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Trabalho Solar Tracker.pdf

Feb 06, 2018

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  • 7/21/2019 Trabalho Solar Tracker.pdf

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    Sistema de posicionamento de painis

    fotovoltaicos utilizando microcontrolador

    Leandro da Silva Niccio,

    Engenheiro Eletricista pelo Centro Universitrio CESMAC.

    e-mail: leandro_nicaciohotmail.com

    S!rgio Silva de Carvalho,

    Mestre em Ci"ncia da Comp#ta$%o pela U&'E.

    e-mail: ssc()((gmail.com

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    RESUMO

    Este trabalho tem por objetivo propor o estudo e o desenvolvimento de um

    prottipo para sistema de posicionamento de painis fotovoltaicos utilizando

    microcontrolador, de forma a aperfeioar sua eficincia que hoje se encontra em nveis

    impeditivos devido ao seu alto custo o que dificulta sua popularizao e possvel sucesso aos

    combustveis fsseis. O sistema formado por um software embarcado, tambm conhecido

    por embedded system, e por um hardware que controla o posicionamento do painel de acordo

    com informaes coletadas por sensores de luminosidade. Ofirmwareou softwareembarcado

    so algoritmos que permitem ao microcontrolador fazer comparaes sucessivas e assim

    determinar a correta posio do painel solar. Neste trabalho foi utilizado um pequeno circuito

    eletrnico controlando uma estrutura mecnica. Seus movimentos tendem a corrigir

    constantemente sua inclinao em relao aos raios solares ao longo do dia, permitindo

    sempre a incidncia perpendicular destes raios, portando permitindo a maior insolao

    possvel sobre o painel. Para simplificao da parte mecnica o prottipo no possui

    automao para movimentos do sol ao longo das estaes do ano.

    Palavraschave: Sistema de posicionamento. Painis fotovoltaicos. Microcontroladores.

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    INTRODUO

    A procura por novas formas de energia no poluentes e renovveis levou a

    descoberta do efeito fotovoltaico pelo fsico experimental francs Edimund Becquerel em

    1839 e posteriormente ao advento da tecnologia das clulas fotovoltaicas. A tecnologia atual

    possibilita apenas 15%, em mdia e mxima de 30% da converso de ftons em energia

    eltrica (VALLRA, 2006).

    Sendo a maioria das aplicaes em painis fixos, na medida em que os raios

    solares mudam o ngulo de incidncia, com o passar do dia, ou mesmo com a mudana das

    estaes do ano, tm-se uma perda significativa na converso de energia fotovoltaica.

    sabido que a melhor converso de energia se d quando existe uma perpendicularidade dos

    raios solares com a superfcie do painel solar.

    Por tanto, este estudo visa o posicionamento de painis fotovoltaicos de forma

    automatizada utilizando microcontrolador ATmega 328, o que permite uma melhora na

    absoro da energia solar e na eficincia de painis fotovoltaicos.

    DESENVOLVIMENTO DO PROTTIPO

    Neste captulo abordam-se as caractersticas do projeto, citando cada componente

    e para os mais importantes feita uma descrio detalhada do hardware e software.

    1.1CONSIDERAES INICIAIS

    Como este projeto trata de um sistema de posicionamento de um painel

    fotovoltaico, ou seja, do controle automatizado de sua posio, lana-se mo de vrios

    componentes listados a seguir:

    a) 1 Clula fotovoltaica 6V 1W;

    b) 1 Potencimetro de 10 K;

    c) 2 Resistores 10 K;

    d) 2Light Dependent Resistors(LDR);

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    e) 1 Servo motor;

    f)

    1 Microcontrolador Arduino ATmega 328;

    g) Conectores;

    h)

    Material para a estrutura;i) Solda de estanho;

    j) Cola quente;

    k) Pistola para cola quente;

    l) Fios para ligaes;

    m)Parafusos ;

    n)

    Porcas;

    o) Arruelas.

