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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO S UL
FACULDADE DE ENGENHARIA
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
DISCIPLINA DE TRABALHO DE INTEGRAÇÃO
ESTUDO E IMPLEMENTAÇÃO DE DISPOSITIVO PARA REFRIGERAÇÃO EM ZONAS REMOTAS
AUTOR: LEANDRO DE SOUZA DA SILVA
ORIENTADOR: VICENTE MARIANO CANALLI
Porto Alegre, Novembro de 2006.
2
Dedicatória
Dedico este trabalho às pessoas que, ao longo dos anos, têm contribuído para o meu
crescimento pessoal, acadêmico e profissional.
3
Agradecimentos
Primeiramente gostaria de agradecer a Deus (Pai Celeste) por ter me dado a
oportunidade de chegar até aqui. A minha família, em especial aos meus pais, por sempre
terem acreditado em mim, assim como minha noiva e meus irmãos.
Além disso, agradeço a meus professores, em especial ao Me. Vicente Mariano
Canalli, pelo apoio durante estes cinco anos.
Não poderia deixar de agradecer a meus colegas, amigos e irmãos na fé por todo o
apoio e incentivo.
4
Resumo
Este trabalho tem por objetivo propor uma alternativa para a problemática da
refrigeração em zonas remotas, ou seja, onde não existem transmissão e abastecimento de
energia elétrica. Para tanto, o projeto contempla a junção entre algumas tecnologias, muitas
delas ainda em evolução.
Propõe-se um protótipo composto de um sistema que deve funcionar de maneira
conjunta. Este sistema será alimentado por painéis fotovoltaicos. Como alternativa de
refrigeração é empregada uma célula de Peltier, cujo dissipador é refrigerado com água,
método desenvolvido durante a implementação do protótipo.
O desenvolvimento do dispositivo para refrigeração em zonas remotas tem dois
principais objetivos: autonomia e eficiência. Para que um dispositivo opere em um
ambiente remoto (ausência da transmissão de energia elétrica), é importante que ele
adquira uma postura autônoma, tendo uma boa sustentabilidade. Além disso, em ambientes
com estas características, é importante que se economize o máximo possível de energia
elétrica, tendo que assumir também uma postura eficiente.
O protótipo é composto também de uma etapa de controle, onde será possível
controlar a temperatura de refrigeração desejada. Esta etapa é muito importante para o
funcionamento do sistema, pois ela fará o controle de temperatura, através do
sensoriamento e da atuação no sistema.
A realização de testes e ensaios trouxeram algumas conclusões sobre o
funcionamento do protótipo, que tem uma boa capacidade de refrigeração. Foram através
dos ensaios que pode se ter uma visão real do funcionamento do dispositivo.
Outro fator avaliado foi sua viabilidade econômica, ponto de muita importância
também para o bom desenvolvimento do trabalho.
5
Sumário
1. Introdução Geral ............................................................................................................ 8 1.1. Introdução.............................................................................................................. 8 1.2. Objetivos do trabalho ............................................................................................ 8 1.3. Principais contribuições......................................................................................... 9 1.4. Vantagens e desvantagens ..................................................................................... 9 1.5. Revisão bibliográfica........................................................................................... 10
1.5.1. Refrigeração Peltier ..................................................................................... 10 1.5.2. Energia fotovoltaica..................................................................................... 11 1.5.3. Princípios de radiação de um dissipador ..................................................... 15 1.5.4. Estudo das propriedades e aplicação do nitrogênio..................................... 16 1.5.5. Eletroválvulas .............................................................................................. 17 1.5.6. Sensores de temperatura .............................................................................. 17
1.6. Conclusões........................................................................................................... 18 2. Implementação............................................................................................................. 19
2.1. Introdução............................................................................................................ 19 2.2. Diagrama de blocos do sistema ........................................................................... 19 2.3. Descrição dos blocos do protótipo ...................................................................... 20
2.3.1. Células fotovoltaicas ................................................................................... 20 2.3.2. Circuito carregador da bateria ..................................................................... 21 2.3.3. Bateria.......................................................................................................... 22 2.3.4. Circuito de monitoramento, acionamento e ajuste ...................................... 23 2.3.5. Célula de Peltier .......................................................................................... 27 2.3.6. Dissipador e seu sistema de refrigeração..................................................... 28 2.3.7. Estudo da condução do calor através da água ............................................. 30 2.3.8. Sistema refrigerado...................................................................................... 31
2.4. Esquema elétrico.................................................................................................. 32 2.5. Análise de viabilidade econômica ....................................................................... 34 2.6. Conclusões........................................................................................................... 35
3. Resultados Experimentais ........................................................................................... 36 3.1. Introdução............................................................................................................ 36 3.2. Montagem............................................................................................................ 36 3.3. Formas de onda.................................................................................................... 37 3.4. Medições de temperatura e ensaios ..................................................................... 38 3.5. Autonomia de funcionamento ............................................................................. 40 3.6. Conclusões........................................................................................................... 40
4. Conclusão Geral .......................................................................................................... 42 5. Anexos......................................................................................................................... 43 6. Referências Bibliográficas........................................................................................... 56
6
Lista de Figuras
Figura 1.1: Configuração básica e teórica de uma célula de Peltier............................10
Figura 1.2: Série de células de Peltier …....................................................................11
Figura 1.3: Células, módulos e arranjos......................................................................11
Figura 1.4: Característica I x V real e ideais da célula fotovoltaica............................12
Figura 1.5: Ponto da máxima corrente de saída nas características da célula.............13
Figura 1.6: Ponto da máxima potência de saída nas características da célula.............14
Figura 1.7: Módulos com e sem o diodo.....................................................................15
Figura 1.8: Superfície com emissividade ε e temperatura Tsup ..................................16
Figura 1.9: Esquema básico de um sensor de temperatura LM35..............................17
Figura 2.1: Diagrama de blocos da estrutura proposta ...............................................19
Figura 2.2: Células fotovoltaicas utilizadas no projeto ..............................................20
Figura 2.3: Esquema elétrico do carregador de bateria...............................................21
Figura 2.4: Carregador implementado.........................................................................22
Figura 2.5: Bateria utilizada no processo....................................................................23
Figura 2.6: Processador MSC 1211.............................................................................24
Figura 2.7: Visualização dos parâmetros do ambiente refrigerado.............................24
Figura 2.8: Visualização dos parâmetros do dissipador..............................................25
Figura 2.9: Sensor LM 35............................................................................................26
Figura 2.10: Eletroválvula com alimentação 12Vcc...................................................26
Figura 2.11: Célula de Peltier......................................................................................27
Figura 2.12: Estrutura da montagem da célula............................................................28
Figura 2.13: Dissipador projetado para o sistema.......................................................29
Figura 2.14: Ambiente refrigerado..............................................................................32
Figura 2.15: Esquema elétrico do sistema...................................................................33
Figura 3.1: Montagem da parte eletrônica de microprocessamento............................37
Figura 3.2: Gráfico da Variação de corrente X tempo da célula de Peltier ................38
Figura 3.3: Gráfico da Temperatura do ambiente refrigerado X Tempo....................39
7
Lista de Tabelas
Tabela 1.1: Características nominais da célula fotovoltaica.......................................21
Tabela 1.2: Massas de cada fluído dentro do dissipador ...........................................30
Tabela 1.3: Quantidade de calor recebido por cada fluído..........................................30
Tabela 1.4: Valores dos itens que compõe o protótipo ..............................................34
8
1. Introdução Geral
1.1. Introdução
Sabe-se que, atualmente, existe uma grande necessidade de se obter uma boa
eficiência energética nos processos. Em ambientes remotos, isto é ainda mais importante,
devido à escassez de energia elétrica. Além disso, nestes ambientes distantes, normalmente
não se dispõe energia elétrica, necessitando-se de uma autonomia energética no processo.
Mais especificamente na área de refrigeração, existe uma carência de métodos que
busquem estas características, contemplando-as de maneira clara e objetiva, e este é o
desafio a ser enfrentado.
Sendo assim, de maneira a introduzir este trabalho, serão apresentados os objetivos
desta proposta, bem como suas principais contribuições, vantagens e desvantagens. Além
disso, será realizada uma revisão bibliográfica de algumas teorias, de maneira a solidificar
o bom andamento do projeto.
1.2. Objetivos do trabalho
O objetivo principal deste trabalho é propor e implementar um sistema de
refrigeração capaz de ser utilizado em zonas remotas, onde o fornecimento de energia
elétrica é precário ou, até mesmo, inexistente, utilizando célula de Peltier refrigerada à
água e painéis fotovoltaicos.
Desta maneira, o principal elemento de estudo será a autonomia do dispositivo, no
que diz respeito ao fornecimento convencional de energia elétrica.
Outro objetivo, de fundamental importância, será buscar alternativas mais eficientes
de realizar tal tarefa, já que neste caso a energia elétrica será um componente de
fornecimento restrito e de altíssimo valor funcional na estrutura do projeto.
9
1.3. Principais contribuições
Uma das contribuições deste projeto é a possibilidade de oferecer ambientes
refrigerados (que são de altíssima importância para a conservação de substâncias,
principalmente de alimentos, ou até mesmo de cunho médico) em locais onde tal tarefa é
impraticável e ao mesmo tempo necessária.
