UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E UNIVERSIDADEFEDERALDO RIO GRANDE DO NORTE DE COMPUTAÇÃO Desenvolvimento de um Rastreador Solar do Tipo Polar com Ajuste do Ângulo de Inclinação José Rômulo Vieira Lira Orientador: Prof. Dr. Ricardo LúciodeAraújo Ribeiro Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaedeComputaçãodaUFRN(áreade concentração: AutomaçãoeSistemas)como parte dos requisitos para obtenção do título deMestreem Ciências. Natal, RN, 23 de Janeiro de 2014 UFRN / BibliotecaCentral ZilaMamede Catalogação daPublicação naFonte Lira, JoséRômuloVieira. Desenvolvimento de um Rastreador Solar do Tipo Polar com Ajuste do Ân- gulodeInclinação. /JoséRômuloVieiraLira. -Natal, RN, 2014. 65 f.: il. Orientador: Prof. Dr. Ricardo LúciodeAraújo Ribeiro. Dissertação(Mestrado)-UniversidadeFederaldoRioGrandedoNorte. Cen- tro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação. 1. Rastreador solar - Dissertação. 2. Energia solar - Dissertação 3. Controle de posição - Dissertação. 4. Estruturas - Energia solar - Dissertação. I. Ribeiro, Ricardo LúciodeAraújo. II. UniversidadeFederal do Rio Grandedo Norte. III. Desenvolvimento de um Rastreador Solar do Tipo Polar com Ajuste do Ângulo deInclinação. RN/UF/BCZM CDU 621.472 Desenvolvimento de um Rastreador Solar do Tipo Polar com Ajuste do Ângulo de Inclinação José Rômulo Vieira Lira Dissertação de Mestrado aprovada em 23 de Janeiro de 2014 pela banca examinadora compostapelosseguintesmembros: Prof. Dr. Ricardo LúciodeAraújo Ribeiro (Orientador) .............. UFRN Prof. Dr. FlavioBezerra Costa ..................................... UFRN Prof. Dr. Francisco DeAssisDosSantos Neves ...................... UFPE A todas as pessoas que contribuíram para realização deste trabalho, principalmente a todos os companheiros do LEPER pelo apoio e companheirismo. Agradecimentos Primeiramente,aDeus, quemeiluminouao longodestacaminhada. Ao meu orientador, professorRicardo Lúciode Araújo Ribeiro, pelaorientação ao longo destetrabalho. A todos os amigos do LEPER, em especial a Thiago de Oliveira, Cecilio Martins e Ro- drigoBarreto, pelacompanhia,dedicação eapoionosmomentosmaisdifíceis. À minhafamília,emespecial aos meuspaise meusirmãos. A CAPES, pelo apoiofinanceiro. Resumo O aproveitamento da energia solar para geração de energia elétrica tem apresentado um crescente interesse nos últimos anos. Geralmente nestes sistemas, a conversão de energia solar em elétrica é realizada por módulos fotovoltaicos, instalados em estruturas fixas, com inclinação determinada em função da latitude do local de instalação. Neste sentido, o uso de estruturas móveis, com rastreamento solar, tem possibilitado o incre- mento da produção da energia gerada. Porém, o desempenho dessas estruturas depende do tipo de rastreador instalado e do tipo de controle de posição utilizado. Nesta disser- tação, é empregadauma estratégia de controlede posição aplicada a um rastreador solar, que será instalado no Laboratório de Eletrônica de Potência e Energias Renováveis (LE- PER),localizadonaUniversidadeFederal doRioGrandedoNorte(UFRN).Orastreador será do tipo polar, com rastreamento diário no sentido leste-oeste e ajuste do ângulo de inclinaçãomanualnos períodossazonais,no sentidonorte-sul. Palavras-chave: Rastreador solar,energiasolar, controledeposição,estruturas. Abstract Abstract: The use of solar energy for electricity generation has shown a growing interest in recent years. Generally, the conversion of solar energy into electricity is made by PV modules installed on fixed structures, with slope determined by the latitude of the installation site. In this sense, the use of mobile structures with solar tracking, has enabledincreasedproductionofthegeneratedenergy. However,theperformanceofthese structures depends on the typeof tracker and the positioncontrol used. In this work, it is proposed positioncontrol a strategy applied for a solartracker, which will be installed in LaboratoryofPowerElectronicsandRenewableEnergy (LEPER), locatedintheFederal UniversityofRioGrandedoNorte(UFRN).Thetrackersystemisofpolartypewithdaily positioningeast-westandtiltanglemanualadjustmentintheseasonalperiods,fromnorth tosouth. Keywords: Solartracker, solarenergy, positioncontrol,structures. Sumário Sumário i Lista deFiguras iii Lista deTabelas iv Lista deSímbolos vi Lista deAbreviaturas eSiglas x 1 Introdução 1 1.1 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Organização do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 Estado da Arte 5 2.1 Rastreadores Solares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1 Rastreadores Passivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.2 Rastreadores Ativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2 MotoresElétricosUtilizadosnoControledePosiçãodeRastreadores So- lares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2.1 Técnicas deControledePosiçãodeMáquinasAssíncronas . . . . 