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2015 Brazilian Technology Symposium
ISSN 2447-8326. V.1. © 2015 BTSYM
Multi-Integration Solar Shading System (M-ISSS) Priscila Oliveira Freitas
1*, Yuzo Iano
1, Daniela Neves do Nascimento, Hermes José Loschi
1, Abel Alejandro Duenãs
Rodriguez1 and Luiz Fernando Tieghi
1
1Department of Communication, Faculty of Electrical and Computing Engineering of the States University the Campinas,
Campinas – SP - Brazil *Corresponding author
Abstract - Neste artigo, está proposto o desenvolvimento de um
sistema de sombreamento solar de multi-integração, destinado
principalmente a lugares como costeira e ilhas onde este conceito
de sombreamento, é amplamente utilizado. A estrutura utiliza de
forma inédita novos materiais, tais como a película fotovoltaica
orgânica (OPV), que torna possível o fornecimento de energia
elétrica auto-suficiente para baterias e dispositivos móveis,
também é considerado receptores de sinal, em conjunto com uma
antena camuflada, assim possibilitando a distribuição de sinal e
geração de conectividade local, que dá acesso à rede 3G, 4G e
HDTV. A instalação de M-ISSS ira proporcionar o fornecimento
de electricidade e de infra-estrutura de telecomunicações
convencionais, viabilizando o desenvolvimento dessas redes, sem
causar poluição visual, tornando-se parte funcional da paisagem,
com apelo sustentável.
Keyword - Solar energy, shading, connectivity.
I. INTRODUÇÃO
Desde os primórdios da agricultura e da civilização,
os seres humanos alteram o ecossistema a sua volta,
impactando em mudanças drásticas nas condições climáticas e
ecológicas. Desmatamento e o uso de energia de combustível
fóssil diminuem a reciclagem natural de gases de dióxido de
carbono, aumentando a camada de inversão que retém a
energia refletida do sol. A camada de inversão aumentada tem
uma temperatura atmosférica elevada, dando origem ao
aquecimento global, que por sua vez tem causado derretimento
do gelo polar, alterações substanciais às condições climáticas e
destruição da camada de ozônio. No ultimo século, os efeitos
do aquecimento global não previsto, não só alteraram a
composição da massa terrestre do mundo, mas afetaram o
estilo de vida humana no planeta [3] [4].
Entre os principais fatores que certamente irão
contribuir para a demanda futura de energia elétrica, podemos
citar a conectividade. Anualmente é publicado pela União
Internacional de Telecomunicações (UIT) sobre o acesso e uso
das TIC (Tecnologias da Informação e da Comunicação) que
nos mostra que em todas as partes do mundo o número de
pessoas que se conectam à rede só aumenta a cada ano. No
entanto, mesmo em um cenário onde se desenvolvem
sociedades conectadas, ainda não está totalmente inclusiva
essa revolução digital, e muitas pessoas, do mundo todo,
encontra-se excluídas desse processo [2].
Atualmente, existe uma grande necessidade em
soluções para o fornecimento de energia elétrica, e
implantação de infraestruturas em telecomunicações de
qualidade em litorais e ilhas do nosso país, com o objetivo de
viabilizar o acesso à conectividade para moradores e turistas.
A disponibilidade destes serviços, hoje em dia é insuficiente
para suprir o grande consumo, levando em consideração o uso
crescente de dispositivos móveis, cada vez mais necessários
no dia a dia de toda a população. Há então a necessidade da
atuação do designer para encontrar soluções para essas
necessidades, aplicando metodologias de projetos e
contribuindo com estudos sem interferir na paisagem e no
ecossistema desses locais, proporcionando assim, de forma
criativa e eficiente, conectividade e energia elétrica,
principalmente, para essas regiões onde a realidade é bem
diferente dos grandes centros.
II. OBJETIVOS
Desenvolver um sistema de sombreamento solar,
destinado principalmente a lugares como litorais e ilhas, onde
o conceito de sombreamento “Guarda Solar” é muito utilizado.
