DEVELOPMENT ANALYSIS OF A SOLAR TRACKER PROTOTYPE USING ARDUINO AND LDR SYSTEM
REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/ar10202410240918
JESUS, Edelto Macedo¹;
PACHECO, Maria dos Anjos Fernandes².
RESUMO
A crescente demanda por fontes de energia renovável tem incentivado a pesquisa e o desenvolvimento de soluções tecnológicas que maximizem a eficiência na captação de energia solar. Dentre as inovações, destaca-se o rastreador solar, um sistema que ajusta automaticamente a posição de um painel solar de acordo com a incidência da luz solar. Objetivo: analisar o desenvolvimento de um sistema de rastreamento solar utilizando Arduino e sensores LDR. Metodologia: o presente estudo trata-se de uma pesquisa qualitativa do tipo experimental, onde foi desenvolvido um protótipo de rastreador solar utilizando sistema de Arduino E LDR. Resultados: os dados demonstraram uma melhoria significativa na eficiência da captação de energia em comparação a um painel solar fixo. Durante os testes, o sistema foi capaz de ajustar a posição do painel em resposta a variações na intensidade luminosa ao longo do dia, resultando em um aumento médio de 25% na geração de energia. Além disso, a implementação do sistema de controle utilizando Arduino e LDRs mostrou-se eficaz, com a programação permitindo respostas rápidas e precisas às mudanças de iluminação. Os dados indicam que o rastreador solar não apenas otimiza a produção de energia, mas também pode ser adaptado a diferentes contextos e escalas, oferecendo uma solução prática e econômica para maximizar o aproveitamento da energia solar. Conclusão: o desenvolvimento do rastreador solar utilizando um sistema de Arduino e sensores de luz (LDR) demonstrou ser uma solução eficaz para maximizar a captação de energia solar, evidenciando a importância da tecnologia no avanço das energias renováveis.
Palavras-chave: Rastreador solar. Arduino. Eficiência energética
ABSTRACT
The growing demand for renewable energy sources has encouraged research and development into technological solutions that maximize efficiency in capturing solar energy. One of these innovations is the solar tracker, a system that automatically adjusts the position of a solar panel according to the incidence of sunlight. Objective: to analyze the development of a solar tracking system using Arduino and LDR sensors. Methodology: This study is a qualitative experimental study in which a prototype solar tracker was developed using an Arduino and LDR system. Results: The data showed a significant improvement in energy capture efficiency compared to a fixed solar panel. During the tests, the system was able to adjust the position of the panel in response to variations in light intensity throughout the day, resulting in an average increase of 25% in energy generation. In addition, the implementation of the control system using Arduino and LDRs proved to be effective, with the programming enabling fast and accurate responses to changes in lighting. The data indicates that the solar tracker not only optimizes energy production, but can also be adapted to different contexts and scales, offering a practical and economical solution to maximize the use of solar energy. Conclusion: Conclusion: The development of the solar tracker using an Arduino system and light sensors (LDR) proved to be an effective solution for maximizing solar energy capture, highlighting the importance of technology in the advancement of renewable energies.
Keywords: Solar tracker. Arduino. Energy efficiency
INTRODUÇÃO
No contexto atual, a busca por fontes de energia renovável e eficiente tem se intensificado devido à crescente preocupação com as questões ambientais e a escassez de recursos naturais. A energia solar, em particular, destaca-se como uma alternativa promissora e sustentável, aproveitando a luz do sol para gerar eletricidade. No entanto, para maximizar a eficiência dos sistemas fotovoltaicos, é essencial adotar tecnologias que otimizem a captação de energia solar. Um método eficaz para alcançar esse objetivo é o rastreamento solar, uma técnica que ajusta a posição dos painéis solares para manter sua orientação perpendicular aos raios solares durante o dia (Coriolano; Souza, 2020).
Os rastreadores solares são dispositivos projetados para otimizar a captura de luz solar por painéis fotovoltaicos, aumentando sua eficiência em comparação com sistemas fixos. O princípio fundamental de um rastreador solar é ajustar a orientação do painel ao longo do dia para garantir que ele esteja sempre alinhado perpendicularmente aos raios solares. Isso é realizado através de mecanismos de ajuste que podem variar de simples sistemas unidimensionais, que controlam a inclinação do painel em um único eixo, até sistemas bidimensionais, que ajustam a orientação em dois eixos, proporcionando um alinhamento mais preciso com o sol (Rodrigues, 2023).
Existem vários tipos de rastreadores solares, sendo os mais comuns os sistemas de rastreamento de um eixo e os de dois eixos. Os rastreadores de um eixo ajustam a inclinação do painel solar ao longo de um eixo, normalmente alinhado de leste a oeste, seguindo a trajetória do sol. Por outro lado, os rastreadores de dois eixos oferecem um ajuste mais sofisticado, permitindo a movimentação do painel tanto ao longo do eixo leste-oeste quanto ao longo do eixo norte-sul, o que maximiza a captura de luz solar ao longo do ano e em diferentes condições climáticas (Freitas, 2018).
Para implementar um rastreador solar, podem ser utilizados diversos sensores e atuadores. Sensores de luz, como os LDRs (Light Dependent Resistors), são frequentemente empregados para medir a intensidade da luz em diferentes partes do painel. Essas medições são enviadas para um controlador, como um microcontrolador Arduino, que processa as informações e envia comandos para motores ou servomecanismos que ajustam a posição do painel. O controle automatizado garante que o painel permaneça sempre na melhor posição para captar a máxima quantidade de luz solar (Vieira et al., 2014).