Outro fator de muita relevância dentro deste projeto é que o mesmo buscará trazer
uma contribuição positiva para o estudo de dispositivos refrigeradores. Trata-se de buscar
uma alternativa que atenue a problemática energética destes tipos de dispositivos, já que os
existentes, hoje em dia, requisitam uma boa qualidade do abastecimento energético.
1.4. Vantagens e desvantagens
Algumas vantagens buscadas neste projeto será o fato de se ter às mãos um
dispositivo com temperatura controlada e ajustável, em lugares onde isso poderia ser
praticamente impossível. Atualmente o controle da temperatura dos dispositivos
comerciais é efetuado de forma precária.
Pode-se observar também, que existe uma relação interessante neste estudo: quanto
maior for a incidência solar, maior potência será disponibilizada pela célula e mais será a
necessidade de refrigeração, devido ao aumento do calor.
Além disso, o dispositivo tem uma boa característica ecológica, visto que não utiliza
gases ou líquidos que agridem o ambiente e utiliza uma fonte energética já disponível na
natureza que é o sol. Uma célula fotovoltaica tem uma vida útil de mais de 25 anos [9] e
não modifica a natureza para gerar energia.
Uma aparente desvantagem deste tipo de aplicação é o custo, devido ao preço
elevado das células fotovoltaicas. Porém, se for realizado um levantamento de custo para
se realizar transmissão elétrica em meios remotos, esta desvantagem, na realidade se
tornará uma vantagem.
10
1.5. Revisão bibliográfica
A fim de se obter conhecimentos necessários para o desenvolvimento do estudo e
uma sólida implementação, faz-se necessário a pesquisa de alguns conceitos fundamentais
para o entendimento do problema e uma possível solução.
A preocupação neste item é estudar o método de refrigeração Peltier e seu modo de
funcionamento. Além disso, o estudo do fornecimento de energia por células fotovoltaicas,
uma vez que será o método utilizado. Também, será estudado o princípio de radiação de
dissipadores, já que no projeto propõe-se uma refrigeração por água. Sensores de
temperatura e eletroválvulas também serão estudos, subsidiando o conhecimento.
1.5.1. Refrigeração Peltier
Quando ocorre uma junção de metais diferentes que se encontram em diferentes
temperaturas, uma corrente elétrica é gerada. Estes dispositivos são conhecidos como
termopares. O efeito Peltier funciona de maneira inversa. Quando uma corrente elétrica é
forçada a passar por junções de metais diferentes, um metal é aquecido e o outro é
resfriado.
Para que possa haver uma maior densidade de corrente e conseqüentemente uma
maior potência, são utilizados semicondutores entre estas duas junções. Na figura 1.1 pode
ser observada a configuração básica da chamada célula de Peltier.
Figura 1.1 – Configuração básica e teórica de uma célula de Peltier
Na prática, são utilizadas uma série de junções para que, desta forma, a potência de
resfriamento seja maior, conforme mostra a figura 1.2.
11
Figura 1.2 – Série de células de Peltier
Como são pequenos, confiáveis e não tem partes móveis os dispositivos Peltier são
muito recomendados para pequenas aplicações.
A potência dissipada por unidade de área é relativamente alta, devido a este fato
existe a necessidade de se utilizar a ventilação forçada na junção quente [1].
1.5.2. Energia fotovoltaica
Uma das maneiras de se obter energia em locais remotos é através da utilização e
aproveitamento da irradiação solar. Hoje em dia, este tipo de extração de energia já é
possível através dos sistemas fotovoltaicos, que transformam a energia solar em energia
elétrica. De acordo com [2] segue abaixo um estudo sobre células fotovoltaicas.
Como pode ser visto na figura 1.3, a unidade básica destes sistemas é a célula
fotovoltaica. A partir dela, obtém-se os módulos fotovoltaicos e, então através dos arranjos
chega-se a sistemas com uma maior potência.
Figura 1.3 – Células, módulos e arranjos
12
a) Célula fotovoltaica
Uma célula fotovoltaica é uma junção PN especialmente projetada ou um dispositivo
de barreira de Schottky.
Quando célula é iluminada, pares de elétron-lacuna são produzidos por interação da
incidência de fótons com átomos da célula. O campo elétrico criado pela junção da célula
causa os pares de elétron-lacuna gerados por luz, de forma a separar, com os elétrons sendo
levados para dentro da região N da célula e as lacunas sendo levadas para dentro da região
P.
A figura 1.4 mostra a característica I-V (corrente x tensão) da célula fotovoltaica,
podendo ser notada que a corrente e a tensão disponível na célula depende do nível de
iluminação da célula. A característica ideal da célula pode ser obtida através da equação
1.1, onde Il é a componente de corrente devido aos fótons, q = 1,6x10-19C, k=1,38x10-23j/K
e T é a temperatura em K.
)1(0 −−= kT
qV
L eIII (1.1)
Figura 1.4 – Característica I x V real e ideais da célula fotovoltaica
A corrente de curto-circuito da célula pode ser obtida através da equação 1.2, sendo
G0 = 1 kW/m2, e G a irradiação a que a célula é exposta. Para determinar a tensão de
circuito aberto da célula é empregada a equação 1.3.
13
( ) ( ) ( )00 GIGGGI L= (1.2)
00
0 lnlnI
I
q
kT
I
II
q
kTV LL
OC ≅+
= (1.3)
Multiplicando-se a corrente pela tensão da célula obtém-se a potência fornecida pela
mesma. A fim de obter a maior energia que for possível de uma célula fotovoltaica um
tanto cara, é desejável operar a célula para produzir a máxima potência. A característica de
máxima potência pode ser obtida traçando-se hipérboles (definidas como IV=constante), e
pela figura 1.5 pode-se notar observa-se que a hipérbole tangencia a curva característica de
I-V em apenas um ponto.
Figura 1.5 – Ponto da máxima corrente de saída nas características da célula
Sabendo-se a corrente de máxima potência e a tensão de máxima potência pode-se
obter a máxima potência através da equação 1.4.
mmVIP =max (1.4)
A máxima potência da célula pode ser prontamente obtida através da simples
plotagem da potência da célula pela tensão da célula, como é mostrado na figura 1.6.
Regiões de maxima potência
14
Figura 1.6 – Ponto da máxima potência de saída nas características da célula
b) Módulo Fotovoltaico
Com o objetivo de se obter uma tensão de saída adequada, as células fotovoltaicas
são dispostas em série, a fim de formar o módulo fotovoltaico. Como os sistemas
fotovoltaicos são comumente operados em múltiplos de 12 volts, os módulos são
tipicamente designados para uma operação otimizada em sistemas com estas tensões. O
objetivo (meta) é conectar um número suficiente de células em série, a fim de manter uma
tensão média com uma faixa de tensão confortável do sistema bateria sob as condições das
condições da irradiação média. Se isto é feito, a potência de saída do módulo pode ser
mantida perto do máximo.
Do mesmo modo, quando se necessita de uma maior corrente para alimentar a carga,
os módulos ou painéis fotovoltaicos devem ser dispostos em paralelo. Para realizar esta
disposição deve-se colocar um diodo em série com cada célula, ou com cada arranjo em
série. Isto impossibilita que correntes reversas provindas da célula vizinha passem pela
célula, causando perdas. Na figura 1.7 pode ser vista a ligação do diodo.
Estes fenômenos podem ocorrer também quando um conjunto módulos, sejam eles
em paralelo ou em série, é conectado em uma bateria. Quando o módulo não é iluminado,
o que pode ocorrer à noite ou durante o dia (por qualquer porção da célula que não esta
recebendo irradiação), as células podem ser influenciado pelas baterias, que tem a função
de armazenar energia. Desta forma, é utilizado um diodo em série com o módulo, no
sentido inverso, também como visto na figura 1.7, de forma a bloquear esta corrente
indesejável.
15
Figura 1.7 – Módulos com e sem o diodo
c) Arranjos fotovoltaicos
Em casos onde são requeridas tensões ou correntes elevadas de um simples módulo,
deve-se conectar vários módulos em diversas configurações, conforme o que é desejado.
Conexões em série resultarão em tensões mais elevadas, e conexões em paralelo
disponibilizarão correntes maiores.
1.5.3. Princípios de radiação de um dissipador
Sabe-se que a radiação emitida por uma superfície se propaga em todas as direções
possíveis, e sempre se busca sua distribuição direcional. A tais efeitos direcionais dá-se o
nome de intensidade direcional.
A radiação térmica é a energia emitida por toda a matéria que se encontra a uma
temperatura não-nula. Independentemente da forma da matéria, emissões podem ser
atribuídas a mudanças nas configurações eletrônicas dos átomos ou moléculas que
constituem a matéria. A radiação não necessita de um meio material para se propagar.
O fluxo de calor emitido por uma superfície real é dado pela equação 1.5, onde ε é
a propriedade radiante da superfície conhecida por emissividade, Tsup é a temperatura
absoluta da superfície e σ constante de Stefan-Boltzmann (σ = 5,67 x 10-8 W/m2.K4) [5].
4sup.. TE σε= (1.5)
Painéis fotovoltaicos
Painéis fotovoltaicos
16
Considerando-se este mecanismo percebe-se que a única variável que pode ser
alterada para o aumento da eficiência de calor é a emissividade (ε), que é função apenas do
tipo de acabamento da superfície que irradia o calor. Desta forma o projeto deve prever um
cálculo adequado das dimensões do dissipador [6]. Na figura 1.8 pode ser vista uma
superfície emitindo calor para o meio (fluido).