O sistema poderá através de suas funcionalidades
tecnológicas, contribuir para as infraestruturas de
telecomunicações locais e ao desenvolvimento das redes
elétricas com geração de energia elétrica renovável, através do
Conceito de micro geração [5].
Utilizar como infraestrutura em telecomunicações
antenas camufladas, funcionando como distribuidora de sinal,
integrada harmoniosamente à paisagem, minimizando o
impacto visual, atualmente causado pelas infraestruturas
convencionais, assim como o uso de filme fotovoltaico
orgânico (OPV) em sua estrutura de sombreamento, onde a
energia solar captada será armazenada em baterias, e
convertida em energia elétrica (12V~220V) podendo ser
utilizada para a recarga das baterias de dispositivos móveis,
como celulares, tablets, notebooks etc. Reduzindo assim o
custo e peso do produto, em relação aos produtos com
semicondutores inorgânicos (painéis solares de silício), com a
utilização de materiais orgânicos, tais como polímeros e
moléculas pequenas, gerando muitas vantagens, pois os
coeficientes de absorção são muito elevados, em média ~1000
vezes maior do que para o silício policristalino, o que torna
possível a utilização de películas muito finas de material ativo
(entre 50 e 200 nm) e ainda absorver eficientemente os fótons
[1].
Essas vantagens tecnológicas ajudarão a superar as
dificuldades relacionadas com a demanda de energia. Entre os
principais critérios para a viabilidade de novas técnicas
energéticas, destaca-se: eficiência, custo, facilidade de
utilização e influência ambiental.
Objetivos:
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Aplicação de uma nova tecnologia, hoje usada em
edifícios e em áreas automotivas, o filme
OPV,fornecendo assim energia elétrica através da luz
solar;
Receptor camuflado em sua estrutura, facilitando a
conectividade para IoT;
Produto autossuficiente;
Design Inteligente, produto se integra a paisagem
sem trazer poluição visual para o local;
Acessível a todos, seja idosos, crianças e deficientes
físicos.
III. PÚBLICO ALVO
Destinado à regiões litorâneas onde o acesso a
energia elétrica e à redes de telecomunicação de qualidade é
escasso. Para a população nessas regiões, assim como para os
turistas que as visitam, o produto trará benefícios de uma fonte
de energia limpa e renovável, a energia fotovoltaica, através
do uso do filme OPV, flexível e inovador, disponibilizará
energia elétrica a todos, e assim como receptores de sinal wi-
fi, oferecendo assim conexões 3G, 4G e HDTV, com design
que não gera poluição visual integrando-se à paisagem local.
Poderá ser adquirido pelas empresas concessionárias
locais as quais se encarregarão de instalar o produto nas orlas
das praias, disponibilizando assim todos os benefícios para a
população local e de turistas.
IV. HISTÓRIA DO PRODUTO
A exponencial necessidade da população de estar
sempre conectada exige níveis elevados de consumo de
energia elétrica, principalmente pelo uso constante de produtos
eletrônicos cada vez mais presentes no cotidiano das pessoas,
não somente dos grandes centros, mais também das
localidades mais remotas. Muitas dessas localidades remotas
vivem em uma realidade diferente das grandes cidades, onde o
acesso à conectividade é limitado, seja por motivos culturais,
geográficos, políticos ou até mesmo econômicos.
O cotidiano da sociedade depende cada vez mais de
processos baseados nas TIC, e, sobretudo, das redes de
comunicação. A internet, mais recentemente IoT, está no
epicentro das contínuas e rápidas transformações tecnológicas
que estamos vivenciando e, a medida em que ela se torna
elemento crítico e onipresente na vida social contemporânea, é
inevitável que produza impactos significativos de naturezas
sociocultural, comportamental, econômica e política na
sociedade [2].
