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Medindo a Radiação Solar com base em Células Fotovoltaicas
#1
Um dos pedidos de informação mais frequentes que me chegam é sobre o medidor de Radiação Solar utilizado aqui na MeteoCercal. Por esta razão decidi escolher precisamente este tema, para um dos primeiros tópicos nesta secção.
Para os mais puristas, que fique claro desde já, que não vou escrever sobre a construção de um verdadeiro piranómetro, mas sim sobre um equipamento simples, contruído com base em materiais económicos e de fácil aquisição. Não terá uma qualidade laboratorial, mas tem a qualidade suficiente para obter as medições que se podem observar na Meteocercal, e que ao longo do tempo se têm mostrado muito comparáveis às obtidas por estações de marcas conceituadas, situadas nas redondezas.
A titulo de exemplo, abaixo um gráfico gerado pelo Cumulus referente ao dia 03/05/2014.

[Image: SolRad_Graph20140503.jpg]

Aqui um outro gráfico representativo das últimas 12 horas, actualizado a cada 15 minutos (se for noite nada irá ser mostrado, como é obvio).

[Image: solar.png]

Feita esta explicação prelimiar, avançemos então:

1º Passo - Estudo da Teoria

Para a construção com exito deste equipamento, é muito importante a compreensão dos princípios em que se baseia. Dito isto, o primeiro passo é estudar exaustivamente a materia contida num artigo da autoria de Charles G. Wright, cujo link indico abaixo.

Measuring Solar Radiation

Volto a referir que antes de prosseguir, é muito importante ter consciência de que se entendeu perfeitamente a teoria apresentada no artigo anterior, pois os passos seguintes dependem disso.


...continua no próximo tópico.
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#2
2º Passo - Escolha da Célula Fotovoltaica

Da leitura e estudo atento da materia referida no tópico anterior, fácilmente podemos concluir que para o nosso projecto não nos irá servir qualquer célula fotovoltaica, mas sim uma, cuja corrente de curto circuito (que, por coerência com o artigo original, passarei a designar por Isc, ) não seja muito elevada, isto para que o valor da resistência Rsh decorrente da aplicação da lei de Ohm, não resulte num valor tão baixo, que na prática se torne muito difícil de obter.

[Image: pyranometer.gif]

Algo que devemos tambem ter em conta é que praticamente toda a potência da célula fotovoltaica (designada a partir de agora por CF) será dissipada na Rsh. Por essa razão recomendo a escolha de uma CF, com uma potência não superior a 150mW.

No caso concreto do sensor construido para a MeteoCercal, a CF escolhida foi um modelo de 1V - 100mW, o que teóricamente resultaria numa Isc máxima de 100mA (I=P/U).

3º Passo - Determinação da Isc Máxima da nossa CF

Para o cálculo da Rsh que iremos utilizar, é muito importante determinar com a maior exactidão possível qual a Isc máxima que a nossa CF irá fornecer nas condições em que a vamos utilizar. Esta medição é possívelmente o aspecto mais critico da construção deste equipamento, idealmente deveria de ser feita no periodo do ano e do dia em tivessemos o valor máximo teórico de Radiação Solar para a nossa posição geográfica, mas tal como quase tudo na vida, nem sempre o ideial é atingível, pelo que nos bastará um bom dia de sol de verão e céu limpo. Mais tarde ao longo da construção teremos alguma margem para calibrar o nosso equipamento.
Assim, e num dia de sol de verão e céu limpo, coloquemos a nossa CF em posição horizontal (nunca virada directamente para o sol) e com recurso a um multimetro digital de boa qualidade (menor resistência interna possível) vamos medir a Isc fornecida pela nossa CF.
No caso da CF que utilizei, realizando medições à mesma hora e em vários dias, o valor máximo da Isc obtido foi de 75mA.
No artigo referido no primeiro tópico, possívelmente para facilitar a explicação dos cálculos, o autor assumiu como valor máximo para a Radiação Solar o valor de 1000W/m2. No entanto, para latitudes como a de Portugal, nas quais o valor máximo téorico da Radição Solar se situa entre os 1300 e os 1400 W/m2, é necessário que a capacidade de leitura do equipamento não esteja limitada a um valor tão baixo, mas antes possa ir até valores na ordem dos 1500 a 1600 W/m2. Apenas a titulo de exemplo, nas estações meteorológicas Davis a leitura máxima possível é de 1800W/m2.