Figura 1.8 – Superfície com emissividade ε e temperatura Tsup
1.5.4. Estudo das propriedades e aplicação do nitrogênio
O nitrogênio é um gás inerte, não-metal, incolor, inodoro e insípido. Tem uma
elevada eletronegatividade (3 na escala de Pauling) e 5 elétrons no nível mais externo
(camada de valência). Na maioria dos compostos que forma comporta-se como trivalente.
O nitrogênio condensa a uma temperatura 77 K e solidifica a 63 K, desta forma é utilizado,
comumente, em aplicações criogênicas.
A criogenia estuda a produção de baixas temperaturas (abaixo de -150ºC),
principalmente até a temperatura de ebulição do nitrogênio líquido ou ainda mais baixas, e
o comportamento dos elementos e materiais nessas temperaturas.
Quando liquefeitos, gases como o nitrogênio e o hélio são utilizados em muitas
aplicações criogênicas. Na criogenia o elemento mais utilizado é o nitrogênio líquido, e ele
pode ser comprado legalmente em todo o mundo [4].
Na indústria eletrônica, o nitrogênio líquido vem sendo cada vez mais utilizado
para realizar a refrigeração de componentes eletrônicos.
17
1.5.5. Eletroválvulas
Eletroválvulas são válvulas acionadas pelo campo magnético de um solenóide. É
um dos atuadores elétricos mais simples e de emprego mais comum. Somente dois estados
são admitidos neste tipo de componente, a posição aberta permitindo que todo o fluido
passe pela válvula, e a posição fechada, não permitindo que o fluido passe pela válvula.
A válvula solenóide é constituída por uma bobina solenóide fixa em tubo
cilíndrico, em cujo interior desliza um núcleo móvel provido em seu extremo de um
dispositivo que realizará o bloqueio total do fluido [3].
1.5.6. Sensores de temperatura
O controle de temperatura através de sensores eletrônicos é cada vez mais
utilizado, devido a sua facilidade e precisão.
Circuitos integrados com base em transistores de silício podem ser usados para
medir a temperatura. Este tipo de sensores operam geralmente num intervalo de
temperatura que vai desde -55 ºC até mais 150 ºC. Uma das vantagens destes sensores é o
fato de já incluírem processamento de sinal, o que simplifica a sua aplicação prática. Ao
contrario dos termopares não necessitam de uma temperatura de referência, nem de
circuitos de linearização como nos RTDs.
Na figura 1.9 é apresentado o esquema elétrico básico de um sensor de temperatura
inserido em um circuito integrado conhecido por LM35 [7].
Figura 1.9 – Esquema básico de um sensor de temperatura LM35
18
Sabendo-se a equação característica da junção semicondutora pode-se chegar as
seguintes equações:
=
TK
VqI
TK
VqI
I
I
B
BES
B
BES
hC
C
2
1
2
1
.exp.
.exp.
(1.6)
)2/1ln()/(21 ICICqKBTVBEVBE =− (1.7)
1.6. Conclusões
Nesta capítulo foram estudadas e conhecidas diferentes tecnologias com o objetivo de
viabilizar a construção do protótipo. Sabe-se que apenas o conhecimento destas tecnologias
não seria o suficiente para a realização do projeto. Porém como estas estão presentes no
estudo e desenvolvimento, o aprofundamento nas mesmas trouxe um acréscimo,
permitindo aplica-las e utiliza-las de maneira adequada.
Nota-se que as tecnologias estudadas, por trabalharem em baixa tensão contínua,
proporcionam uma boa compatibilidade entre si. Sendo assim, é possível após este estudo,
realizar-se algumas considerações.
Deve-se, acima de tudo, verificar como estas tecnologias serão utilizadas no
protótipo. Suas configurações e a maneira como serão interligadas irão definir o bom
andamento da tarefa.
19
2. Implementação
2.1. Introdução
Na implementação do protótipo proposto, deve-se ter sempre em vista o objetivo
final da aplicação: obter um dispositivo capaz de refrigerar a partir de fontes de energia
disponíveis em ambientes remotos. Além disso, para que tal feito seja realizado, é
necessário que exista uma preocupação quanto à eficiência do processo, da maneira a
aproveitar toda, ou quase toda, energia disponível.
2.2. Diagrama de blocos do sistema
O dispositivo foi estruturado de maneira organizada visando à funcionalidade ou
natureza de cada parte. Assim, é de suma importância para que se tenha uma visão ampla
do mesmo. Na figura 2.1 ilustra-se o diagrama de blocos do sistema, contendo todos os
blocos do protótipo.
Figura 2.1 – Diagrama de blocos da estrutura proposta
Sistema refrigerado
Sensor 1
Dissipador
Refrigeração dissipador
Circuito de
Controle
Célula de Peltier
Eletro-Válvula
Bateria Circuito
Carregador Células
Fotovoltaicas
Sensor 2
20
2.3. Descrição dos blocos do protótipo
É importante que se conheça o funcionamento interno de cada bloco do protótipo.
Sendo assim, neste item serão abordadas as características de cada um dos blocos.
2.3.1. Células fotovoltaicas
Como a utilização do dispositivo será destinada à ambientes remotos, é fundamental
que uma fonte de energia alternativa seja integrada ao processo. Optou-se por implementar
o projeto tomando por fonte energética a célula fotovoltaica.
A utilização da energia fotovoltaica, neste caso, proporciona algo interessante e de
boa adaptação ao sistema, já que a mesma trabalha com corrente contínua e o projeto
desenvolvido utiliza corrente contínua também.
Em seu funcionamento a célula fotovoltaica terá duas funcionalidades: alimentar o
protótipo e carregar a bateria. Este recarregamento da bateria será importante para que a
mesma opere nos momentos de escuridão da célula e durante a noite.
No desenvolvimento do projeto serão utilizados os dois painéis fotovoltaicos já
instalados na parte superior do prédio 30 da Faculdade de Engenharia da PUCRS. Na
figura 2.2 podem ser vistas as células em questão.
Figura 2.2 – Células fotovoltaicas utilizadas no projeto
21
Estão disponíveis atualmente dois painéis fotovoltaicos da Siemens modelo SR50.
Esta célula tem suas características nominais apresentadas na tabela 2.1.
Tabela 2.1 – Características nominais da célula fotovoltaica
I curto circuito 3,20 A
I nominal 2,95 A
V ckt aberto 21,6 V
V nominal 17,0 V
De modo a se obter uma corrente que atenda aos objetivos do projeto, os dois
painéis serão ligados em paralelo, formando um simples arranjo paralelo. Como cada
painel tem uma corrente nominal de 2,95A, a configuração em paralelo a corrente
disponibilizada será de 5,90A. Esta corrente alimentará uma carga de 3,35A em média,
ficando o restante disponível para o carregamento da bateria.
2.3.2. Circuito carregador da bateria
Este circuito terá como responsabilidade adequar à tensão fornecida pela célula
fotovoltaica e aplica-la sobre a bateria e o sistema. O carregador de bateria irá operar
somente nos períodos do dia.
Neste circuito utiliza-se um regulador de tensão 7815. A saída do mesmo é ligado à
base do transistor 2n3055 que é um transistor NPN de potência. Este terá a função de
permitir que uma maior corrente seja drenada para a bateria e o sistema. Na figura 2.3 pode
ser visto o esquema elétrico do carregador.
Figura 2.3 – Esquema elétrico do carregador de bateria
22
A corrente que a carga da bateria recebe precisa ser limitada. Sabe-se que quando
descarregada, a bateria tem uma tensão em torno de 10,5V [11], sendo a corrente drenada
para o seu carregamento mais alta. Com o passar do carregamento, esta corrente vai
diminuindo até assumir a condição de plena carga, quando a mesma atinge 13,7V[11].
O carregador implementado pode ser visto na figura 2.4, e será utilizado em parceira
com a célula fotovoltaica.
Figura 2.4 – Carregador implementado
2.3.3. Bateria
Em geral os sistemas que utilizam células fotovoltaicas empregam um banco de
baterias para que a energia elétrica seja armazenada. Este armazenamento deve ocorrer
pelo fato das células fotovoltaicas, ficarem, muitas vezes, submetidas a momentos de
escuridão durante o dia, ou até mesmo por ficarem inoperantes a noite.
Esta etapa do protótipo é composta de uma bateria comum de +12V. É utilizada,
então, uma bateria de automóvel, devido ao seu baixo custo, boa disponibilidade e
capacidade.
Esta bateria terá a função de alimentar o protótipo durante a noite ou durante os
momentos de escuridão. O protótipo necessita de duas tensões: +12V e +5V.
23
Por se tratar de uma bateria, seu tempo de uso é limitado. Sendo assim, é importante
que a etapa de carregamento esteja funcionando de maneira apropriada, de modo a
proporcionar o recarregamento adequado da bateria em questão.
Na figura 2.5 pode ser observada a bateria de 40Ah utilizada no processo. Esta foi
dimensionada de modo que alimentasse o circuito durante a noite (11 horas). No item 3.5
pode ser observado um balanço do consumo do circuito, justificando assim a escolha desta
bateria.
Figura 2.5 – Bateria utilizada no processo
2.3.4. Circuito de monitoramento, acionamento e ajuste
Nesta etapa se encontra o chamado cérebro do sistema. Atenção especial deve ser
dada a esta etapa, pois é ela que monitora as variáveis consideradas mais importantes,
tomando as decisões dentro do sistema.