Analisando os litorais brasileiros, a poluição visual
gerada por antenas, desfavorece o turismo da região,
inviabilizando a instalação dessas antenas, e
consequentemente não disponibilizando aos turistas uma
conectividade adequada, comparada às disponíveis nos
grandes centros, e também dificultando a utilização dos
produtos eletrônicos, inclusive, devido à falta de locais para
recarga de energia.
A. Litorais: Energia e conectividade
Muitos fatores dificultam o fornecimento de energia
elétrica nas cidades litorâneas, seja por motivos geográficos,
políticos, ecológicos, econômicos e principalmente por
poluição visual causada por fiações e antenas. A figura 1 e 2
ilustram as alternativas criativas e livres de poluição visual,
utilizando a camuflagem de antenas.
FIGURE 1. CAMOUFLAGE ANTENNAS IN ARTIFICIAL CHIMNEY.
SOURCE: TELECOM PT, 2015.
FIGURE 2. CAMOUFLAGE ANTENNAS IN ARTIFICIAL TREES.
SOURCE: TELECOM PT, 2015.
Com a utilização de antenas camufladas, que tem
diversas possibilidades de aplicações, tornasse possível
distribuir o sinal de rede 3G, 4G e HDTV, captados via
satélite, evitando a poluição visual causada por antenas
convencionais. Ao inserir na estrutura do produto a ser
desenvolvido o receptor desse sinal emitido pela antena
camuflada, funcionará como pontos de conexão que ampliará
o acesso à rede, distribuindo-a aos demais receptores,
formando uma rede de conexão eficiente. Proposta importante
para esses locais, pois trata-se de pontos turísticos, onde não
deve haver poluição visual, e a camuflagem traz esse
benefício.
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B. Sistemas fotovoltaicos
Sistemas fotovoltaicos são compostos por módulos,
inversores, dispositivosde proteção, sistema de fixação e
cabos. A energia fotovoltaica é a tecnologia que converte luz
solar em eletricidade, bem estabelecida em muitos países e
destinada a se tornar uma das principais tecnologias do século
21. Sistemas fotovoltaicos isolados (off-grid), geralmente
requerem um sistema de armazenamento de energia, pois a
energia gerada não é geralmente necessária ao mesmo tempo
em que é gerado, ou seja, a energia solar está disponível
durante o dia, mas as luzes em um sistema solar isolado de
iluminação são usadas à noite. As baterias recarregáveis são
usadas para armazenar a energia elétrica. No entanto, com as
baterias, de modo a protegê-las e obter uma maior vida útil, é
essencial que um controlador de carga adequado também seja
utilizado como uma unidade de gestão de energia. Assim, um
sistema autónomo típico compreende os seguintes
componentes principais: módulos fotovoltaicos, geralmente
ligados em paralelo ou em série-paralelo, controlador de carga,
bateria ou banco de baterias, e inversor (em sistemas que
fornecemcorrente (AC) de energia alternada [6]. Os sistema
isolado (Off-grid) precisam de controladores de carga e de
baterias, já os sistemas conectados à rede (Grid-tie)
necessitam, teoricamente, apenas dos painéis e inversores [7].
The figure 3 and 4 illustrates the concept.
FIGURE 3. PHOTOVOLTAIC SYSTEMS (OFF-GRID). SOURCE:
GOOGLE, 2015.
FIGURE 4. PHOTOVOLTAIC SYSTEMS (GRID-TIE). FONTE: GOOGLE,
2015.
The photovoltaic cells of these systems are made of
semiconductor light sensitive materials, which utilize photons
to dislodge electrons to conduct an electric current. There are
two major categories of technology used for the PV cells,
namely, crystalline silicon, which is the most production of
PV cells; thin film, which is more recent [8]. In the figure 5 is
shown the PV cell types.
FIGURE 5. PV CELLS TYPES. FONTE: [12].