Num dia de sol de verão, céu limpo, ao meio dia, observando cuidadosamente no WeatherWunderground os valores de Radiação Solar disponibilizados por algumas estações meteorológicas situadas nas imediações, todas rondando os 1300W/m2, e tendo eu a minha medição Isc de 75mA, assumi que a esse valor de Isc muito provávelmente iria corresponder um valor de Radiação Solar não muito longe dos 1300W/m2. Mais tarde teria oportunidade de verificar se estaria certo ou errado (não esquecer o estudo da matéria, estamos a ler corrente e não voltagem, e as CF, na zona próxima da corrente de curto-cirtuito tem um comportamento linear, razão pela qual a Rsh tem de ter um valor pequeno).

[Image: pviv.gif]

Vamos então aos cálculos!


...continua no próximo tópico.
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#3
4º Passo - Determinação do valor de Rsh

À semelhança do exemplo apresentado no estudo referido no primeiro tópico, irei tambem optar por cálcular o valor da Rsh, por forma a obter uma queda de tensão em Rsh, com a relação de 1mV para cada 10W/m2. Assim, para uma Radiação Solar de 1300W/m2 pretendemos obter uma queda de tensão na Rsh de 130mV. Recorrendo à lei de Ohm em que R=V/I, teremos Rsh = 0,130V / 0,075A ou seja Rsh = 1,7333333 Ohm.
É importante que a resistência a utilizar em Rsh tenha a máxima precisão possível, e que de preferência não seja preciso correr o mundo para encontrá-la. Iremos arredondar o valor cálculado para 1,74 Ohm, pois ele existe nas séries E96 com valores de precisão de pelo menos 1%. Terá este valor sido coincidência? Continuando...

A resistência Rsh, deverá ser soldada o mais possível junto aos terminais positivo e negativo da CF, tendo o cuidado de nos certificarmos de que a soldadura está perfeita. Uma soldadura deficiente poderia causar uma resistência de contacto superior ao valor da própria Rsh. Em cada um dos terminais da CF, deveremos tambem soldar um pequeno pedaço de fio, que posteriormente iremos utilizar para ler as variações da queda de tenção em Rsh, que como agora sabemos serão linearmente proporcionais à intensidade da Radiação Solar.

Um pequeno aparte em abono do rigor. Sabemos que uma célula fotovoltaica, não reage igualmente a todas as frequências que fazem parte do espectro electromagnético, e que é praticamente cega aquelas de maiores comprimentos de onda, sabemos tambem que a medição da Isc que realizamos está afectada de um errro causado pela resistência interna do aparelho de medida (erro esse que poderia ser determinado conhecendo as especificações do aparelho usado na medição, mas que por razões de simplificação iremos ignorar), mas sabemos tambem que não estamos a tratar da construção de um equipamento para uso laboratorial, mas sim de um equipamento simples que por uma fração do preço de um verdadeiro piranómetro, permite leituras com uma margem de erro que considero aceitável tendo em conta o fim a que se destinam.


...continua no próximo tópico.
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#4
5º Passo - Leitura e conversão Analógico Digital, Factos e Considerações

Neste momento já temos um dispositivo no qual obtemos uma variação de tensão de 1mV por cada 10W/m2 de Radição Solar. Precisamos agora efectuar a leitura dessa variação de tensão e apresentação do resultado na unidade pretendida ou seja em W/m2.
Não obstante existirem outras formas de ler e apresentar os dados, no caso do dispositivo para a MeteoCercal.info, pretendia-se utilizar um Arduino Nano recorrendo a um dos seus conversores analógico digital (ADC) para fazer a leitura. O ADC destes Arduinos (tal como a maioria dos Arduinos comuns) têm uma resolução de 10 bits ou seja 1024 passos. Por defeito a tensão de referência para o ADC é de 5 Volt, significa isto que ao aplicarmos um determinado valor de tensão à entrada do ADC, ela é comparada com os 5V de referência e o resultado dado numa escala de 1024 passos (0 a 1023).