Três características e funcionalidades estão presentes nesta etapa: o monitoramento
das variáveis, o acionamento de atuadores e o ajuste da temperatura desejada no ambiente
refrigerado.
O controle de todas estas funcionalidades é regido por um processador. Neste projeto,
foi utilizado o MSC1211 da Texas, conforme pode ser observado na figura 2.6. A
24
programação do processador foi realizada em linguagem assembler, sendo apresentada no
capítulo 5.
Figura 2.6 – Processador MSC 1211
É importante que o usuário do dispositivo possa acompanhar os dados de
temperatura. Sendo assim, foi utilizado um display de LCD de 20x4, ou seja, 20 colunas x
4 linhas. Este display pode ser visto na figura 2.7. Nele serão fornecidos ao usuário dados
de temperatura do ambiente refrigerado e temperatura ajustada.
Figura 2.7 – Visualização dos parâmetros do ambiente refrigerado
25
Além disso, para um acompanhamento da temperatura instantânea no dissipador,
basta apenas o usuário pressionar os dois botões de ajuste ao mesmo tempo. Isto fará com
um novo parâmetro possa ser visualizado na tela, conforme ilustrado na figura 2.8. Ao
liberar os botões este parâmetro novamente desaparece.
Figura 2.8 – Visualização dos parâmetros do dissipador
a) Monitoramento
No processo são utilizados dois sensores de temperatura LM35, conforme pode ser
observado na figura 2.9. Estes sensores são lineares e possuem um fator de escala de +10.0
mV/ºC. São alimentados por +5V e possuem um pino de saída que varia sua tensão
conforme a temperatura a que são submetidos. Os sinais deste pino são, então, emitidos ao
processador. Não se deve esquecer que estes sinais são analógicos, necessitando assim,
passar pelo conversor AD do processador e serem devidamente codificados, para que
possam fornecer uma informação em ºC.
Ocorre no processo, a aquisição da temperatura de dois pontos, considerados de
maior importância. O primeiro é o ambiente refrigerado. Este dado irá permitir que se
tenha a informação da temperatura real do sistema refrigerado. O segundo ponto é a
superfície do dissipador. O monitoramento desta temperatura e a tomada de decisão do
circuito do processador serão de fundamental importância para a eficiência do processo.
26
Figura 2.9 – Sensor LM 35
b) Acionamento
A operação do protótipo é controlada pelo processador. Na realidade ele aciona,
através de dois drivers, dois relés que são acionados com +5V. Estes relés irão acionar a
célula de Peltier (elemento refrigerante), que será descrita no próximo item, e a
eletroválvula que terá a função de liberar o fluido refrigerante do dissipador para o
ambiente. Ambos atuadores serão alimentados diretamente com +12V. Na figura 2.10 é
mostrada a eletroválvula utilizada no sistema, que possui um consumo de 350mA. Trata-se
de uma eletroválvula NF, reduzindo assim o consumo de energia, já que o abertura da
válvula, será apenas em determinados instantes.
Figura 2.10 – Eletroválvula com alimentação 12Vcc
27
c) Ajuste
O sistema implementado possui a característica de se adaptar ao uso a que for
destinado, ou seja, possui um ajuste de temperatura do ambiente refrigerado, que vai de
03,0ºC até 08,0ºC. Para realizar o ajuste desta temperatura foram utilizados dois botões de
fácil manuseio.
2.3.5. Célula de Peltier
Neste sistema o elemento responsável pela refrigeração é uma célula de Peltier. Sua
tecnologia permite um acionamento simples, devido ao fato de não possuir um pico de
corrente que seja considerável no acionamento. A célula, vista na figura 2.11, será
acionada com +12V e quem controlará este acionamento é o processador, através de um
relé, devidamente dimensionado. Com uma corrente de regime em torno de 2,9A, o
dispositivo apresenta um pico de corrente de 5A de duração muito curta, sendo portanto
praticamente desconsiderado.
Figura 2.11 – Célula de Peltier
Sabe-se que o funcionamento da célula se dá a partir da circulação de uma corrente,
de um pólo a outro da célula. Isto faz com que uma de suas faces fique extremamente
quente, e outra extremamente fria. Sendo assim, é importante para a preservação e bom
28
funcionamento deste componente, que seja feita a refrigeração do lado quente. A figura
2.12 ilustra um desenho da estrutura de refrigeração e posição da célula no sistema. Na
junção das faces da célula com o ambiente refrigerado e o dissipador, utilizou-se pasta
térmica para facilitar a absorção de calor. Além disso, uma isolação de borracha foi utiliza
ao redor da célula, de modo a evitar transferências de calor indesejadas.
Figura 2.12 – Estrutura da montagem da célula
2.3.6. Dissipador e seu sistema de refrigeração
Como comentado, para o bom funcionamento de uma célula de Peltier, é necessário
haver uma eficiente dissipação do calor gerado no lado quente da mesma. Nas poucas
aplicações desta tecnologia a solução encontrada para tal problemática é utilizar um
dissipador acoplado juntamente a um cooler, refrigerando-o por ventilação forçada.
Porém neste projeto, buscou-se inovar sobre este método convencional. Dois fatores
estavam em questão: primeiro, o fato de se utilizar um cooler implicava em um gasto a
mais de energia, e em um ambiente remoto isto deverá ser considerado. Segundo, a
tentativa de se buscar uma melhora na eficiência da célula de Peltier, algo que pode ser
realizado com uma boa condução do calor emitido pela face quente da mesma.
Desta forma foi desenvolvido um dissipador simples, e de funcionamento inovador,
ilustrado na figura 2.13. Com as dimensões de 152mm x 183mm x 37mm, de maneira a
Dissipador em alumínio
Ambiente Refrigerado
Lado frio
Lado quente
Célula de Peltier
Isolação de borracha
29
ocupar a maior área permitida pelo invólucro do ambiente e confeccionado em alumínio de
espessura 2mm, ele possui uma entrada na parte superior e uma saída na parte inferior,
sendo completamente oco. Sua espessura foi escolhida sob dois fatores: facilidade de
fabricação e rápida condução do calor ao fluido refrigerante. Nota-se que seu princípio de
funcionamento não seria o mesmo dos dissipadores de sistemas convencionais, onde a
dissipação ocorreria por ventilação.
Figura 2.13 – Dissipador projetado para o sistema
Na realidade, necessitava-se que o calor que a célula retirou do ambiente refrigerado,
através do seu lado frio, e agora estava dissipando na face quente da célula, fosse também
retirado desta face quente de maneira eficiente. Para que tal feito ocorra algo que seja um
bom condutor de calor esteja no interior deste dissipador.
No item 3.4 podem ser observados alguns ensaios e testes realizados. Diversos
fluídos foram testados e ao final, escolheu-se refrigerar o dissipador à água.
Ora, água é facilmente encontrada em ambientes remotos. E, em casos de fácil
disponibilidade, a água poderia circular ininterruptamente sobre a válvula ou então vir de
cisternas, sofrendo um controle através válvula solenóide.
30
2.3.7. Estudo da condução do calor através da água
Tem-se como propósito comparar vantagens da água em relação ao ar, no que diz
respeito à condução do calor. Nota-se que estas comparações, se dão para o fluido parado,
ou seja, o fenômeno que ocorre é somente a condução. Assim, é possível iniciar com a
seguinte pergunta: qual a quantidade de calor recebido por cada um destes fluidos?
Na física, existe uma conhecida formulação que expõe o calor ou quantidade de calor
conforme a equação 2.1, onde Q=quantidade de calor recebido [cal], m=massa [g], c=calor
específico [cal/gºC] e ∆T=Variação de temperatura [ºC].
TcmQ ∆= .. (2.1)
Na prática o dissipador utilizado comporta uma definida quantidade de fluido. Seu
volume interno é 950,25 cm3. A partir deste volume, e sabendo que a massa específica da
água é 1g/cm3 e do ar é 0,0012g/cm3, nas CNTP, pode-se saber a massa de cada um destes
elementos dentro do dissipador.
Tabela 2.2 – Massas de cada fluído dentro do dissipador
Água 950,25 g
Ar 1,1403 g
Sabe-se que o calor específico da água é 1,000 cal/gºC e do ar é 0,240 cal/gºC. Sendo
assim, utilizando a equação 2.1 pode-se chegar a quantidade de calor absorvida por cada
dos fluídos, supondo uma elevação de temperatura de 40ºC, imposta pelo dissipador. Estes
resultados podem ser observados na tabela 2.3.
Tabela 2.3 – Quantidade de calor recebido por cada fluído
Água 38,01 kcal
Ar 0,01095 kcal
Nota-se que o dissipador preenchido com água proporciona uma melhor dissipação
do calor emitido pelo lado quente da célula. Sendo assim, escolheu água para ser o fluido
refrigerante. Além de ser facilmente obtida e não agredir o meio ambiente, esta não sofre
31
nenhum processo de degradação ao passar pelo dissipador, a não ser uma elevação pequena
de temperatura [8].
2.3.8. Sistema refrigerado
O ambiente refrigerado do sistema é constituído por um recipiente de alumínio, nas
dimensões de 198mm x 283mm x 313mm., sendo observado na figura 2.14. As dimensões
não são expressivas, por se tratar de um pequeno protótipo. Como a refrigeração se dá
através da condução do calor, ou seja, o ambiente refrigerado perde calor para a célula, que
perde calor para o dissipador é de altíssima importância que o recipiente não adquira calor.