C. Célula fotovoltaica orgânica (OPV)
The OPV recent technologies use as feedstock a polymer
non-toxic and semi-transparent, this coating may be applied to
the structures, windows, vehicles and even buildings. The
application can generate a reduction of energy expenses,
therefore a sustainable solution, printed on rolls "roll to roll",
the organic cells represent a reduction in the environmental
impact.
The “time to market” is currently dominated by solar cells
from polycrystalline silicon (> 80%), which has a high cost,
are slow to manufacture and occupy much space making them
unappealing to the consumer. On the other hand, the OPV
films are inexpensive, flexible and light, which are easily
integrated into existing infrastructures, in a visually pleasing
manner. In the last decade, this motivation has stimulated
research efforts on semiconductor materials, and the energy
conversion efficiency improved from 2.5% in 2001 to more
than 9% in 2012[1].
The technology of flexible OPV films are breaking barriers
and possibly in a few years can be directly compared with
traditional technologies available in the market today, with
considerable increase of its efficiency, now hovering around
10%. In the figure 6, the existing applications of the material
are shown.
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FIGURE 6. OPV APLICATIONS. FONTE: GOOGLE, 2015.
V. METHODOLOGY
Metodologia é um estudo de métodos, ferramentas e técnicas, organizando ideias e solucionandoos problemas de um produto. Utiliza de técnicas (exploração do projeto, de criatividade, desenvolvimento de conceitos e inovação) tornando explícito todas as características que o produto deverá ter, conceituando-o.
Será utilizado como método de projeto a metodologia
desenvolvida por Gui Bonsiepe, de seu livro "Metodologia
experimental: Desenho Industrial", publicado em 1984. Esta
metodologia fornece orientações para o processo de criação de
um produto, apresenta métodos para o seu desenvolvimento
através de projetos experimentais.
A. Problematization and Diachronic Analysis
Problematization is the general definition of the project,
study requirements, goals and possible solutions, answering
the following questions [9]:
What?: To develop an object for shading, a sun guard,
generating electricity self-sufficient by absorption of sunlight
with the use of organic photovoltaic film technology in
shading structure, and networks in telecommunication
receivers, being fixed to the ground where it will be installed.
Why?: To develop the telecommunications infrastructure
and efficient access to electric power quality for coastal and
islands. It is necessary to make the product easy to install, and
structural product should accommodate all operating
components of the PV system, and visually light and
aesthetically harmonious, not visually polluting the tourist
sites, which is intended.
How?: It will be an application study of the OPV film in
shading structure without compromising the "shading", the
inclusion of smoothly receiver, as well as all operating
components of the PV system, leaving the final product
visually lightweight protection.
Depending on the type of problem, it may be useful a
historical of material collection to demonstrate the evolution
and mutations suffered by a particular product in the course of
time [9]. The umbrella being developed has different
proposition of products available on the market, ie,
conventional guard used the beaches and coastlines of our
country. Found some projects abroad, solutions umbrellas with
the use of photovoltaics in Table I, is related each of these
projects.
TABLE I. DIACHRONIC ANALYSIS
References Description
SOLARIS - Designer : André Castro, Elizabeth Remelgado e Jose Vicente
It has 6 "wings", each with two photovoltaic panels, which revolve
around a center column for easy storage. When opened, the wings work as umbrella, with photovoltaic cells, which charge a set of batteries at the
base. In the center column there is a power indicator LED display. Three
electrical outlets are available at the base.
Remarks: It has no connection to the telecommunications network, uses
rigid panels with photovoltaic cell.
Eco Factor: Designer Lianne van Genugten
Solar powered that protects from the sun throughout the day automatically turns on its lights at night.
Remarks: Has no connection to the telecommunications network, uses thin photovoltaic films (thin-films), and only has integrated lighting.
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Eclipse: Company Ombrellone Solare
Creates shade of an aesthetic form, it consists of a large sophisticated
ring.
Remarks: Have the possibility of entering in the manufacturer shading structure the organic photovoltaic cells, however, it's not have access to
connectivity and electricity..