A adoção de rastreadores solares oferece uma significativa vantagem em termos de eficiência energética. Estudos mostram que sistemas com rastreamento solar podem aumentar a produção de energia dos painéis fotovoltaicos em até 25% em comparação com sistemas fixos, dependendo da localização geográfica e das condições de iluminação. Além disso, a implementação de tecnologias de rastreamento solar pode ser otimizada para reduzir custos e aumentar a acessibilidade, tornando-as uma solução viável para uma ampla gama de aplicações residenciais e comerciais (Alves, 2018).
O rastreamento solar pode ser realizado de duas maneiras principais: o rastreamento unidimensional, que ajusta a inclinação dos painéis em um eixo, e o rastreamento bidimensional, que permite o ajuste em dois eixos, proporcionando uma orientação mais precisa em relação ao sol. Este projeto foca no desenvolvimento de um rastreador solar bidimensional, utilizando um sistema baseado em Arduino e sensores LDR (Light Dependent Resistor). O Arduino, um microcontrolador amplamente utilizado em projetos de automação e controle, será responsável por processar os dados dos sensores e controlar os motores que ajustam a posição dos painéis solares (Freitas, 2018).
O Arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica de código aberto que utiliza microcontroladores para facilitar o desenvolvimento de projetos de automação e controle. Com sua interface simples e acessível, o Arduino permite que tanto iniciantes quanto profissionais desenvolvam sistemas complexos sem a necessidade de conhecimentos aprofundados em eletrônica. A popularidade do Arduino se deve à sua flexibilidade, facilidade de programação e uma vasta comunidade de usuários que contribuem com bibliotecas e exemplos de código, tornando-o uma escolha ideal para projetos como rastreadores solares (Coriolano; Souza, 2020).
Os sensores LDR (Light Dependent Resistor), ou resistores dependentes de luz, são componentes eletrônicos cuja resistência varia de acordo com a intensidade da luz que incide sobre eles. Em um sistema de rastreamento solar, os LDRs são utilizados para medir a quantidade de luz solar que chega a diferentes partes do painel. Essa informação é crucial para determinar a posição do sol e ajustar a orientação do painel solar de forma precisa. A variação na resistência dos LDRs é convertida em sinais elétricos que são interpretados pelo Arduino para tomar decisões sobre o movimento dos motores (Alves, 2018).
Integrar o Arduino com LDRs permite criar um sistema de rastreamento solar eficiente e de baixo custo. O Arduino lê as medições dos LDRs e utiliza algoritmos para calcular a posição ideal do painel solar em relação ao sol. Em seguida, o Arduino controla motores ou servomecanismos para ajustar o ângulo do painel. A combinação desses componentes proporciona um sistema automatizado que melhora a eficiência energética dos painéis solares, aumentando a produção de eletricidade e otimizando o uso da energia solar disponível.
Os sensores LDR são componentes eletrônicos sensíveis à luz, cuja resistência varia de acordo com a intensidade luminosa a que são expostos. No contexto deste projeto, os LDRs serão utilizados para detectar a intensidade da luz solar em diferentes posições do painel, fornecendo informações cruciais para o sistema de rastreamento. Através da análise dessas informações, o Arduino pode calcular a posição ideal do painel solar e acionar os motores para garantir que o painel esteja sempre alinhado com o sol (Rodrigues, 2023).
Este estudo justifica-se por entender que o desenvolvimento de um rastreador solar com sistema de Arduino e LDR é motivado pela crescente necessidade de otimização na captação de energia solar e pela demanda por soluções tecnológicas acessíveis e eficientes. A energia solar é uma das fontes de energia renovável mais promissoras, mas a eficiência dos sistemas fotovoltaicos pode ser significativamente aprimorada com o uso de rastreadores solares. Esses dispositivos permitem que os painéis solares ajustem sua orientação ao longo do dia para maximizar a exposição à luz solar, resultando em um aumento considerável na produção de eletricidade. A integração de tecnologias simples e eficazes no desenvolvimento de rastreadores solares promove a educação e a conscientização sobre energia renovável e sustentabilidade. O projeto serve como um exemplo prático de como a inovação tecnológica pode contribuir para a melhoria da eficiência energética e a redução dos custos associados à energia solar.
Sendo assim o objetivo geral deste estudo é analisar o desenvolvimento de um sistema de rastreamento solar utilizando Arduino e sensores LDR, ao mesmo tempo como objetivos específicos: (1) projetar e implementar o circuito eletrônico; (2) criar o algoritmo de controle e programar o arduino; e por fim (3) testar e avaliar o desempenho do rastreador solar.
REFERENCIAL TEÓRICO
Fundamentos de energia solar e sistemas de rastreadores solares
A energia solar é uma das fontes de energia renováveis mais abundantes e promissoras do mundo. Proveniente da radiação solar, essa forma de energia pode ser convertida em eletricidade ou calor, sendo uma solução sustentável para a crescente demanda energética global. O sol, além de ser uma fonte inesgotável, não emite gases poluentes, o que torna a energia solar uma das alternativas mais limpas e ecologicamente corretas em comparação com os combustíveis fósseis (Lima; Almeida; Carneiro, 2024).
A conversão da energia solar em eletricidade é feita principalmente por meio de sistemas fotovoltaicos. Esses sistemas utilizam células solares, que transformam a radiação solar diretamente em corrente elétrica. Outra forma de aproveitamento da energia solar é através de sistemas de aquecimento solar, que utilizam o calor do sol para aquecer água ou outros fluidos. Ambos os sistemas podem ser otimizados com o uso de tecnologias que aumentam a captura da radiação solar ao longo do dia, como os rastreadores solares (Lewandoski et al., 2022).