Desta forma, o ambiente refrigerado é devidamente isolado com um material de baixa
condutibilidade térmica.
Na realização do protótipo não houve uma grande preocupação em dimensionar o
ambiente refrigerado. Além disso, é um pouco complicado realizar um preciso da
quantidade de calor que o ambiente refrigerado irá fornecer para a célula, pois isto depende
do que estará sendo refrigerado. No entanto, uma demonstração teórica entre o calor
perdido pela massa de ar contida dentro do ambiente refrigerado e sua variação de
temperatura pode ser realizada.
Desconsiderando qualquer perda que possa haver no sistema de refrigeração, com o
sistema funcionando, e admitindo-se que a massa de ar do sistema refrigerado esta
perdendo 30 cal, pode-se ter um simples dimensionamento do sistema refrigerado.
Sabendo-se as dimensões do ambiente refrigerado, pode-se dizer que ele tem um
volume de 17538,64cm3, e dentro do mesmo tem-se uma massa de ar de 21g, já que a
massa específica do ar é 0,0012g.
Sendo assim, perdendo 30 cal, a temperatura do ar, dentro do ambiente refrigerado,
diminui de 5,95ºC.
32
Figura 2.14 – Ambiente refrigerado
2.4. Esquema elétrico
Neste momento a abordagem será voltada para o esquema elétrico do protótipo.
Todo o dispositivo funciona em baixa tensão, e em corrente contínua. Na realidade, se trata
da uma junção de uma parte elétrica com uma parte eletrônica digital microprocessada. O
circuito se divide em duas etapas: primeiramente, a etapa de carregamento da bateria, onde
a célula fotovoltaica, em seus períodos de funcionamento, disponibiliza uma tensão ao
regulador linear CC/CC. O mesmo entrega uma tensão à bateria e ao sistema. Na segunda
etapa, encontra-se a parte de controle do processo, onde podem ser incluídos os sensores,
atuadores e o processamento. A figura 2.15 apresenta o esquema elétrico do dispositivo.
33
Figu
ra 2.15 – Esqu
ema e
létrico do sistema
0
VCC
E
AIN3
RX0
KB0
AIN2
0
C8 100n
R5
4k7
VCC VCC
R7470
J3
Entrada 12V
12D6
1N4007
SDA
VCC
P7
KRE6 - Conexão de Saída dos Relés
123456PSE
VCC
RS
10K
POT12
3+ C310u
RST
0
0
C410p
K1
Relé 1
35
412
SW3
L222u
0
SW2
DB5
001 - Leandro de Souza da Silva 00
Dispositivo para refrigeração em Zonas Remotas
A2
1 1
Title
Size Document Number Rev
Date: Sheet of
VCC
VCC
0
0
C10
100n
PSE
VCC
AIN2
TX0
0
0
R11
12k
0
R17
10R
R1
470
C131u
J5
Entradas dos Sensores
123456
RL1
RST
SCL
0
C6
100n
RSA
KB1
D4LED
RSA
0
D2 ON
0
U5
Display LCD
1
2
3
4
5
6
789
1011121314
1516
GND
VCC
Vo
RS
R/w*
E
D0D1D3D4D5D6D7D8
BL-BL+
0
R61k
0
DB6
Sensor LM 35
C11100n
JP1
PROG
12
D3
1N914
R8470
+
C9 1u
DB7
+
C1947u
C141u
KB0
0
0
RL2
Sensor LM 35
0
0
L1 22u
Q62N3055
1
2
3
DB4
AIN3
U2
X1
11.0592MHz
DB0
RL2
U3MAX232
138
1110
13
4
5
2
6
129
147
16
15
R1INR2IN
T1INT2IN
C+
C1-
C2+
C2-
V+
V-
R1OUTR2OUT
T1OUTT2OUT
VC
C
GND
R124k7
DB5
Eletroválvula
R134k7
0
+C1
100u
VCC
0
VCC
C151u
DAC0
VCC
POW
PRG
U6
24C512 DIP
123
4
56
78
A0A1A2
GND
SDASCL
WPVcc
RS
Q4BC637
2
3
1
RL1
0
DB1
VCC
R9
12k
VCC
JP31 2
+
C71u
DAC0
CéluladePeltier
0
SDA
0
- +
D1
RC207
2
13
4
Q3BC637
2
3
1
VCC
TX0
0
VCC
0
DB4
0
Q2BC548
1
2
3
DB3DB2
C2100n
+C174700u
Q1
BC558
1
2
3
K2
Relé 2
35
412
SCL
0
VCC
R25 1kU2 7815
1 3
2
VIN VOUT
GN
D
DB3
0
D5LED
RX0
PRG
SW1
12
PainéisFotovoltaicos
VCC
P2
DB9
594837261
C121u
DB6
VCC
DB7
C161u
+C18
47u
0
C510p
R24 1k
1514
54
46
19
11
60
42
63
38
25
2
51
4
55
62
23
35
26
22
12
20
43
27
41
8
47
1
29
5
37
61
31
52
17
34
4813
32
18
406
16
24
49
64
56
36
58
59
10
5321
28
33
30
39
3
9
44
7
57
50
45
DVDD15DVDD14
P0.0/AD0
P0.7/AD7
IDAC1/AIN1
DVDD11
P1.3/TXD1
DVDD42
P1.6/INT4/MISO/SDA
P2.4/A12
AIN7/EXTA
XIN
P0.3/AD3
P3.1/TXD0
P1.0/T2
P1.5/INT3*/MOSI
AIN5
P2.1/A09
AINCOM
AIN4
DGND12
VDAC2/AIN2
P2.7/A15
AGND
DGND41
P3.5/T1
P0.6/AD6
XOUT
REF IN-
P3.2/INT0*
P2.3/A11
P1.4/INT2/SS*
VDAC1
P0.2/AD2
VDAC0
P2.0/A08
EA*RST
RDAC1
IDAC0/AIN0
P2.6/A14P3.3/INT1*/TONE/PWM
RDAC0
AIN6/EXTD
P0.5/AD5
P1.7/INT5*/SCLK/SCK
P1.1/T2EX
P2.2/A10
DVDD
P1.2/RXD1
P3.7/RD*
P0.1/AD1VDAC3/AIN3
AVDD
NC
REF OUT/REF IN+
P2.5/A13
P3.0/RXD0
P3.6/WR*
PSEN*/OSCCLK/MODCLK
P3.4/T0
DGND57
P0.4/AD4
ALE
R44k7
0
DB2
0
R210k
0
R3
4k7
KB1
DB0
0
U1
7805
1 3
2
VIN VOUT
GN
D
Bateria
DB1
E
0
34
2.5. Análise de viabilidade econômica
Para que a implementação do protótipo seja algo aplicável, é importante que seja
realizada uma análise de viabilidade econômica do mesmo. Será, então, realizado um
estudo do custo dos itens que compõe o dispositivo, tendo por base o custo de cada um
deles disponível no mercado. Na tabela 2.4 pode ser observado estes valores. Deve-se
salientar, que os valores da eletroválvula, componentes eletrônicos, estrutura do ambiente
refrigerado e confecção do dissipador são aproximados, porém esta aproximação não
modificarão substancialmente o custo final do protótipo.
Tabela 2.4 – Valores dos itens que compõe o protótipo
Item Valor (R$) Quantidade
Célula Fotovoltaica Siemens SR-50 599,85 [12] 2
Célula de Peltier Danvic DV-40-03 78,00 [13] 1
Microprocessador Texas MSC1211 142,24 [14] 1
Display LCD 20x4 86,00 [15] 1
Eletroválvula e demais componentes eletrônicos 80,00 1
Estrutura do ambiente refrigerado e Dissipador 40,00 1
Bateria 100,00 1
Total 1725,94
Nota-se, que o maior custo fica por conta das células fotovoltaicas. Porém, quando
se analisa custos, deve-se pensar não somente no preço, mas também, no que estes custos
serão transformados.
Trata-se de realizar refrigeração em ambientes remotos, com um dispositivo
controlado, onde o usuário monitorará os valores e escolherá em qual temperatura deseja
que o seu dispositivo trabalhe. Além disso, transmitir energia elétrica para ambientes
remotos, através de linhas de transmissão, é algo que possui um custo alto. Assim, pode-se
ter a idéia que, o custo do dispositivo para refrigeração em zonas remotas é algo aceitável.
35
2.6. Conclusões
Após a implementação, alguns fatores importantes são avaliados e analisados de
forma substancialmente definida. Isto possibilita que algumas percepções sejam realizadas
e, muitas vezes, uma análise correta de uma implementação garante a boa continuação do
projeto.
Nota-se que o protótipo desenvolvido, foi projetado para que possuísse uma boa
característica de autonomia, característica esta, que será comprovada através dos testes e
ensaios. É possível perceber, no entanto, que seu funcionamento em ambientes remotos é
algo que pode ser obtido, visto que o sistema foi dimensionado para tanto.
Sua viabilidade e sustentabilidade é um fator de altíssima importância. Sabe-se que,
os painéis fotovoltaicos utilizados duram mais de 25 anos[9]. Sendo assim, será possível
usufruir desta energia durante todo este tempo, e ainda, em diversos lugares, pois estas
células podem ser facilmente instaladas em automóveis.