Vamos considerar que o dispositivo já construido poderá produzir na Rsh uma queda de tensão máxima de 160mV, correspondente a 1600 W/m2. É certo que anteriormente e pelas razões explicadas, tinhamos considerado a nossa medição como correspondendo a um valor de 1300W/m2, mas tambem é certo que o valor do máximo teórico da Radiação Solar, na verdade é uma média, e nas nossas latitudes é frequente num piranómetro se obterem valores de pico na ordem dos 1600W/m2, pelo que vamos considerar esta possibilidade, e definir como limite máximo de leitura do nosso dispositivo 1600W/m2.

Analisemos agora qual a resolução máxima da leitura que poderiamos esperar: 5V / 1023 = 4,88mV, como cada mv corresponde a 10W/m2, teriamos como resolução máxima 48,8W/m2. Esta resolução não nos serve!
Felizmente os Arduinos permitem alterar a tensão de referência para o ADC, e no caso do Arduino Nano temos até a possibilidade de utilizar uma tensão de referência muito estável, gerada internamente de 1.1V.
Vejamos então como ficaria a nossa resolução máxima, caso em vez dos 5V usássemos os 1,1V: 1.1V / 1023 = 1,07, ou seja 10,7W/m2. Melhorámos a resolução quase 4 vezes, no entanto, esta resolução ainda não nos serve!

Possivelmente, à muito que já terá concluído que, tendo em conta a reduzida amplitude dos sinais com os quais estamos a lidar, estes dificílmente poderiam ser lidos directamente pelo ADC de um Arduino com um nível de resolução aceitável. Então como resolver isto?
A solução passa por uma amplificação linear da amplitude do sinal original, de forma a que ao seu valor máximo de 160mV corresponda 1,1V, valor da referência do nosso ADC. Procedendo desta forma, vamos obter um aumento da resolução muito significativo (a continha fica como exercício), resultando em 1,56W/m2, um valor já bastante aceitável para este projecto.
Uma das formas mais simples e fíaveis para proceder à amplificação do nosso sinal original, é utilizar um Amplificador Operacional, no entanto, a sua escolha requer algumas considerações importantes como veremos de seguida.


...continua no próximo tópico.
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#5
5º Passo - Amplificação do Sinal

Existem várias formas de conceber um amplificador baseado em amplificadores operacionais. No nosso caso optamos por uma das formas mais simples, normalmente designada por amplificador não inversor e que genericamente se pode representar na forma ilustrada na figura abaixo.

[Image: Op-Amp_Non-Inverting_Amplifier.png]

Neste tipo de configuração o cálculo do ganho do amplificador é obtido a partir da seguinte formula:

[Image: Gain_Op-Amp_Non-Inverting_Amplifier.png]

Sendo que o Vout pretendido é de 1.1V e o que o nosso Vin é de 0,160V o nosso OP terá de ter um ganho igual a 6,875 (Vout/Vin), algo que obteremos com R1= 8K Ohm e R2= 47K Ohm.

O ganho que pretendemos é bastante modesto para qualquer OP, mas provávelmente não nos irá servir um qualquer OP. A maioria dos OP requerem uma alimentação simétrica, ou seja, negativo GND e positivo. Como não pretendo construir uma alimentação apenas para o OP, mas sim alimentá-lo a partir dos 5V que tenho disponíveis no Arduino, vou ter de escolher um OP que tenha esta possibilidade, existem muitos e são designados por OP's Single-Supply.
Por outro lado importa-me, para utilizações futuras, que seja um OP capaz de fornecer uma tensão de saída muito próximas da tensão de alimentação. Estes OP's tambem existem é claro, e são normalmente designados por OP's Rail-to-Rail. Para esta situação concreta, a minha escolha foi para o AD822AN - Single-Supply, Rail-to-Rail Low Power FET-Input Op Amp.