Os sistemas de rastreamento solar são dispositivos que seguem a trajetória do sol, ajustando a posição dos painéis solares para maximizar a captação da radiação. Esses sistemas podem aumentar a eficiência dos painéis fotovoltaicos em até 30% a 40%, dependendo da localização geográfica e das condições climáticas. A ideia básica por trás desses dispositivos é simples: manter os painéis perpendiculares aos raios solares durante todo o dia, aproveitando ao máximo a energia disponível (Góis, 2024).
Existem dois tipos principais de sistemas de rastreamento solar: uniaxial e biaxial. Os rastreadores uniaxiais movem os painéis solares em um único eixo, geralmente de leste para oeste, acompanhando a trajetória do sol ao longo do dia. Esse tipo de sistema é mais simples e econômico, sendo adequado para locais onde o movimento do sol segue uma trajetória relativamente previsível. Já os rastreadores biaxiais ajustam a posição dos painéis em dois eixos, permitindo que eles sigam o sol tanto no sentido horizontal quanto vertical. Isso proporciona uma captação ainda mais eficiente, principalmente em locais com maior variação sazonal na posição solar (Rodrigues, 2019).
A escolha entre sistemas uniaxiais e biaxiais depende de diversos fatores, como o custo, a localização geográfica e o tipo de aplicação. Em regiões próximas ao equador, onde a trajetória do sol é mais constante, os rastreadores uniaxiais podem ser suficientes para garantir uma boa eficiência. No entanto, em latitudes mais elevadas, onde o ângulo do sol varia significativamente ao longo do ano, os rastreadores biaxiais são mais vantajosos, pois garantem uma captação de energia mais uniforme durante todas as estações (Silva et al., 2022).
Os rastreadores solares são amplamente utilizados em grandes usinas solares e projetos comerciais, onde o aumento da eficiência justifica o investimento inicial mais elevado. No entanto, com o avanço da tecnologia e a redução dos custos, essas soluções têm se tornado cada vez mais acessíveis para pequenos projetos e até mesmo para uso residencial. Além disso, os sistemas de rastreamento têm sido integrados a outras tecnologias inteligentes, como sensores de luz e sistemas automatizados de controle, para otimizar ainda mais a eficiência energética.
Uma das principais vantagens dos sistemas de rastreamento solar é a capacidade de aumentar a produção de energia sem a necessidade de adicionar mais painéis solares. Isso é particularmente importante em áreas com espaço limitado ou onde o custo do terreno é elevado. Ao maximizar a exposição dos painéis à luz solar, os rastreadores permitem que os projetos solares gerem mais energia em uma área menor, aumentando a densidade de potência do sistema (Góis, 2024).
Além de aumentar a eficiência, os rastreadores solares também podem melhorar a estabilidade do sistema de geração de energia, especialmente em locais com alta variação de irradiação solar ao longo do dia. Ao manter os painéis na melhor posição possível, os rastreadores podem ajudar a suavizar as flutuações na produção de energia, tornando os sistemas solares mais previsíveis e confiáveis. Isso é particularmente relevante em redes elétricas que dependem de fontes intermitentes, como a solar e a eólica (Góis, 2024).
No entanto, os sistemas de rastreamento solar também apresentam alguns desafios. Um dos principais é o custo adicional, tanto de instalação quanto de manutenção. Como esses sistemas possuem componentes mecânicos móveis, como motores e engrenagens, eles estão sujeitos a desgastes e falhas ao longo do tempo. Isso exige uma manutenção mais frequente e cuidadosa em comparação com sistemas solares fixos. Além disso, em algumas regiões com condições climáticas adversas, como ventos fortes ou neve, os rastreadores podem ser mais vulneráveis a danos (Lewandoski et al., 2022).
Outro fator a ser considerado é o consumo de energia dos próprios rastreadores. Embora o aumento na eficiência dos painéis solares compense o consumo de energia dos motores e sistemas de controle, é importante que o design do sistema seja otimizado para garantir que o ganho de energia justifique o uso do rastreamento. Em alguns casos, especialmente em pequenas instalações, os sistemas de rastreamento podem não ser economicamente viáveis, e a escolha por sistemas fixos pode ser mais apropriada (Silva et al., 2022).
A viabilidade dos sistemas de rastreamento solar também está diretamente ligada ao tipo de aplicação. Em projetos de grande escala, como fazendas solares, o ganho de eficiência é geralmente significativo o suficiente para justificar o investimento. Em contrapartida, em projetos de pequena escala, como em residências ou pequenas instalações comerciais, a escolha pelo rastreamento deve ser cuidadosamente analisada, levando em consideração fatores como o custo-benefício e as condições ambientais locais (Lima; Almeida; Carneiro, 2024).
No contexto do desenvolvimento de novas tecnologias, o uso de sistemas inteligentes de rastreamento tem sido uma área de intenso estudo e inovação. Soluções que combinam sensores de luz, algoritmos de otimização e controle automatizado estão sendo exploradas para criar rastreadores mais eficientes e autossuficientes. O uso de sensores, como LDRs (Light Dependent Resistors), por exemplo, permite que os sistemas identifiquem a direção de maior intensidade luminosa e ajustem automaticamente a posição dos painéis solares em tempo real (Góis, 2024).
Além disso, o avanço da Internet das Coisas (IoT) e a integração com sistemas de monitoramento remoto têm permitido a criação de sistemas de rastreamento solar conectados, que podem ser monitorados e controlados à distância, otimizando o desempenho e a manutenção preventiva. Com essas inovações, os sistemas de rastreamento solar estão se tornando cada vez mais inteligentes, eficientes e acessíveis, contribuindo para a popularização da energia solar em todo o mundo (Silva et al., 2022).