Além disso, a característica da sua etapa de controle, possuindo uma boa interface
com o usuário e um fácil ajuste, permite avaliar o mesmo de maneira a admitir que sua
viabilidade seja um fator aceitável.
É muito importante também ter a certeza que tudo esta funcionando de maneira
correta ao final da implementação. Isto praticamente irá garantir um início correto da fase
de testes e ensaios, para que se possa ter uma correta finalização do projeto.
36
3. Resultados Experimentais
3.1. Introdução
Em todo o processo e desenvolvimento de um produto é necessário que sejam
realizados ensaios e experimentos, sejam eles antes ou após a finalização do mesmo. Isto
comprova que se esta buscando realizar algo que possua uma funcionalidade adequada.
Sendo assim, neste tópico serão observados alguns fatores práticos do dispositivo, como
montagem e alguns dados técnicos, levantados através de ensaio.
3.2. Montagem
A montagem do dispositivo para refrigeração em zonas remotas é traduzida através
da implementação de um protótipo, onde em princípio fatores estéticos não foram
considerados. Para a implementação do dispositivo foi necessário integrar tecnologias de
ponta, como a célula de Peltier e as células fotovoltaicas.
Na figura 3.1 pode ser observado a montagem da parte eletrônica do processo de
controle. Todo o circuito foi colocado dentro de um invólucro plástico que será acoplado
ao ambiente refrigerado.
37
Figura 3.1 – Montagem da parte eletrônica de microprocessamento
3.3. Formas de onda
Desde o início da realização do projeto, a escolha da célula de Peltier apresentou
vantagem no fato de não possuir um alto pico e longo de corrente no início do seu
funcionamento, além de funcionar em corrente contínua. O pico de corrente apresentado é
compatível com as fontes de energia elétrica utilizadas no projeto.
Na figura 3.2 é ilustrado o transitório de corrente da célula de Peltier desde o seu
acionamento até o regime permanente, sob as condições de temperatura da figura 3.3.
Observa-se que pico inicial de 5A tem a duração aproximada de 1s, caindo rapidamente
para a faixa de 3A.
38
0
1
2
3
4
5
6
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Tempo [min]
Cor
rent
e (A
)
Figura 3.2 – Gráfico da Variação de corrente X tempo da célula de Peltier
3.4. Medições de temperatura e ensaios
Um dos fatores mais importantes na implementação foi a escolha do fluido
refrigerante do dissipador. Na realização do anteprojeto (fase que antecede a realização do
projeto), foi sugerida a utilização de nitrogênio para refrigerar o dissipador. Havia a
intenção de utilizar nitrogênio líquido para realizar esta função. Após estudos e uma maior
informação desta possível solução surgiu uma grande problemática: o nitrogênio líquido (-
196ºC) ao receber calor iria evaporar, passando do estado líquido para o gasoso, desta
forma expandindo o seu volume. Até este ponto nenhum problema. Porém, quando
utilizado dentro do dissipador projetado para o sistema, a vazão do gás poderia ser
insuficiente, gerando assim uma pressão excessiva dentro do dissipador. Obviamente, isto
poderia gerar danos grandes e bastante problemáticos.
O segundo passo nos testes para fluido de dissipador, foi tentar utilizar gás
nitrogênio, controlando a sua pressão na entrada do dissipador. Isto garantiria uma
39
segurança ao sistema. Porém, sua eficiência de refrigeração era baixíssima, e o ensaio
precisou ser interrompido, de maneira a não acarretar em danos à célula.
Do mesmo modo, tentou-se realizar esta refrigeração utilizando-se ar comprido, e
mesmo com uma troca constante do ar contido no dissipador, a eficiência foi também
muito ruim.
Todos estes problemas moveram as pesquisas para a procura e definição de um novo
fluido para o dissipador. Após algumas pesquisas e testes, chegou-se ao excelente fluido
refrigerador: a água. Ora, esta descoberta trouxe somente vantagens, como por exemplo:
água pode ser encontrada em muitos lugares. Além disso, um estudo mais direcionado
poderia criar algo que aproveitasse este calor e aquecesse água para fins diversos.
Na figura 3.3 pode ser observado o gráfico da variação a temperatura do ambiente
refrigerado x tempo, utilizando-se água como fluido refrigerante do dissipador.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Tempo [min]
Tem
pera
tura
[ºC
]
Figura 3.3 – Gráfico da Temperatura do ambiente refrigerado X Tempo
40
3.5. Autonomia de funcionamento
Uma das propostas fundamentais deste trabalho é que o dispositivo ofereça
autonomia razoável, por ser utilizado em ambientes remotos. Sendo assim, foi realizada
uma análise de sustentabilidade do sistema, no qual avaliou sua autonomia de
funcionamento.
a) Circuito operando a noite
O sistema neste período fica dependente apenas da bateria, sendo que a mesma
possui carga muito próxima da nominal, sendo que foi carregada durante todo o dia. A
bateria utilizada no sistema é de 40Ah, ou seja, ela pode fornecer até 40A em uma hora.
Em contrapartida as cargas significativas são: a célula de Peltier e a operação descontínua
(em alguns períodos) da eletroválvula.
Sabe-se que o consumo da célula de Peltier em regime (tempo de pico é desprezível)
é 3A e o consumo da eletroválvula é de 350mA, porém esta funciona somente em curtos
períodos (em média a cada 10 minutos, durante 1 minuto). Isto indica um consumo médio
de 3,35A. Desta forma, considerando que a bateria pode fornecer até 40Ah, o sistema pode
operar até 11 horas, durante a noite.
a) Circuito operando durante o dia
Neste período as células fotovoltaica deverão atender a seguinte carga: célula de
Peltier e eletroválvula, ficando o restante da potência das mesmas disponíveis para o
carregamento da bateria. Com as células fotovoltaicas ligadas em paralelo, há uma
disponibilização de corrente de 6A. Considerando um consumo de 3,35A do circuito,
restam em torno de 2,7A para carregar a bateria.
3.6. Conclusões
Os testes e ensaios realizados não somente comprovam o bom funcionamento de um
sistema, muito pelo contrário, estes procedimentos, na maioria dos casos, detectam pontos
frágeis do funcionamento e desempenho do mesmo. Na prática, isto pôde ser visto, uma
41
vez que, neste sistema problemas de concepção foram identificados e modificados no
período de testes e ensaios. É o caso do fluido refrigerante do dissipador, onde somente
nesta fase foi verificado o bom desempenho da água.
Além disso, este período é muito importante pois, proporciona a oportunidade de
fazer um levantamento das características reais do dispositivo.
42
4. Conclusão Geral
A busca por um dispositivo que solucione a problemática da refrigeração em
ambientes remotos trará, gradativamente, novas e melhores soluções que serão pesquisadas
e implementadas.
Sabe-se que existem estudos visando novas tecnologias e o aperfeiçoamento de
técnicas já existentes, e os resultados tem sido cada vez melhores. Porém, o propósito deste
estudo focou um ponto diferente.
Neste projeto o enfoque principal foi unir diversas tecnologias, sendo elas elétricas
ou térmicas e, a partir desta junção, buscar a configuração que alcance uma maior
eficiência. A utilização de novas tecnologias como a refrigeração eletrônica com células de
Peltier não vem apresentada como a solução de todos os problemas, porém um estudo com
o objetivo de aumentar sua eficiência é enfatizado e levado em conta, tornando-se um dos
principais desafios deste projeto.
Constatou-se, principalmente após a implementação que, este projeto conseguiu
atingir alguns objetivos esperados. Primeiramente, o objetivo de realizar um bom controle,
com uma boa interface para o usuário foi alcançado. Além disso, os testes dos diversos
fluidos refrigerantes do dissipador revelaram uma nova maneira de refrigerar dissipadores
de célula de Peltier, a água. Maneira esta, que ao mesmo tempo de economiza energia, não
agride o ambiente, atuando de maneira ecológica. Outro ponto importante foi a utilização
da célula fotovoltaica, pois, além de ser uma fonte energética de ponta, se adaptou muito
bem ao processo.
43
5. Anexos
Como já foi citado, utilizou-se um processador MSC1211 da Texas para realizar a
parte de processamento do sistema. Abaixo, segue a listagem do programa realizado em
linguagem assembler. Nota-se que, ao fim deste programa, existem alguns arquivos de
“include”. Estes arquivos não serão apresentados, de modo a resumir a exposição do
programa. Outro ponto importante a ser salientado, é o seguinte: dentro do código fonte a
linha que possuir o “;”, será comentada partir do símbolo.
; **** DPREZR4*.ASM ******************************* **************************
; ** Descrição: Dispositivo para refrigeração em zonas remotas – DPREZR **
; ** Data: 02/11/2006 **
; ** �ímbol: 1.0 **
; ** Ultima �ímbolo��ão em: 02/11/2006 **
; ************************************************* ***by [Leandro Silva] *********
$MOD51
PWMCON NÃO 0A1H
PWMLO NÃO 0A2H
PWMHI NÃO 0A3H
PDCON NÃO 0F1H
DACSEL NÃO 0B7H
DACH NÃO 0B6H
DACL NÃO 0B5H
ADMUX NÃO 0D7H
ADRESL NÃO 0D9H
ADRESM EQU 0DAH
ADRESH EQU 0DBH
ADCON0 EQU 0DCH
ADCON1 EQU 0DDH
ADCON2 EQU 0DEH
ADCON3 EQU 0DFH
ACLK NÃO 0F6H
AIE NÃO 0A6H
_FE NÃO 1 ; FUNDO DE ESCALA = 5V !!