Kosmos: Company Ombrellone Solare
Umbrella with integrated OPV films can provide electricity to store
power for the LED light and your electronic devices.
Remarks: It is not have connectivity option through the use of receptors.
We can see that there is, outside our country, a concern
with the use of new energy sources, clean, renewable, and the
use of OPV film, latest technology it is already being used in
other media, and abroad, as we can see in solutions in
everyday objects. However, none of the projects has found the
option to integrate the product item that provides connectivity,
such as camouflaged receiver, making the product not only
power generator, self-sufficient, as the distributor of that
signal, transmitting 4G networks as well as HDTV.
B. Structural Analysis
The main goal of this analysis is recognize and understand
the types and number of components, subsystems, assembly
principles, typology unions, and type of housing a product.
Table II describes the components that should be part of the
project.
TABLE II. STRUCTIURAL ANALYSIS
Component Amount Dimension Specifications
Photovoltaic Film n/a (x) m² Organic solar cells (OPV). Flexible, semi-transparent. Generate
electricity through sunlight.
Camouflaged Receiver 1 n/a- To provide the receive signal from the antenna, and provides connectivity, wi-fi network with access to 4G and HDTV,
distributing the signal to other receivers.
Battery/ Charger/Controller
1 286 x 139 x 25 mm
The charger (multiple power controller), with an integrated high-capacity battery, it is ideal for use with portable solar panels.
Metal structure
(Body / Shading)
n/a n/a Structure options (body): Aluminum.
Shading options: Polymer (study of the most suitable: including discoloration, dryness, fitness for photovoltaic film). Initial
potin: Polyester, PVC.
Sealing components
and isolation
n/a n/a With the use of USB ports, it must seal in the product structure,
avoiding accidents.
Display data indicator
Charge Controller
1 n/a There are several existing models of charge controllers with
LCD display. The model should be easy to interface.
Frequency Inverter 1 n/a Convert the direct current (typically 12V) generated by the cells
into AC power (220V or 127V at 60Hz).
Entries (taken / USB) -
Filter
2 n/a Attached to the charger.
*n/a = not applied
After understand and analyze the structure, it is necessary
to conduct a functional analysis. Functional analysis is applied
to recognize and understand the use of a product
characteristics, including ergonomic aspects (macro analysis),
and the technical and physical function of each component or
subsystem product (microanalysis) [9].
The concept of the product design it is must be easy to
install, harmonious design with the landscape which will be
inserted, bring visual comfort and functionality, applying
effectively the objectives set out below:
Functional analysis (Macro): Ergonomically correct, it
should be easy to install and assembly, have a safe and sealed
structure that accommodates all operating components of the
PV system.
Functional analysis (Micro): The camouflaged receiver
should be located on the product body in order to provide
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efficient connection, capturing and distributing the network
signal. The OPV film should be in sufficient quantity (m²) to
meet all the need for energy efficiency that the product
requires in accordance with all the benefits proposed for the
product (possibility of charging mobile devices and wi-fi
network). The sources (taken and UBS) should be located in
safe place, away from humidity, with proper sealing.
C. Lista de requisitos
Serve para orientar o processo projetual em relação às
metas a serem atingidas. Convém formular cada requisito
separadamente, e utilizar uma forma comum (frases positivas,
sem negações) [9].
Requisitos:
Ergonomia: Estrutura de fácil instalação,
possibilitando facilidade e agilidade na montagem do
produto, podendo ser utilizado por qualquer pessoa.
Antropologia: O objeto terá funções múltiplas,
ergonomicamente correto e de uso fácil.
Tecnologia: Trará aos usuários benefícios de energia
elétrica autossuficiente, através de energia solar, terá
um receptor de sinal, distribuindo uma rede eficiente
de telecomunicações.
Fator estético: Design clean, que se integre à
paisagem.
Economia: Com sua função de ser autossuficiente,
não gerará custos com energia elétrica e
conectividade. O filme OPV é uma opção em sistema
fotovoltaico de baixo custo, em relação as outras
opções existentes no mercado.