Arduino: estrutura e aplicações no controle de rastreadores solares
O Arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica de hardware livre que se tornou extremamente popular devido à sua simplicidade e flexibilidade. Ele consiste em uma placa de microcontrolador capaz de receber sinais de sensores e controlar atuadores, como motores e LEDs, por meio de programas simples. Essa plataforma é amplamente utilizada em projetos de automação, robótica e, mais recentemente, em sistemas de energia renovável, como os rastreadores solares (Araújo, 2023).
A estrutura básica de uma placa Arduino inclui um microcontrolador, portas de entrada e saída (digitais e analógicas), além de conectores para alimentação. Entre as placas mais comuns estão o Arduino Uno, Mega e Nano, cada uma com diferentes quantidades de portas e capacidades de processamento. O microcontrolador é o “cérebro” da placa, responsável por executar os comandos do código carregado na memória, processando informações de sensores e enviando sinais para os atuadores (Conforto; Oliveira; Garrido, 2023).
A programação do Arduino é realizada através da linguagem C/C++ simplificada, usando um ambiente de desenvolvimento integrado (IDE) disponível gratuitamente. Isso permite que tanto iniciantes quanto desenvolvedores avançados criem projetos com facilidade. O código é escrito no IDE do Arduino e enviado para a placa por meio de uma conexão USB, onde é executado para controlar o hardware conectado à placa (Campos; Silva, 2020).
Nos sistemas de rastreamento solar, o Arduino é utilizado para processar informações de sensores de luz, como o LDR (Light Dependent Resistor), que detecta a intensidade luminosa. Com base nos dados captados pelos sensores, o Arduino ajusta a posição dos painéis solares, acionando motores que movem o sistema para manter a orientação correta em relação ao sol. Esse controle automático aumenta significativamente a eficiência na captura de energia solar (Neto et al., 2020).
Um dos principais pontos fortes do Arduino em projetos de rastreamento solar é sua capacidade de integração com uma ampla gama de sensores e atuadores. Além do LDR, podem ser usados sensores de temperatura, anemômetros (para medir a velocidade do vento) e outros dispositivos que ajudam a otimizar o funcionamento do rastreador. Atuadores como motores de passo e servomotores são amplamente empregados para ajustar com precisão a posição dos painéis solares (Sousa; Abreu; Alves, 2022).
Os motores de passo são frequentemente utilizados em projetos de rastreamento solar controlados por Arduino devido à sua precisão no movimento. Eles permitem o controle da rotação dos eixos em pequenos incrementos, garantindo que os painéis solares se movam suavemente na direção do sol. O Arduino envia pulsos elétricos para o motor de passo, controlando a quantidade de movimento necessário para manter o painel alinhado com o sol em cada momento do dia (Conforto; Oliveira; Garrido, 2023).
Por outro lado, os servomotores são usados quando é necessário um controle mais simplificado e rápido de movimento. Eles são ideais para pequenos rastreadores solares que exigem ajustes rápidos na posição dos painéis. A integração do servomotor com o Arduino permite que o painel seja posicionado com base na leitura dos sensores de luz, ajustando a orientação de maneira eficiente e automática (Campos; Silva, 2020).
Outro componente importante no controle de rastreadores solares com Arduino é o uso de drivers de motor, como o L298N. Esses drivers são circuitos integrados que amplificam os sinais vindos do Arduino para acionar os motores. Como o Arduino sozinho não fornece corrente suficiente para operar motores de grande porte, os drivers garantem que o sistema seja capaz de mover os painéis solares de forma eficiente e sem sobrecarregar o microcontrolador (Araújo, 2023).
Além dos sensores de luz e motores, o Arduino pode ser programado para considerar fatores externos que podem influenciar o desempenho dos rastreadores solares. Por exemplo, o sistema pode ser configurado para mover os painéis para uma posição segura em condições climáticas adversas, como ventos fortes ou tempestades. Sensores meteorológicos podem ser incorporados ao sistema para fornecer essas informações em tempo real (Neto et al., 2020).
A comunicação entre o Arduino e outros dispositivos é uma das características mais poderosas da plataforma. Isso é possível graças aos protocolos de comunicação como I2C, SPI e UART, que permitem a integração com outros microcontroladores, módulos de comunicação (Wi-Fi, Bluetooth) e sistemas de monitoramento remoto. Em projetos de grande escala, o Arduino pode ser parte de uma rede de dispositivos interligados que controlam e monitoram toda a instalação de energia solar (Araújo, 2023).
A simplicidade e acessibilidade do Arduino tornam essa plataforma ideal para iniciantes e entusiastas de eletrônica, que podem desenvolver protótipos de rastreadores solares de baixo custo. A vasta documentação e a comunidade ativa também facilitam a troca de informações, permitindo que projetos complexos sejam desenvolvidos de forma colaborativa e inovadora. Isso ajuda a disseminar a utilização de sistemas de rastreamento solar em diferentes contextos, desde pequenas instalações residenciais até grandes usinas solares (Conforto; Oliveira; Garrido, 2023).
O uso de Arduino em projetos de rastreamento solar também permite a implementação de algoritmos de otimização, como o controle PID (Proporcional-Integral-Derivativo). Esse tipo de controle ajusta a posição dos painéis solares de forma mais eficiente e precisa, levando em consideração não apenas a intensidade da luz solar, mas também a variação do ângulo de inclinação e o tempo de resposta dos motores. Isso resulta em um rastreamento mais suave e um maior aproveitamento da energia solar ao longo do dia (Campos; Silva, 2020).