AD822AN APPLICATIONS
Battery-powered precision instrumentation
Photodiode preamps
Active filters 12-bit to 14-bit data acquisition systems Medical instrumentation
Low power references and regulators

Já temos tudo o que precisamos, o resto agora é construção.
No final deste artigo será apresentado um pequeno exemplo de código para o Arduino que nos permite visualizar as nossas leituras de Radiação Solar.


...continua no próximo tópico.
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#6
6º Passo - Construção do medidor de Radiação Solar

Apenas para aguçar o apetite vou começar por dizer que, escolhendo um outro OP e alterando o cálculo dos ganhos é possível fazer com que os dados deste sensor possam ser lidos directamente por uma Davis VP2. Sem arduino, sem alimentação extra, nada... só mesmo tudo o que já foi exposto anteriormente e conhecimento dos valores de tensão utilizados nas Davis VP2.

Quanto à construção fisica do sensor existem muitas possíbilidades de o fazer, dependendo o resultado da disponibilidade de materiais, imaginação e jeito de cada um. Dito isto, o que a seguir irei descrever é apenas a forma que eu escolhi, certamente existirão outras...

O sensor irá estar ao sol, à chuva, ao frio e ao calor, pelo que a primeira consideração é arranjar algo capaz de resistir a estas condições climatéricas e abrigar com segurança os componentes electrónicos.

Uma das ideias que me ocorreu foi utilizar uma daquelas luminarias que normalmente se utilizam imbutidas no solo para iluminação vertical. São estruturalmente bastante resistentes e estanques, pois são concebidas para uso exterior.
Na figura abaixo pode ver-se a unidade já contruida e instalada.

[Image: SolRad.jpg]

Numa primeira fase de testes, a electrónica foi instalada numa pequena "breadboard" e colocada no interior da iluminaria depois de removido o conteúdo original. A célula fotovoltaica foi instalada por baixo da parte vidrada.

[Image: sensorUV_Sol_V3_01.jpg]

Após várias semanas de testes e medições, a "breadboard" foi substituida por uma placa de circuito impresso.

[Image: sensorUV_Sol_V3_02.jpg]

A placa que se vê na imagem foi concebida pensando na possibilidade de utilizar o mesmo "involucro" para instalar tambem um sensor de UV, o que mais tarde, acabou mesmo por ser feito.

Na imagem abaixo pode ver-se a colocação da célula fotovoltaica, já com o sensor de UV ao lado.
Uma pequena nota: A instalação do sensor UV levou à substituição da cobertura superior que originalmente era de vidro, por uma em acrilico. O vidro comum absorve entre vinte a trinta por cento da radiação ultravioleta, alterando significativamente as medições, já o plástico acrilico é praticamente transparente à radição ultravioleta.

[Image: sensorUV_Sol_V31_03.jpg]

Tal como referi no inicio, a construção ilustrada acima é apenas uma possibilidade, muitas outras existem. Ficam a seguir mais umas ideias... com materiais mais simples!

[Image: IMG_0256_rdm.jpg][Image: UV-SR_Board_brd_v200_rdm.jpg]

Fica assim concluído este artigo, espero que seja útil para alguem.

Se gostou deste artigo, por favor colabore na sua avaliação clicando nas "estrelas" no topo da página. Obrigado.
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#7
Boas! Porque "À semelhança do exemplo apresentado no estudo referido no primeiro tópico, irei tambem optar por cálcular o valor da Rsh, por forma a obter uma queda de tensão em Rsh, com a relação de 1mV para cada 10W/m2." ?

Se preferires outra queda de tensão em Rsh, o valor de Rsh será diferente!