44
;****Declaração dos pinos que acionam os relés*****
RELE1 NÃO P1.1
RELE2 NÃO P1.0
; *** Definições ********************************** ***************************
CS EQU P2.0
CLK EQU P2.1
DOUT NÃO P2.2
; *** Declarações de Variáveis *****************333 3****************************
; ************************************************* *************************
; Exemplo de Declaração de Variáveis
;
CONTADOR EQU 7FH
TICK_TACK EQU 7EH
; *** Vetor de Reset ****************************** **************************
; ************************************************* ***** �ímbolo�: 0000H ***
;
ORG 0000H
LJMP PRINCIPAL
; *** Vetor da INT0 ******************************* *************************
; ************************************************* ***** �ímbolo�: 0003H ***
;
ORG 0003H
RETI
; *** Vetor do Timer 0 **************************** *************************
; ************************************************* ***** �ímbolo�: 000BH ***
;
ORG 000BH
RETI
; *** Vetor da INT1 ******************************* *************************
; ************************************************* ***** �ímbolo�: 0013H ***
;
ORG 0013H
RETI
; *** Vetor do Timer 1 **************************** *************************
; ************************************************* ***** �ímbolo�: 001BH **
ORG 001BH
RETI
45
; *** Vetor da Porta Serial *********************** ****************************
; ************************************************* ***** �ímbolo�: 0023H ***
;
ORG 0023H
RETI
; *** PROGRAMA PRINCIPAL ************************** *************************
; ************************************************* *****************************
PRINCIPAL: LCALL MSG_INICIAL ;Título “Auto Refrigerador”
LCALL MSG_T_ATUAL ;Mensagem “Temp. Atual”
LCALL MSG_T_SET ; Mensagem “Temp. Ajuste”
LCALL INICIA_AJUSTE
LCALL COND_INI_RELE
LCALL CONVAD
;* Rotinas de impressão**************************** *******************************
;************************************************** ****************************
MSG_INICIAL: LCALL INITLCD
MOV A,#1
LCALL MOVCUR1
MOV DPTR,#STRING1
LCALL WRSTR
LCALL CURHIDE
RET
MSG_T_ATUAL: MOV A,#0
LCALL MOVCUR3
MOV DPTR,#STRING2
LCALL WRSTR
LCALL CURHIDE
RET
MSG_T_SET: MOV A,#0
LCALL MOVCUR4
MOV DPTR,#STRING3
LCALL WRSTR
LCALL CURHIDE
RET
;* Rotinas de impressão da temperatura**************************************
;************************************************** *************************
;_Sensor 3 Ambiente Refrigerado
CONVAD: LCALL INITADC3
LCALL LE_AJUSTE
46
LOOPAD: LCALL RETORNA
LCALL READAD8bits
MOV B,#1
DIV AB
LCALL FLOAT8BITS
LCALL COMP_ACIONA ;rotina de comparação e acionamento
LJMP CONVAD1 ;da célula de peltier
;_Sensor 2 Dissipador_______________________________________________________
CONVAD1: LCALL INITADC2
LOOPAD1: LCALL RETORNA2
LCALL READAD8bits
MOV B,#1
DIV AB
LCALL FLOAT8BITS_D
LJMP CONVAD
RETORNA: MOV A,#14 ; faz o cursor retornar para a
LCALL MOVCUR3 ; �ímbolo inicial
RET
RETORNA2: LCALL PRINT_TITULO ; imprime �ímbolo inicial
MOV A,#14
LCALL MOVCUR2
RET
;* Rotinas de inicialização do AD2 e AD3 e leitura destas entradas. *********************
;************************************************** *************************
INITADC2: MOV PDCON,#37H ; Esta rotina inicializa o canal 2
MOV ACLK,#0AH ; do conv AD
MOV ADCON3,#06H
MOV ADCON2,#22H
MOV ADMUX,#2FH
MOV ADCON0,#31H
MOV ADCON1,#41H
RET
INITADC3: MOV PDCON,#37H ; Esta rotina inicializa o canal 3
MOV ACLK,#0AH ; do conv AD
MOV ADCON3,#06H
MOV ADCON2,#22H
MOV ADMUX,#3FH
MOV ADCON0,#31H
MOV ADCON1,#41H
RET
47
READAD8bits: LCALL READADCL ; �í e descarta 3x
LCALL READADCL
LCALL READADCL
LCALL READADCH ; �í 8 bits mais significativos
RET
READADCL: MOV A,AIE
ANL A,#20H
CJNE A,#20H,READADCL
MOV A,ADRESL
MOV AIE,#00H
RET
READADCH: MOV A,AIE
ANL A,#20H
CJNE A,#20H,READADCH
MOV A,ADRESH
MOV AIE,#00H
RET
;* Rotina de codificação, impressão da temperatura do ambiente refrigerado**************
;************************************************** *************************
FLOAT8BITS: MOV B,#_FE
MUL AB
PUSH ACC
MOV A,B
MOV R7,#2
LOOPFLOAT_X: POP ACC ;Imprime dezena e unidade
MOV B,#10
MUL AB
PUSH ACC
MOV A,B
LCALL PRINTASCII
LCALL ARMAZENA ; Armazena os dois primeiros caracteres
DJNZ R7,LOOPFLOAT_X
LCALL PRINT_POINT ;imprime ponto
POP ACC
MOV B,#10
MUL AB
PUSH ACC
MOV A,B
LCALL PRINTASCII
LCALL ARMAZENA_2 ; Armazena o último caracter
LCALL PRINT_SIMBOL ;imprime “º”
LCALL PRINT_C ;imprime “C”
48
POP ACC
RET
ARMAZENA: CJNE R7,#1,ARMAZENA_1
MOV 25H,A ;Armazena o 2º caracter em 25h
RET
ARMAZENA_1: MOV 26H,A ;Armazena o 1º caracter em 26h
RET
ARMAZENA_2: MOV 24H,A ;Armazena 0 3º caracter em 24h
RET
;* Rotinas para imprimir ponto, �ímbolo de grau e c “ºC”, e os números em código ASC II***
;************************************************** *************************
PRINT_POINT: MOV A,#’.’
LCALL WRCHAR
RET
PRINT_SIMBOL: MOV A,#11011111b
LCALL WRCHAR
RET
PRINT_C: MOV A,#’C’
LCALL WRCHAR
RET
PRINTASCII: ADD A,#’0’ ; Converte um número 0..9 em ASCII
LCALL WRCHAR ; Envia para o LCD
RET
;* Rotinas para ajuste da temperatura através dos botões******************************
;************************************************** *************************
INICIA_AJUSTE: MOV R3,#7DH ;Parâmetro inicial da posição do ajuste
MOV A,#14
LCALL MOVCUR4
MOV A,R3
MOV DPTR,#TABELA3
MOV R2,#6
LCALL WRSTR2
LCALL PRINT_SIMBOL
LCALL PRINT_C
RET
LE_AJUSTE: MOV A,R3
JNB KB1,CONFERE_KB0
JNB KB0,CONFERE_KB1
49
MOV R3,A
RET
CONFERE_KB0: JB KB0,INCRE_AJUSTE
RET
CONFERE_KB1: JB KB1,DECRE_AJUSTE
RET
INCRE_AJUSTE: CJNE R3,#0FFH,INCREMENTA
RET
INCREMENTA: INC A
INC A
INC A
INC A
INC A
MOV DPTR,#TABELA3
LCALL PRINT_AJUSTE
RET
DECRE_AJUSTE: CJNE R3,#00H,DECREMENTA
RET
DECREMENTA: DEC A
DEC A
DEC A
DEC A
DEC A
MOV DPTR,#TABELA3
LCALL PRINT_AJUSTE
RET
PRINT_AJUSTE: MOV R3,A
MOV A,#14
LCALL MOVCUR4
MOV A,R3
MOV R2,#6 ;Registrador auxiliar para armazenar caracteres
LCALL WRSTR2
LCALL PRINT_SIMBOL
LCALL PRINT_C
RET
WRSTR2: MOV A,R3
MOVC A,@A+DPTR ;Verifica se chegou o fim de string
CJNE A,#0,WRSTRING2 ;Testa Marcador (/n = 0) chegou!!!