Além disso, a integração do Arduino com sistemas de monitoramento baseados em Internet das Coisas (IoT) está se tornando cada vez mais comum. Com essa tecnologia, é possível monitorar e controlar o rastreador solar remotamente, recebendo dados em tempo real sobre o desempenho do sistema e ajustando parâmetros automaticamente, caso necessário. Isso torna os sistemas de energia solar mais inteligentes e adaptáveis, proporcionando maior eficiência e redução de custos operacionais (Neto et al., 2020).
Outro aspecto relevante é a sustentabilidade dos sistemas de rastreamento solar baseados em Arduino. O uso de componentes de baixo custo e fácil manutenção faz com que esses sistemas possam ser implementados em áreas remotas e de difícil acesso, onde a energia elétrica é limitada. Isso contribui para a expansão da energia solar em regiões rurais e países em desenvolvimento, promovendo a inclusão energética e o uso de fontes renováveis (Araújo, 2023).
Sensor LDR: princípio de funcionamento e aplicação em rastreadores
O LDR (Light Dependent Resistor), ou resistor dependente de luz, é um componente eletrônico cujo princípio de funcionamento baseia-se na variação de sua resistência em função da quantidade de luz que incide sobre ele. À medida que a intensidade luminosa aumenta, a resistência do LDR diminui, permitindo que uma maior corrente elétrica passe através dele. Inversamente, em ambientes escuros, sua resistência aumenta, limitando a passagem da corrente. Essa característica faz do LDR um sensor ideal para a detecção de níveis de luminosidade (Lopes et al., 2022).
O funcionamento do LDR é baseado no efeito fotocondutivo. Em materiais fotossensíveis, como o sulfeto de cádmio (CdS), que é o principal material usado na fabricação dos LDRs, a incidência de luz provoca a excitação de elétrons, reduzindo a resistência elétrica. Esse comportamento é altamente sensível a diferentes níveis de luz, o que permite que o LDR seja amplamente utilizado em aplicações que exigem a detecção e medição de intensidade luminosa, como em sistemas de iluminação automática e, principalmente, em rastreadores solares (Dusek et al., 2021).
No contexto dos rastreadores solares, o LDR desempenha um papel crucial ao fornecer informações sobre a posição do sol. Ao instalar múltiplos sensores LDR em diferentes pontos de um painel solar, o sistema pode detectar a direção de maior intensidade luminosa e ajustar a orientação do painel em conformidade. O princípio é simples: o lado do painel com maior exposição à luz terá menor resistência nos LDRs, indicando ao controlador do rastreador qual direção seguir para maximizar a captação de luz solar (Braz, 2024).
Em um sistema típico de rastreamento solar com LDR, são posicionados pelo menos dois sensores em locais estratégicos do painel, de forma que um lado sempre receba mais luz do que o outro. A diferença de resistência entre os sensores é interpretada pelo microcontrolador, como o Arduino, que aciona os motores para mover o painel solar até que ambos os LDRs apresentem leituras semelhantes. Nesse ponto, o painel estará alinhado perpendicularmente aos raios solares, maximizando a absorção de energia (Mariano et al., 2023).
A configuração mais comum utiliza quatro LDRs dispostos nos cantos do painel solar, formando uma cruz. Cada LDR é responsável por detectar a intensidade luminosa de uma direção específica: norte, sul, leste e oeste. Quando a luz do sol atinge o painel de forma desigual, o sistema detecta essa diferença e ajusta o painel em dois eixos, horizontal e vertical, garantindo um rastreamento solar de alta precisão (Lemos; Ramos, 2020).
O LDR também tem a vantagem de ser um componente de baixo custo e fácil implementação, o que o torna amplamente acessível para projetos de rastreamento solar de pequeno e médio porte. Ele pode ser facilmente integrado a sistemas baseados em Arduino, por meio da leitura de seus valores de resistência convertidos em sinais analógicos ou digitais. Esses sinais, processados pelo microcontrolador, são utilizados para controlar motores de passo ou servomotores que ajustam a posição do painel solar (Lopes et al., 2022).
Outro ponto a ser destacado sobre o uso de LDRs em rastreadores solares é a simplicidade de calibração. Uma vez que o sistema é configurado para detectar a diferença de resistência entre os LDRs, a calibração pode ser feita ajustando-se os valores de referência no código do controlador, tornando o processo relativamente simples. Essa facilidade é uma grande vantagem, especialmente em projetos DIY (faça você mesmo), onde a simplicidade e a economia são aspectos fundamentais (Lemos; Ramos, 2020).
No entanto, é importante considerar as limitações do LDR em relação a outros sensores de luz. Uma das principais desvantagens é sua sensibilidade à variação de temperatura, que pode alterar a resistência do componente e afetar a precisão das medições. Em regiões onde a variação de temperatura é significativa, é necessário tomar precauções para mitigar esses efeitos, como a utilização de materiais de isolamento térmico ou o uso de algoritmos de compensação no software de controle (Braz, 2024).
Além disso, o LDR tem um tempo de resposta relativamente lento em comparação com sensores fotônicos mais avançados, como fotodiodos e fototransistores. Isso significa que o LDR pode demorar mais para se adaptar a mudanças rápidas na intensidade da luz, como em dias nublados, onde a luminosidade varia constantemente. Embora essa desvantagem não seja crítica em todos os projetos de rastreamento solar, ela pode afetar a eficiência do sistema em ambientes com condições climáticas instáveis (Mariano et al., 2023).
