Construção de protótipos de hardware livre para análise da produção de eletricidade em sistemas solares fotovoltaicos fixos e com rastreamento solar de duplo-eixo.

Abstract

A energia solar é uma fonte alternativa, renovável e eficiente, ideal para regiões sem acesso à rede elétrica tradicional, possibilitando que sistemas solares fotovoltaicos, economicamente viáveis a médio e longo prazo, possam ser dimensionados de acordo com a demanda. O objetivo deste estudo foi construir dois protótipos de sistemas solares fotovoltaicos, um com uma base fixa e imóvel e outro com um dispositivo de rastreamento solar com duplo eixo de movimentação, a fim de determinar qual deles é eletricamente mais produtivo em relação aos padrões de cobertura de céu. O experimento foi implantado na Estação de Radiometria Solar (22°54' S, 48°27' O e 786 m) do Departamento de Bioprocessos e Biotecnologia da Faculdade de Ciências Agronômicas da UNESP de Botucatu - SP, Brasil. Ambos os sistemas solares fotovoltaicos foram construídos em perfil de alumínio, o de base fixa foi posicionado ao norte verdadeiro e o painel solar inclinado de acordo com a latitude do local, o de duplo eixo de movimentação foi acoplado a um rastreador solar baseado em Arduino Uno, com sensores de LDR e motores de passo de alto torque ajustando a posição do painel solar a cada 10 minutos. Um dispositivo eletrônico de aquisição de dados foi criado, em Arduino Uno, para mensurar a corrente e a tensão dos sistemas solares fotovoltaicos, permitindo o cálculo da potência elétrica e da irradiância solar obtidas em julho de 2024, o que possibilitou uma análise comparativa em diferentes condições de nebulosidade. A maior variação relativa percentual na conversão de energia solar em elétrica (70,89%) foi observada em condições de céu parcialmente nublado, provavelmente pelo fato de o rastreador solar ajustar a orientação do painel solar para o ângulo de melhor incidência, mesmo em condições com muitas variações de iluminação. Em condições de céu parcialmente aberto, a variação foi de 69,05%, e em céu nublado, de 50,28%. A menor variação (27,71%) ocorreu em condições de céu aberto. Os dados indicam que o sistema solar fotovoltaico de duplo eixo com rastreador solar é mais eficiente na captação de energia solar ao longo do dia em comparação com o de eixo único com base fixa em 54,48%, em média. As medições de corrente, potência elétrica e irradiância solar são mais altas com o rastreamento solar, pois permite captar mais luz solar.

Solar energy is an alternative, renewable and efficient source, ideal for regions without access to the traditional electricity grid, enabling solar photovoltaic systems, which are economically viable in the medium and long term, to be designed according to demand. The aim of this study was to build two prototype solar photovoltaic systems, one with a fixed, immobile base and the other with a solar tracking device with a double axis of movement, in order to determine which one is electrically more productive in relation to sky coverage. The experiment was set up at the Solar Radiometry Station (22°54'S, 48°27' O and 786 m) of the Bioprocesses and Biotechnology Department of the School of Agricultural Sciences at UNESP in Botucatu - SP, Brazil. Both solar photovoltaic systems were built in aluminum profile, the fixed base was positioned to true north, and the solar panel tilted according to the latitude of the site, the double axis of movement was coupled to a solar tracker based on Arduino Uno, with LDR sensors and high torque stepper motors adjusting the position of the solar panel every 10 minutes. An electronic data acquisition device was created in Arduino Uno to measure the current and voltage of the solar photovoltaic systems, allowing the calculation of the electrical power and solar irradiance obtained in July 2024, which enabled a comparative analysis in different cloud conditions. The greatest relative percentage variation in the conversion of solar energy into electricity (70.89%) was observed in partly cloudy sky conditions, because the solar tracker adjusts the orientation of the solar panel to the angle of best incidence, even in conditions with many variations in lighting. In partially open sky conditions, the variation was 69.05%, and in cloudy skies, 50.28%. The lowest variation (27.71%) occurred in open sky conditions. The data indicates that the dual-axis solar photovoltaic system with solar tracker is more efficient at capturing solar energy throughout the day than the singleaxis system with a fixed base, by 54.48% on average. Measurements of current, electrical power and solar irradiance are higher with solar tracking, as it allows more sunlight to be captured.