    1.1.1 Clula fotovoltaica

    Para exemplificar o painel fotovoltaico ser utilizada uma placa fotovoltaica de

    baixa potncia da Adafruit Industries que simular a captao da energia solar, e

    posteriormente a captao de dados de desempenho do prottipo.

    Figura 1 Painel Solar de Baixa Potncia.Fonte: ADAFRUIT.

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    Este pequeno painel solar capaz de prover aproximadamente 6V DC, 160 mA

    em insolao direta, Adafruit (2010). Sua especificao tcnica dada na Tabela 1.

    Tabela 1 Especificaes Painel Solar SP 9261

    Dimenses 4.9 x 2.5 x 0.13 interno (125 x 63 x 3.4 mm)

    Potncia nominal 1 W

    Tenso nominal 6,0 V (DC)

    Corrente nominal 160 mA

    Temperatura de operao 0 70C

    Fonte: Dados de ADAFRUIT.

    1.1.2 Potencimetro Linear 10K

    Um potencimetro um dispositivo eletrnico que possui resistncia eltrica

    varivel (ajustvel). Normalmente possui trs terminais onde o pino central deslizante.

    Quando utilizados os trs terminais, atua como um divisor de tenso. No projeto, pelo

    potencimetro sero feitos ajustes para a entrada do conversor Analgico/Digital. A Figura 2mostra o potencimetro usado no prottipo, e seu respectivo smbolo.

    Figura 2 Potencimetro Linear 10K e Simbologia.Fonte: Adaptado de LOJADOSOM.

    1.1.3 Light Dependent Resistor (LDR)

    Os LDRs so componentes eletrnicos capazes de variar sua resistncia eltrica

    em funo da intensidade da radiao eletromagntica visvel (luz), incidente em uma

    superfcie sensvel do mesmo.

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    Figura 3 LDR e Simbologia.Fonte: Adaptado de LOJADOSOM.

    Sua resistncia eltrica aumenta alcanando a faixa de M quando existe pouca

    ou nenhuma luz e diminui algumas centenas de Ohms quando iluminado diretamente. No

    projeto, atuam como sensores de luminosidade a fim de detectar e informar ao

    microcontrolador uma tenso analgica com variaes lineares de resistncia eltrica em

    funo da intensidade luminosa do ambiente. No prottipo sero utilizados dois destes

    componentes.

    1.1.4 Servo motor

    Para o controle de posicionamento do painel solar necessrio um tipo de motor

    cujas caractersticas sejam o controle preciso de posio dinmica e torque constante. So

    essas as principais atribuies do servo motor. Uma definio seria; mquina, mecnica ou

    eletromecnica, que em funo de um sinal de controle responde com um movimentoproporcional. Conhecidos como dispositivos de malha fechada, recebem um sinal de atuao,

    comparando com a posio atual para em seguida, ir para o ponto desejado.

    Ao contrrio do motor que gira indefinidamente quando alimentado, o servo

    motor possui seu movimento restrito cerca de 180 graus, em contrapartida apresenta alta

    preciso no posicionamento. Como outros componentes deste projeto, sua manufatura

    Chinesa de Shandong (Mainland), modelo ser-gls09, e ser como o da Figura .

    Figura 4 Micro servo motor 9G.Fonte: ADAFRUIT.

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    Tabela 2 Especificaes Tcnicas Micro Servo Motor 9G

    Fonte de dados: ADAFRUIT.

    1.2PROTTIPO

    A funo do prottipo fazer com que a placa solar, ou painel fotovoltaico,

    alinhe-se perpendicularmente aos raios solares de forma autnoma, e como visto nos captulos

    anteriores o resultado esperado um ganho de potncia deste painel, objetivo principal do

    projeto. Seguindo esta linha lgica, primeiro, o sistema deve ser capaz de enxergar qual a

    posio real dos raios incidentes, os sensores LDR estaro alocados em um compartimento

    especial todos voltados mesma posio, porm separados por anteparos.

    Figura 5 Vista Superior do compartimento de Sensores.