Outra limitação dos LDRs é a sua baixa sensibilidade a comprimentos de onda específicos. O sulfeto de cádmio, material usado no LDR, tem uma resposta mais eficiente à luz visível, especialmente na faixa amarela-verde do espectro. Isso pode ser uma desvantagem em sistemas que precisam detectar luz em diferentes comprimentos de onda, como a luz infravermelha, que também pode contribuir para o aquecimento e eficiência energética dos painéis solares (Lopes et al., 2022).
Apesar dessas limitações, os LDRs continuam sendo uma solução prática e eficiente para a maioria dos projetos de rastreamento solar, principalmente quando o custo-benefício é uma prioridade. Para projetos residenciais ou de pequena escala, onde o objetivo é aumentar a eficiência energética com baixo investimento, os LDRs oferecem uma solução funcional e acessível. Além disso, eles são fáceis de encontrar no mercado e podem ser integrados em sistemas de prototipagem de maneira rápida e eficaz (Mariano et al., 2023).
Nos sistemas de rastreamento solar, o LDR também pode ser combinado com outros sensores para aumentar a precisão e a robustez do sistema. Por exemplo, sensores de temperatura ou anemômetros podem ser usados em conjunto com o LDR para ajustar o sistema de rastreamento com base nas condições climáticas. Dessa forma, o sistema pode, por exemplo, proteger os painéis solares movendo-os para uma posição horizontal em caso de ventos fortes ou tempestades (Braz, 2024).
O uso de LDRs em sistemas de rastreamento solar também pode ser otimizado através de algoritmos de controle avançados. Um exemplo é o algoritmo PID (Proporcional-IntegralDerivativo), que pode ser implementado para ajustar a posição dos painéis solares de forma mais suave e precisa. O PID leva em consideração a diferença de luminosidade detectada pelos LDRs e calcula os ajustes necessários para minimizar essa diferença ao longo do tempo, melhorando a eficiência geral do sistema (Mariano et al., 2023).
Além disso, os LDRs podem ser parte de sistemas mais complexos que incluem monitoramento remoto. Integrados com a Internet das Coisas (IoT), os rastreadores solares baseados em LDR podem enviar dados sobre a intensidade luminosa e o desempenho do sistema para uma plataforma de monitoramento online. Isso permite ajustes e manutenções preditivas à distância, garantindo que o sistema esteja sempre operando em sua máxima eficiência (Lemos; Ramos, 2020).
METODOLOGIA
O presente estudo trata-se de uma pesquisa aplicada com abordagem experimental, onde foi desenvolvido um rastreador solar utilizando componentes acessíveis, como o Arduino Uno, LDRs (resistores dependentes de luz), e servomotores para movimentar um painel solar em dois eixos, maximizando a captação de energia. O sistema controlará a orientação do painel com base nas leituras de luminosidade de quatro LDRs, garantindo que o painel siga a posição do sol ao longo do dia.
Durante a elaboração do protótipo foram utilizados os seguintes materiais(Figura 1):
- 1 Arduino Uno: Microcontrolador responsável por processar os dados dos sensores e controlar os servomotores;
- 4 LDRs: Sensores de luz responsáveis por detectar a intensidade luminosa em diferentes direções;
- 4 Resistores de 220Ω: Componentes conectados em série com os LDRs para limitar a corrente e proteger o circuito;
- 2 Servomotores: Responsáveis pelo movimento do painel solar nos eixos horizontal e vertical;
- 1 Módulo fonte ajustável (3.3V a 5V): Para fornecer energia estável ao sistema;
- 1 Mini placa solar (3V): Para simular o painel solar rastreado;
- 1 Plataforma de MDF: Para montar o protótipo e fixar os componentes;
- 1 Display de 7 segmentos: Para exibir informações relevantes, como o ângulo de inclinação do painel;
- Abraçadeiras e Cabos jumpers: Para conectar e organizar os componentes eletrônicos.
Figura 1: Material utilizado para a elaboração do protótipo
3. Etapas do Desenvolvimento
Nesta etapa inicial, será feita a definição do projeto e a distribuição dos componentes no protótipo. O painel solar simulado será montado sobre uma estrutura de MDF, que será movimentada em dois eixos por meio dos dois servomotores. Quatro LDRs serão posicionados nos cantos do painel solar, formando uma cruz, para detectar a direção de maior incidência de luz.
O próximo passo é a montagem do circuito eletrônico. Os LDRs serão conectados às entradas analógicas do Arduino Uno, formando um divisor de tensão em conjunto com os resistores de 220Ω. Os servomotores serão ligados às saídas digitais PWM do Arduino para controlar a rotação em dois eixos (horizontal e vertical). A alimentação do sistema será fornecida pelo módulo ajustável de fonte, que irá regular a voltagem entre 3.3V e 5V.
3.3. Programação do Arduino
A etapa de programação envolve a escrita de um código no IDE do Arduino, utilizando a linguagem C/C++. O código será responsável por:
- Ler os valores de luminosidade dos quatro LDRs.
- Comparar as leituras para determinar a direção de maior intensidade luminosa.
- Acionar os servomotores para mover o painel solar até que a intensidade luminosa seja equilibrada em ambos os eixos.
- Exibir o ângulo atual de inclinação do painel no display de 7 segmentos.
Com o circuito montado e o código carregado no Arduino, foi realizada a montagem física do sistema (Figura 2). A plataforma de MDF será utilizada para fixar o mini painel solar e os LDRs. Os servomotores serão acoplados à estrutura de MDF para permitir o movimento de rotação e inclinação do painel. Abraçadeiras e cabos jumper serão usados para organizar os fios e manter os componentes firmemente conectados.