Ecologia:Energia limpa e renovável, não gera
poluentes ao meio ambiente.
VI. GERAÇÃO DE IDEIAS
To understand and start thinking about product design in
contexts discussed in the previous sections, there are several
techniques that can be used, which aims to facilitate the
production of a set of basic ideas, and likely responses to a
problem [9]. Among them we highlight:
Brainstorming
Transformation method
Morphological Case
Systematic variants creation
Drawings and Sketches
It will be used as a morphological case technique for
generating ideas. It serves to cover the universe of possible
solutions, by combining components or subsystems [9]. The
Table III shows the analysis of morphological case.
TABLE III. MORPHOLOGICAL CASE
Elements Concepts
1 2 3 4
Shading
Conventional Model
Foldable, retractable
Distinctive design
Rounded
Shading Materials
PVC
Polyester
Metal
Only OPV film
Shape
Folding
Retractile
Straight and single
Square
Shape
Materials
Polymer
Stainless steel
Aluminum
Carbon Fiber
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Base Frame
Rounded
Square
Without Base
n/a
Localization of
camouflaged
receiver
Shading
Shape
Base Frame
n/a
Localization of
Outlets / USB
Shape
Base Frame
n/a -
n/a -
Localization of Display
Shape
Base Frame
n/a -
n/a -
*n/a = not applied
Com base nos elementos e componentes citados na
Caixa morfológica, serão apresentadas 6 ideias de
possibilidades de projetos. Cada conceito será definido à partir
da junção dos itens: ELEMENTOS x OPÇÕES da Caixa
Morfológica. Abaixo na Tabela 4, a legendada geração de
ideias, onde está relacionando as cores dos conceitos com a
numeração deles, isso para melhor compreender cada item
contido em cada ideia proposta.
TABLE IV. MORPHOLOGICAL CASE SUBTITLE
Concept 1 Probable model most applied to the marine
environment
Concept 2 Probable model most applied to the coast
Concept 3 Probable model most applied to the parks and
resorts areas
Concept 4 Probable model most applied to the resorts areas
Concept 5 Probable model most applied to the coast
Concept 6 Probable model most applied to the coast
A. Concept 1
FIGURE 7. CONCEPT 1
B. Concept 2
FIGURE 8. CONCEPT 2
C. Concept 3
FIGURE 9. CONCEPT 3
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D. Concept 4
FIGURE 10. CONCEPT 4
E. Concept 5
FIGURE 11. CONCEPT 5
F. Concept 6
FIGURE 12. CONCEPT 6
VII. PROJETO FINAL
A partir do desenvolvimento dos diversos conceitos, ou
seja, possibilidades de projeto para o produto final, chegamos
ao conceito de como deverá ficar o produto, que atenda aos
requisitos e disponibilize seus benefícios ao público alvo de
forma eficiente.
A. Desenho Técnico
FIGURE 13. DESENHO TÉCNICO
B. Desenho Técnico 2D (Objeto fechado)
FIGURE 14. DESENHO TÉCNICO OBJETO FECHADO
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C. Detalhamento Técnico 3D (Materiais e Detalhes)
FIGURE 15. DESENHO TÉCNICO 3D
D. Detalhes e usos
FIGURE 16. DETALHES E USOS
Acknowledgment
The authors would like to thank the Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), the Concelho Naional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), the Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), the Departamento de Comunicações (DECOM), the Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC), and the Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), for their support in the development of this research.
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Installed with photovoltaic (PV) Panels to Connection Grid Tie Low
Voltage (Sunflower),” Energy and Power, vol. 4, no. 3, pp. 49–53, 2014.
[8] D. Tan and K. Seng, “Handbook for Solar Photovoltaic Systems,”
Energy Mark. Authority, Singapore Publ., 2011.
[9] G. Bonsiepe, P. Kellner, and H. Poessnecker, Metodologia
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