RET
WRSTRING2:
LCALL WRCHAR ; Senão, escreve caracter
LCALL ARMAZE_AJUSTE ; Empurra os caracteres para a pilha
INC DPTR ; Incrementa o ponteiro
DJNZ R2,WRSTR2 ; repete escrita até terminar
50
ARMAZE_AJUSTE: CJNE R2,#6,ARMAZE_2
MOV 23H,A ;Armaz. O 1º carac. Do ajuste em 23h
RET
ARMAZE_2: CJNE R2,#5,ARMAZE_3
MOV 22H,A ;Armaz. O 2º carac. Do ajuste em 22h
RET
ARMAZE_3: CJNE R2,#4,ARMAZE_4
MOV 21H,A ;Armaz. O 3º carac. Do ajuste em 21h
RET
ARMAZE_4: CJNE R2,#3,SAI_ARMAZE
MOV 20H,A ;Armaz. O 4º carac. Do ajuste em 20h
SAI_ARMAZE: RET
;* Rotinas de comparação e acionamento do relé do ambiente refrigerado****************
;************************************************** *************************
COMP_ACIONA: LCALL COMP_DEZE
RET
COMP_DEZE: MOV A,26H
SUBB A,23H
ADD A,#’0’
CJNE A,#’0’,COMP_DEZE1
LCALL COMP_UNID
RET
COMP_DEZE1: CJNE A,#’1’,COMP_DEZE2
LCALL ACIONA
RET
COMP_DEZE2: LCALL ACIONA
RET
COMP_UNID:
MOV A,25H
SUBB A,22H
ADD A,#’0’
CJNE A,#’0’,COMP_UNID1
LCALL COMP_DECI
RET
COMP_UNID1: CJNE A,#’1’,COMP_UNID2
LCALL ACIONA
RET
COMP_UNID2: CJNE A,#’2’,COMP_UNID3
LCALL ACIONA
RET
COMP_UNID3: CJNE A,#’3’,COMP_UNID4
LCALL ACIONA
51
RET
COMP_UNID4: CJNE A,#’4’,COMP_UNID5
LCALL ACIONA
RET
COMP_UNID5: CJNE A,#’5’,COMP_UNID6
LCALL ACIONA
RET
COMP_UNID6: CJNE A,#’6’,COMP_UNID7
LCALL ACIONA
RET
COMP_UNID7: CJNE A,#’7’,COMP_UNID8
LCALL ACIONA
RET
COMP_UNID8: CJNE A,#’8’,COMP_UNID9
LCALL ACIONA
RET
COMP_UNID9: CJNE A,#’9’,NÃO_ACIONA
LCALL ACIONA
RET
COMP_DECI: MOV A,24H
SUBB A,20H
ADD A,#’0’
CJNE A,#’0’,COMP_DECI1
LCALL NÃO_ACIONA
RET
COMP_DECI1: CJNE A,#’1’,COMP_DECI2
LCALL ACIONA
RET
COMP_DECI2: CJNE A,#’2’,COMP_DECI3
LCALL ACIONA
RET
COMP_DECI3: CJNE A,#’3’,COMP_DECI4
LCALL ACIONA
RET
COMP_DECI4: CJNE A,#’4’,COMP_DECI5
LCALL ACIONA
RET
COMP_DECI5: CJNE A,#’5’,COMP_DECI6
LCALL ACIONA
RET
COMP_DECI6: CJNE A,#’6’,COMP_DECI7
LCALL ACIONA
RET
COMP_DECI7: CJNE A,#’7’,COMP_DECI8
LCALL ACIONA
RET
COMP_DECI8: CJNE A,#’8’,COMP_DECI9
LCALL ACIONA
RET
52
COMP_DECI9: CJNE A,#’9’,NÃO_ACIONA
LCALL ACIONA
RET
ACIONA: SETB RELE1
RET
NÃO_ACIONA: CLR RELE1
RET
;* Rotinas de condiução inicial do relé do ambiente refrigerado************************
;************************************************** *************************
COND_INI_RELE: CLR RELE1
CLR RELE2
RET
;* Rotina de codificação da temperatura do dissipador********************************
;************************************************** *************************
FLOAT8BITS_D: MOV B,#_FE
MUL AB
PUSH ACC
MOV A,B
MOV R7,#2
LOOPFLOAT_X_D: POP ACC ;Imprime dezena e unidade
MOV B,#10
MUL AB
PUSH ACC
MOV A,B
ADD A,#’0’
LCALL ARMAZENA_D ; Armazena os dois primeiros caracteres
SUBB A,#’0’
LCALL PRINCAD
DJNZ R7,LOOPFLOAT_X_D
LCALL PRINT_POINT_D ;imprime ponto
POP ACC
MOV B,#10
MUL AB
PUSH ACC
MOV A,B
ADD A,#’0’
LCALL ARMAZENA_D2 ; Armazena o último caracter
SUBB A,#’0’
LCALL PRINCAD
LCALL COMPARA_D
53
LCALL SIMBOL_D ;imprime “º”
LCALL PRINT_C_D ;imprime “C”
POP ACC
RET
ARMAZENA_D: CJNE R7,#1,ARMAZENA_D1
MOV 28H,A ;Armazena o 2º caracter em 28h
RET
ARMAZENA_D1: MOV 29H,A ;Armazena o 1º caracter em 29h
RET
ARMAZENA_D2: MOV 27H,A ;Armazena 0 3º caracter em 27h
RET
;* Rotina de impressão dos dados do dissipador. Para visualizar estes dados***************
;*pulsar os dois botões ao mesmo tempo!!! *
;************************************************** *************************
PRINT_TITULO: JNB KB1,PRINT_TITULO2
MOV A,#0
LCALL MOVCUR2
MOV DPTR,#STRING4
LCALL WRSTR
RET
PRINT_TITULO2: JNB KB0,PRINT_TITULO3
RET
PRINT_TITULO3: MOV A,#0
LCALL MOVCUR2
MOV DPTR,#STRING5
LCALL WRSTR
RET
PRINCAD: JNB KB1,PCD
MOV A,#’ ‘
LCALL WRCHAR
RET
PCD: JNB KB0,PCD2
RET
PCD2: LCALL PRINTASCII
RET
PRINT_POINT_D: JNB KB1,PRINT_POINT2
MOV A,#’ ‘
LCALL WRCHAR
RET
PRINT_POINT2: JNB KB0,PRINT_POINT3
RET
PRINT_POINT3: LCALL PRINT_POINT
RET
54
SIMBOL_D: JNB KB1,SIMBOLD2
MOV A,#’ ‘
LCALL WRCHAR
RET
SIMBOLD2: JNB KB0,SIMBOLD3
RET
SIMBOLD3: LCALL PRINT_SIMBOL
RET
PRINT_C_D: JNB KB1,PRINT_C2
MOV A,#’ ‘
LCALL WRCHAR
RET
PRINT_C2: JNB KB0,PRINT_C3
RET
PRINT_C3: LCALL PRINT_C
RET
;* Rotina de comparação e acionamento do relé 2, que aciona a válvula do ***************
;*dissipador. Valor determinado para acionar a válvula= 19,0ºC. *
;************************************************** *************************
COMPARA_D: MOV A,29H
CJNE A,#’0’,D1
LCALL TRANCA_GAS
RET
D1: CJNE A,#’1’,D_SAI
LCALL COMPARA_D2
RET
D_SAI: LCALL LIBERA_GAS
RET
COMPARA_D2: MOV A,28H
CJNE A,#’9’,D2_SAI
LCALL COMPARA_D3
RET
D2_SAI: LCALL TRANCA_GAS
RET
COMPARA_D3: MOV A,27H
CJNE A,#’0’,D3_SAI
LCALL TRANCA_GAS
RET
D3_SAI: LCALL LIBERA_GAS
RET
55
LIBERA_GAS: CLR RELE2
RET
TRANCA_GAS: SETB RELE2
RET
; *** ARQUIVOS DE INCLUSAO ************************ *************************
; ************************************************* *****************************
; Exemplos de declaração de Arquivos de Inclusão!!!
; OBS.: Descomente as linhas de comando, caso queira utilizar
; as bibliotecas listadas abaixo.
;
$INCLUDE(DELAY2.INC)
$INCLUDE(LCD2.INC)
$INCLUDE(KEYB2.INC)
$INCLUDE(TABELAF.INC)
;$INCLUDE(CONVERT2.INC)
;$INCLUDE(AD_DA2.INC)
; *** TABELAS, CONSTANTES, STRINGS **************** *************************
; ************************************************* *****************************
;
TABELA: DB 0,1,2,3
TABELA2: DB 0AH,34H,0FCH,0AAH
STRING1: DB ‘Auto Refrigerador’,0
STRING2: DB ‘Temp. Atual ‘,0
STRING3: DB ‘Temp. Ajuste ‘,0
STRING4: DB ‘ ‘,0
STRING5: DB ‘Dissipador’,0
END
56
6. Referências Bibliográficas
[1] http://www.myspace.eng.br/tec/div1/peltier1.asp#princ
[2] MESSENGER, Roger e VENTRE, Jerrry. Photovoltaic Systems Engineering. Boca
Raton: CRC Press, 2000.
[3] Serie Mundo electrónico. Electrónica y automática industriales I. Barcelona:
Marcombo S.A., 1986.
[4] http://enciclopedia.tiosam.com/enciclopedia/enciclopedia.asp?title=Nitrog%C3%AAnio#
Caracter.C3.ADsticas_principais
[5] Wiley, John e Sons. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. Rio de Janeira: LTC,
1998.
[6] http://www.hsdissipadores.com.br/tecnologia.asp
[7] http://www.deei.fct.ualg.pt/Inst/lab02.pdf
[8] http://physics.csustan.edu/HowThingsWork/Topics/Refrigerator/specificheat.htm
[9] http://www.a1solar.co.uk/sr50_sr50z.html
[10] http://www.cresesb.cepel.br/tutorial/tutorial_solar.pdf
[11] http://www.nea.ufma.br/acervo/uploads/Fabio_CLAGTEE.pdf
[12] http://www.solar-tec.com/SiemensSolarModules.htm
[13] http://www.efeitopeltier.com.br
[14] http://www.farnell.com.br
[15] http://www.severoroth.com.br