Multi-Integration Solar Shading System (M-ISSS)lcv.fee.unicamp.br/images/Proceedings/PA-19-15.pdf · composição da massa terrestre do mundo, mas afetaram o estilo de vida humana

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:


ISSN 2447-8326. V.1. © 2015 BTSYM

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.


ISSN 2447-8326. V.1. © 2015 BTSYM

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.


ISSN 2447-8326. V.1. © 2015 BTSYM

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.


ISSN 2447-8326. V.1. © 2015 BTSYM

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


ISSN 2447-8326. V.1. © 2015 BTSYM

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


ISSN 2447-8326. V.1. © 2015 BTSYM

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



A. Concept 1

FIGURE 7. CONCEPT 1

B. Concept 2

FIGURE 8. CONCEPT 2

C. Concept 3

FIGURE 9. CONCEPT 3


ISSN 2447-8326. V.1. © 2015 BTSYM

D. Concept 4

FIGURE 10. CONCEPT 4

E. Concept 5


F. 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


ISSN 2447-8326. V.1. © 2015 BTSYM

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.

References [1] B. P. Rand and H. Richter, Organic Solar Cells. 2014.

[2] CETIC, Centros TIC (2013). Pesquisa sobre o Uso das Tecnologias

de Informação E COMUNICAÇÃO No Brasil.TIC CENTROS

PÚBLICOS DE ACESSO 2013.

[3] Gevorkian, P., 2008. Solar Power in Building Design First. M.-H.

Companies, ed., e United States of America: McGraw-Hill Companies.

[4] Quaschning, V., 2010. Renewable Energy and Climate Change.

[5] G. Barker, “Microgeneration Strategy,” Futures, vol. URN: 11D/7,

no. 10, pp. 1–50, 2011.

[6] Loschi, H., 2013. Sistema de Rastreamento Solar Instalado em Módulo com Painéis Fotovoltaicos para Conexão “Grid Tie” de

Baixa Tensão.Universidade Paulista - UNIP.

[7] H. Loschi, R. Ferrarezi, and N. Rocha, “Solar Tracking System

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

Experimental, CNPq. 1984.

Documents

Multi-Integration Solar Shading System (M-ISSS)lcv.fee.unicamp.br/images/Proceedings/PA-19-15.pdf · composição da massa terrestre do mundo, mas afetaram o estilo de vida humana