Cumps


(23-04-2014, 02:32)Werk_AG Wrote: 4º Passo - Determinação do valor de Rsh

À semelhança do exemplo apresentado no estudo referido no primeiro tópico, irei tambem optar por cálcular o valor da Rsh, por forma a obter uma queda de tensão em Rsh, com a relação de 1mV para cada 10W/m2. Assim, para uma Radiação Solar de 1300W/m2 pretendemos obter uma queda de tensão na Rsh de 130mV. Recorrendo à lei de Ohm em que R=V/I, teremos Rsh = 0,130V / 0,075A ou seja Rsh = 1,7333333 Ohm.
É importante que a resistência a utilizar em Rsh tenha a máxima precisão possível, e que de preferência não seja preciso correr o mundo para encontrá-la. Iremos arredondar o valor cálculado para 1,74 Ohm, pois ele existe nas séries E96 com valores de precisão de pelo menos 1%. Terá este valor sido coincidência? Continuando...

A resistência Rsh, deverá ser soldada o mais possível junto aos terminais positivo e negativo da CF, tendo o cuidado de nos certificarmos de que a soldadura está perfeita. Uma soldadura deficiente poderia causar uma resistência de contacto superior ao valor da própria Rsh. Em cada um dos terminais da CF, deveremos tambem soldar um pequeno pedaço de fio, que posteriormente iremos utilizar para ler as variações da queda de tenção em Rsh, que como agora sabemos serão linearmente proporcionais à intensidade da Radiação Solar.

Um pequeno aparte em abono do rigor. Sabemos que uma célula fotovoltaica, não reage igualmente a todas as frequências que fazem parte do espectro electromagnético, e que é praticamente cega aquelas de maiores comprimentos de onda, sabemos tambem que a medição da Isc que realizamos está afectada de um errro causado pela resistência interna do aparelho de medida (erro esse que poderia ser determinado conhecendo as especificações do aparelho usado na medição, mas que por razões de simplificação iremos ignorar), mas sabemos tambem que não estamos a tratar da construção de um equipamento para uso laboratorial, mas sim de um equipamento simples que por uma fração do preço de um verdadeiro piranómetro, permite leituras com uma margem de erro que considero aceitável tendo em conta o fim a que se destinam.


...continua no próximo tópico.
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#8
(18-12-2014, 16:55)vitorm Wrote: Boas! Porque "À semelhança do exemplo apresentado no estudo referido no primeiro tópico, irei tambem optar por cálcular o valor da Rsh, por forma a obter uma queda de tensão em Rsh, com a relação de 1mV para cada 10W/m2." ?

Se preferires outra queda de tensão em Rsh, o valor de Rsh será diferente!

Cumps

Boas Vitorm, bem vindo

Peço desculpa mas estou na duvida se estás colocar uma pergunta ou a fazer uma afirmação, seria possível reformulares a questão para que, se for esse o caso, eu tentasse dar um resposta mais concreta?

Cumprimentos
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#9
Peço desculpa!
Era uma pergunta Big Grin porquê a relação de 1mv para cada 10W/m2?


(18-12-2014, 17:19)Werk_AG Wrote:
(18-12-2014, 16:55)vitorm Wrote: Boas! Porque "À semelhança do exemplo apresentado no estudo referido no primeiro tópico, irei tambem optar por cálcular o valor da Rsh, por forma a obter uma queda de tensão em Rsh, com a relação de 1mV para cada 10W/m2." ?

Se preferires outra queda de tensão em Rsh, o valor de Rsh será diferente!

Cumps

Boas Vitorm, bem vindo

Peço desculpa mas estou na duvida se estás colocar uma pergunta ou a fazer uma afirmação, seria possível reformulares a questão para que, se for esse o caso, eu tentasse dar um resposta mais concreta?

Cumprimentos
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#10
Ok.
Nada obriga a que seja exactamente essa relação, no meu caso ( e no do autor) ela ajudaria bastante as medições na fase de testes.
A verdade é que se temos alguma liberdade na escolha da queda de tensão a obter em Rsh, estamos tambem limitados pelo facto de que o valor resultante do cálculo para Rsh ter de ser um valor suficientemente baixo para que a célula solar fique a funcionar na sua zona de curto-circuito, unica zona em que a corrente fornecida é realmente proporcional à intensidade da radiação solar recebida.
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