    Dimenses 23x11x29 mm

    Tenso 3 V a 6 V DC

    Peso 9 g

    Velocidade 0.12 seg./60 (em 4.8V)

    Torque 1.6 kg-cm

    Temperatura de Trabalho -30 C~60 C

    Outras caractersticas Bucha de teflon, motor sem ncleo.

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    Os anteparos causam sombras em alguns dos sensores e em outros no de acordo

    com a posio do painel, da possvel formular algoritmos que interpretem as resistncias

    em cada sensor e forneam indicaes ao microcontrolador de tal maneira que o firmware

    decide qual motor deve ser acionado para correo do posicionamento.

    Figura 6 Vista Isomtrica e Superior do compartimento de Sensores.

    Dois servos motores sero acoplados ao prottipo sendo o primeiro responsvel

    pelo movimento de inclinao e o segundo pelo azimute, podendo ambos serem acionados ao

    mesmo tempo.

    Como o prottipo a ser montado foi projetado para atuar somente no eixo de

    inclinao, para simplificar da parte mecnica, o sensor de alinhamento ter apenas dois LDR,

    posicionados a 90 um do outro e perpendicular ao plano do painel solar. Dois resistores de

    10K atuaram como divisores de tenso a fim de servir como entrada de dados para os

    conversores Analgico/Digital dos pinos quatro (4) e cinco (5) do Arduino.

    Vale considerar que, pelas dimenses reduzidas do painel fotovoltaico sendo este

    um projeto experimental, a potncia gerada pelo painel fotovoltaico em questo no

    suficiente para realimentar o prottipo, compreendido pelo microcontrolador, e servo motores,

    o que significa a exigncia de um circuito externo de fora.

    A Figura 7 ilustra o conceito de movimentao azimutal e de elevao.

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    Figura 7 Azimute e Elevao.

    1.2.1 Circuito externo de fora

    Formado por uma fonte adaptadora AC/DC de 5V com entrada para 110/220V

    AC 50/60 Hz, potncia nominal de 18W, corrente nominal 1000mA mxima, essa fontes so

    facilmente encontradas em lojas de material eletrnico e so de baixo custo, porm funcionam

    de forma estvel.

    1.2.2 Driversde potncia

    Sendo o microcontrolador capaz de fornecer uma corrente mxima de 40 mA em

    seus pinos digitais, e cada servo consumindo mais que 100 mA, fica evidente a exigncia de

    drivers de potncia. Porm a escolha do micro servo 9 g dispensa altas correntes sendo

    possvel a ligao direta no pino Power do Arduino. Para projetos com motores de passo, umaopo de driver o Circuito Integrado (CI) ULN2003 APG fabricado pela Toshiba Malaysia,

    composto por 7 canais de pares Darlington1NPN. Algumas de suas aplicaes incluem rels,

    lmpadas e displays LED.

    Atualmente estes circuitos integrados so produzidos em massa pela indstria

    eletrnica, o que proporciona baixos preos e facilidade de acesso. So encontrados na

    maioria das lojas do segmento. Suas ligaes internas e pinos esto ilustrados na Figura 8.

    .

    (Con*ig#ra$%o em cascata de dois transistores tipo N'N.

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    Figura 8 Pinagem do CI ULN 2003 APG.Fonte: TOSHIBA.

    1.2.3 Estrutura do Prottipo

    O corpo do prottipo ser confeccionado de materiais reutilizveis, a escolha deu-

    se em funo do apelo ecolgico da atualidade e tambm por serem disponveis com

    facilidade e sem custos adicionais. Materiais como bandejas, box (CD, DVD) em plstico

    semi-rgido preto, cola quente, parafusos, porcas, arruelas. As placas em plstico sero

    cortadas e montadas de acordo com as medidas do modelo ilustrado na Figura 9.

    Figura 9 Estrutura do prottipo.

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    1.3DIAGRAMA ELTRICO

    As ligaes eltricas seguiram o diagrama da figura 10 abaixo.

    Figura 10 Ligaes eltricas do prottipo.

    Fonte: AULD.