11 2.3 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3 Rastreadores Solares 15 3.1 Classificação dos Rastreadores Solares Quanto ao Número de Eixos Ro- tativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.1.1 Rastreador SolardeumEixo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.1.2 Rastreador SolardeDoisEixos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.2 Classificação dosRastreadores Solares Quantoao TipodeEstrutura . . . 16 3.2.1 Estruturacom Pedestal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 i 3.2.2 EstruturaRoll-Tilt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.2.3 Estruturacom PlataformaGiratória . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.3 Classificação dosRastreadores Solares Quantoao TipodeControle . . . 18 3.3.1 Passivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.3.2 Microprocessados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.3.3 Eletro-Ópticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.4 ClassificaçãodosRastreadoresSolaresQuantoàEstratégiadeRastreamento 19 3.4.1 Rastreador SolarPolar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.4.2 Rastreador SolarAzimutal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.4.3 Rastreador SolardeEixoHorizontal . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.5 Estruturado Rastreador SolarProposto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.5.1 JustificativadeEscolhadaEstruturaProposta . . . . . . . . . . . 21 3.5.2 EstruturaMetálica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.5.3 TracionadorMecânico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.6 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4 Modelagem da Máquina Trifásica 26 4.1 Equações daMáquinaTrifásica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4.1.1 Expressõesdos FluxosdaMáquinaTrifásica . . . . . . . . . . . 28 4.1.2 Expressõesdas TensõesdaMáquinaTrifásica . . . . . . . . . . 30 4.1.3 Expressão doConjugadoEletromagnéticodaMáquinaTrifásica . 31 4.2 Representação odq daMáquinaTrifásica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.2.1 Expressõesdos Fluxosemodq . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.2.2 Expressõesdas Tensõesem odq . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.2.3 Expressõesdo ConjugadoEletromagnéticoem odq . . . . . . . . 35 4.3 Representação Bifásica dqdaMáquinaAtiva . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.4 Representação Vetorialdq . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.5 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 5 Técnica de ControleEmpregada 38 5.1 ModelodaEstruturadeControleEmpregada. . . . . . . . . . . . . . . . 39 5.2 ControledeCorrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 5.3 ControledePosição Angular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5.4 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 6 Resultados Experimentais 46 6.1 Identificação dosParâmetros daMáquinadeIndução . . . . . . . . . . . 46 6.1.1 Medição dasResistências Estatóricas . . . . . . . . . . . . . . . 47 6.1.2 Ensaioem Vazio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 6.1.3 Ensaiocom RotorBloqueado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 6.1.4 Cálculo dosParâmetros Mecânicos . . . . . . . . . . . . . . . . 51 6.2 Descrição doSistemadeControleImplementado . . . . . . . . . . . . . 52 6.3 Resultados Experimentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 6.4 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 7 Conclusões 60 7.1 Conclusões Gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 7.2 TrabalhosFuturos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Referências bibliográficas 62 A Informações Adicionais 65 A.1 Dados deIdentificação do MotordeIndução . . . . . . . . . . . . . . . . 65