Figura 2: Montagem do protótipo
Nesta etapa, o sistema será testado para garantir que os LDRs estejam funcionando corretamente e que os servomotores estejam movendo o painel solar de acordo com a detecção de luz. Será feita a calibração dos LDRs, ajustando o código para garantir que a movimentação do painel ocorra apenas quando houver uma diferença significativa na incidência de luz entre os sensores. Isso evitará movimentos desnecessários em dias nublados ou com variações pequenas de luz.
O display de 7 segmentos será programado para exibir o ângulo de inclinação do painel solar em tempo real. Isso permitirá monitorar o funcionamento do sistema e identificar o grau de inclinação necessário para maximizar a captação de luz solar.
O controle dos servomotores será baseado em um algoritmo de comparação dos valores lidos pelos LDRs. A lógica do sistema funciona da seguinte maneira:
- Se o LDR da direita detectar mais luz que o da esquerda, o servomotor ajustará o painel em direção ao leste até que ambos os sensores estejam equilibrados.
- O mesmo princípio será aplicado ao eixo vertical: se o LDR superior detectar mais luz que o inferior, o painel será ajustado para cima até que a luminosidade seja uniforme.
- O código Arduino (Figura 3) também incluirá limites de movimento para os servomotores, evitando que o painel ultrapasse os ângulos máximos permitidos.
Figura 3: Codificação do sistema arduino
Testes e validação
Após a implementação, o sistema será submetido a testes funcionais (Figura 4) em diferentes condições de iluminação para validar sua operação. Serão realizados testes tanto em ambientes internos quanto externos, verificando como o rastreador responde a mudanças na posição do sol. O desempenho será avaliado com base na precisão e no tempo de resposta dos movimentos.
Figura 4: Teste do protótipo
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Eficiência Energética do Rastreador Solar Utilizando Arduino e LDR
A eficiência energética do rastreador solar desenvolvido com Arduino e sensores LDR é um dos principais resultados do estudo, revelando-se um avanço significativo na captação de energia solar em comparação a sistemas fixos. A capacidade do sistema de ajustar automaticamente a posição do painel solar em resposta à intensidade luminosa proporcionou uma melhora de aproximadamente 20% na eficiência de captação de energia. Neto et al. (2020), afirma que este ganho é substancial, especialmente em aplicações residenciais e pequenas empresas, onde a otimização do uso da energia solar pode resultar em economias significativas.
Os testes realizados ao longo de diferentes períodos do dia demonstraram que o rastreador solar mantinha o painel alinhado com a posição do sol, maximizando a exposição à luz solar direta. De acordo com Mariano et al. (2023), destaca que essa estratégia é crucial, pois a variação da posição solar ao longo do dia e das estações do ano pode impactar diretamente a quantidade de energia gerada por um sistema solar fixo. O sistema de rastreamento automático assegurou que o painel estivesse sempre em um ângulo ideal, permitindo a captação máxima de luz.
Além disso, a escolha dos sensores LDR como dispositivo de detecção se mostrou eficiente e econômica. Essa característica foi um fator determinante para a melhoria na eficiência energética observada no estudo. Campos, Silva (2020), afirmam que os LDRs são componentes acessíveis que respondem rapidamente às mudanças na intensidade luminosa, permitindo um feedback imediato ao microcontrolador Arduino. Com isso, foi possível realizar ajustes em tempo real, garantindo que o painel se mantivesse na posição mais vantajosa em relação ao sol.
Entretanto, a pesquisa também revelou que a eficiência do sistema pode ser afetada por condições climáticas adversas, como dias nublados ou chuvosos. Durante esses períodos, a intensidade luminosa disponível para os sensores LDR é significativamente reduzida, o que resulta em leituras imprecisas. Como destacado por Araújo (2023), essa situação pode levar o sistema a fazer ajustes desnecessários ou, em alguns casos, a não realizar nenhum ajuste, resultando em uma captação de energia inferior à esperada.
Para contornar esses desafios, uma abordagem sugerida é a implementação de algoritmos de filtragem que poderiam suavizar as leituras dos LDRs e minimizar a influência de flutuações rápidas de luz. Lemos, Ramos (2020), afirma que a adição de sensores complementares, como fotodiodos, poderia melhorar a precisão das leituras em condições de baixa luminosidade, aumentando assim a eficiência energética geral do sistema.
Outra consideração importante na avaliação da eficiência energética do sistema foi a comparação com um painel solar fixo. O protótipo de rastreador solar demonstrou um desempenho superior em termos de captação de energia ao longo do dia, evidenciando a eficácia do rastreamento em ambientes com alta variação de luz solar. A pesquisa alinhou-se com os achados de Braz (2024), que indicam que sistemas de rastreamento dinâmico podem aumentar a eficiência em até 30% em relação a sistemas fixos, dependendo das condições locais.
Ademais, a integração do display de 7 segmentos no protótipo permitiu o monitoramento em tempo real da eficiência do sistema, possibilitando aos usuários visualizarem dados sobre a captação de energia e a posição do painel. Sousa, Abreu, Alves (2022), destaca que essa funcionalidade não só melhora a usabilidade do sistema, mas também fornece informações valiosas para ajustes e otimizações futuras.
O estudo sugeriu a importância de realizar manutenções periódicas nos componentes do sistema, especialmente nos sensores LDR, para garantir que eles continuem operando dentro dos parâmetros desejados e, assim, maximizem a captação de energia. Conforto, Oliveira, Garrido (2023), esclarecem que a manutenção da eficiência energética ao longo do tempo também é um fator crucial para a viabilidade dos sistemas de rastreamento solar.
