foi possível fazer a montagem da maioria dos componentes antes da integração na estrutura metálica.

As restantes figuras demonstram todos os componentes integrados na estrutura incluindo o painel solar em diversas posições.

Mais informações do projeto

Toda a informação técnica do projeto, incluindo diagramas elétricos, testes, resultados e discussão, pode ser encontrada no ‘Technical report’: https://uapt33090-my.sharepoint.com/:b:/g/personal/filipe_msilva_ua_pt/EaiuB8yWqDhHrOvBT4peR70BeoBuif-nOPwh6LFvYAYGRQ?e=Wdkpv0

Budget

Um dos desafios iniciais colocados pela Sinuta SA, e talvez o mais desafiante, foi tentar desenvolver uma solução com um custo competitivo, já que, como foi dito acima, as opções disponiveis no mercado são bastantes caras. A tabela abaixo mostra o custo do produto final, utilizando os componentes escolhidos pela nossa equipa. Em falta está o custo da estrutura metálica e algum material básico como cabos elétricos, zipties, entre outros.

Referências

[1] Mordor Intelligence™ Industry Reports. PORTUGAL SOLAR ENERGY MARKET SIZE & ANÁLISE DE QUOTA - TENDÊNCIAS DE CRESCIMENTO & PREVISÕES (2023 - 2028), Mordor Intelligence. https://www.mordorintelligence.com/pt/industry-reports/portugal-solar-energy-market

[2] Black Friday Mega Store, Diy DC Dual Axis Pan Tilt Solar Tracking (16/10/2023), https://www.Diy DC Dual Axis Pan Tilt Solar Tracking

[3] The Solar Store, Wattsun AZ-225 Dual Axis Active Solar PV Panel Tracker (16/10/2023), https://thesolarstore.com/wattsun-az-225-dual-axis-active-solar-pv-panel-tracker-mount-to-190sqft-p-1100.html

[4] Eco-Worthy-UK, Dual Axis Solar Tracking System with Solar Tracker (16/10/2023), https://uk.eco-worthy.com/products/dual-axis-solar-tracking-system-with-solar-tracker