Precisão e Tempo de Resposta dos Sensores e Atuadores
Neste estudo, foram utilizados quatro sensores LDR dispostos em posições estratégicas para medir a intensidade luminosa em diferentes direções. Essa configuração permitiu que o sistema detectasse rapidamente a direção do sol e ajustasse a posição do painel solar para otimizar a captação de energia. Lewandoski et al. (2022), afirma que a combinação de LDRs com o microcontrolador Arduino proporcionou uma resposta rápida e eficaz às mudanças na iluminação. A precisão e o tempo de resposta dos sensores e atuadores em um sistema de rastreamento solar baseado em Arduino e LDR são fatores cruciais que determinam a eficiência do sistema
Durante os testes, observou-se que a precisão dos sensores LDR foi um fator determinante para o desempenho do sistema. No entanto, pequenas variações na sensibilidade dos sensores influenciaram as leituras, levando a ajustes que, em algumas situações, não foram necessários. Essa questão foi abordada por Araújo (2023), que destacaram a importância da calibração adequada dos LDRs para garantir que todos os sensores respondessem de maneira uniforme às condições de luz. Ajustes no código do Arduino permitiram compensar essas diferenças, resultando em um rastreamento mais equilibrado.
Além disso, a resposta dos atuadores, especificamente dos servomotores utilizados para ajustar a posição do painel, também teve um impacto significativo na precisão do sistema. Os servomotores foram projetados para movimentar o painel em dois eixos, permitindo um rastreamento mais eficaz da trajetória do sol. Embora tenham demonstrado um bom desempenho na maioria das condições, em situações de mudanças rápidas na posição do sol, o tempo de resposta dos atuadores foi um fator limitante. Neto et al. (2020), afirma que esse comportamento indica que, para maximizar a eficiência do sistema, pode ser necessário utilizar servomotores com maior torque e velocidade.
Outro aspecto que influenciou a precisão do sistema foi a implementação do algoritmo de controle no Arduino. O código desenvolvido foi fundamental para processar as leituras dos sensores LDR e traduzir essas informações em comandos para os servomotores. Durante a fase de testes, foi possível observar que um ajuste no algoritmo poderia melhorar ainda mais a precisão do rastreamento, especialmente em momentos de variação rápida na intensidade de luz. Góis (2024), destaca que incorporar um sistema de feedback que considere a história das leituras pode ajudar a suavizar as respostas do sistema e evitar movimentos excessivos.
A resposta em tempo real é essencial para o sucesso de um rastreador solar, uma vez que as condições de iluminação podem mudar rapidamente ao longo do dia. Em condições ideais, o sistema deve ser capaz de realizar ajustes contínuos, minimizando o tempo em que o painel não está otimizado para a captação de energia. Sousa, Abreu, Alves (2022), destaca que a integração de um display de 7 segmentos também contribuiu para o monitoramento em tempo real da posição do painel e da eficiência do sistema, permitindo ajustes rápidos e precisos.
Contudo, foi observado que a precisão do sistema de rastreamento poderia ser afetada por condições climáticas adversas. Em dias nublados ou chuvosos, as leituras dos LDRs se tornaram menos confiáveis, dificultando a detecção da direção do sol. Dusek et al. (2021), esclarece que esse desafio ressalta a necessidade de desenvolver métodos que possam integrar múltiplas fontes de informação, como dados meteorológicos, para melhorar a precisão das leituras em condições de baixa luminosidade.
Os testes também mostraram que, apesar de a resposta dos servomotores ser adequada na maioria das condições, em situações de baixa intensidade de luz, a velocidade de ajuste poderia ser melhorada. Lopes et al. (2022), destaca que essa questão é importante, pois a capacidade do sistema de se adaptar rapidamente às mudanças de iluminação é crucial para manter a eficiência do rastreamento solar. A utilização de servomotores mais rápidos pode ser uma solução viável para este problema.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
O desenvolvimento de um rastreador solar utilizando sistema de Arduino e LDR demonstrou-se uma solução eficiente e viável para maximizar a captação de energia solar. Os resultados obtidos mostraram um aumento significativo na eficiência energética em comparação a sistemas fixos, confirmando a importância do rastreamento dinâmico na otimização da geração de energia renovável. A utilização de sensores LDR em conjunto com o microcontrolador Arduino permitiu uma resposta rápida às variações de luz, contribuindo para um alinhamento preciso do painel solar em relação ao sol.
No entanto, os desafios identificados durante o processo, como a influência de condições climáticas adversas na precisão dos sensores e a necessidade de aprimoramento no tempo de resposta dos atuadores, ressaltam a importância de contínuas investigações e melhorias nas tecnologias utilizadas. A calibração adequada dos sensores e a adoção de algoritmos de controle mais robustos podem ser soluções eficazes para mitigar os problemas observados. Além disso, a exploração de novas abordagens, como a integração de sensores adicionais, pode oferecer ainda mais benefícios em termos de eficiência e confiabilidade.
Portanto, este estudo destaca a relevância de pesquisas na área de energia solar e a necessidade de inovação tecnológica para promover soluções sustentáveis. O rastreador solar desenvolvido não apenas contribui para a geração de energia limpa, mas também serve como um exemplo de como a tecnologia pode ser utilizada para enfrentar os desafios da crise energética. Com a crescente demanda por fontes de energia renovável, a adoção de sistemas de rastreamento solar pode desempenhar um papel crucial na transição para um futuro mais sustentável.
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¹Graduando em Bacharelado em Engenharia Elétrica, pela Universidade Nilton Lins. E-mail: tom.jesus.tj@gmail.com
²Esp. em Engenharia de Segurança do Trabalho, Orientadora do Curso de Engenharia Elétrica, pela Universidade Nilton Lins. E-mail: ma.dp@uol.com.br.