    1.4CDIGO FONTE

    Este cdigo foi escrito por Auld (2010), autor do artigo Arduino Platform -

    Differential Gap Control Solar Tracker, apresentando apenas pequenas alteraes emalgumas partes para um melhor funcionamento do prottipo.

    As principais alteraes foram: diminuio de cinco mil (5000) para trs mil

    (3000) mili segundos (ms) do tempo de espera para a transio entre a posio mxima e

    mnima do servo motor e a traduo de textos apresentados no monitor serial da IDE Arduino

    atravs do comandoprintln(texto).

    O cdigo apresenta-se dividido em trs partes. Primeiro so as declaraes das

    variveis usando o comando int, depois se configura as aes do prottipo atravs da rotina

    VOID Setup, em seguida se usa a rotina VOID Loop para que o Arduino execute a sequencia

    de cdigo indefinidamente at que se pressione a mini chave resetna placa do Arduino ou o

    desconecte da fonte de alimentao.

    Este cdigo faz uso da biblioteca da IDE Arduino, que possui vrios

    parmetros de controle para servo motores.

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    #include

    //IO Pinsint pinL = 5; //Left Sensor IO Pinint pinR = 4; //Right Sensor IO Pinint pinServo = 11; //Servo PWM pin

    int leftValue = 0; //The left Sensor Valueint rightValue = 0; //The right Sensor Valueint error =0; //The Deviation between the 2 sensorsint errorAVG = 0; //Error Average - Rolling 2 Point

    int deadband = 10; //Range for which to do nothing with output 10 = -10 to +10//Servo StuffServo hServo; //The servo objectint Position = 45; //Position to write out

    int minPos = 5; //Min Positionint maxPos = 150; //Max Position

    float output = (maxPos - minPos) /2; //Initial output Positionvoid setup(){Serial.begin(9600);

    hServo.attach(pinServo);

    //Set Servo to Centre for Alignment PurposeSerial.println("Movendo o servo motor para posicao minima ");hServo.write(minPos);delay(3000);Serial.println("Movendo servo motor para posicao maxima");

    hServo.write(maxPos);delay(3000);Serial.println("Movendo servo motor para posicao media");hServo.write(output);delay(3000);Serial.println("Movendo................");

    }

    void loop(){//Input Reading

    leftValue = analogRead(pinL);rightValue = analogRead(pinR);

    Serial.print("L = "); Serial.print(leftValue); Serial.print(" | ");

    Serial.print("R = "); Serial.print(rightValue); Serial.print(" | ");

    Serial.print("E = "); Serial.print(error); Serial.print(" | ");

    Serial.print("Eavg = "); Serial.print(errorAVG);

    Serial.println();

    //Calculateerror = leftValue - rightValue;errorAVG = (errorAVG + error) / 2;

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    float newOutput = output + getTravel();

    if (newOutput > maxPos){

    Serial.println("At Upper Limit");newOutput = maxPos;

    }else{

    if (newOutput < minPos){

    Serial.println("At Lower Limit");newOutput = minPos;

    }}

    Serial.println("Writing output");

    //Output Writing

    hServo.write(newOutput);output = newOutput;

    }int getTravel(){// -1 = Left; +1 = Right

    if (errorAVG < (deadband * -1)){

    return 1;

    }

    else{if (errorAVG > deadband){

    return -1;}else{//Do not move within deadbandreturn 0;

    }

    }

    }

    Este cdigo fonte permite o controle do movimento de inclinao do prottipo

    com considervel grau de preciso, apesar de apresentar certa instabilidade em alguns

    momentos podendo ser modificado para alcanar o resultado desejado.

    Uma alterao vlida seria a retirada da linha de cdigo que trata do movimento

    inicial de mximo para direita e esquerda na etapa void setup, sendo este um movimento no

    desejvel, pois consumiria energia do sistema.

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    Outro aprimoramento proposto no cdigo seria um algoritmo que ao identificar

    um baixo nvel de iluminamento indicando o anoitecer, retomasse a posio mxima de

    inclinao voltando o painel direo do sol nascente.

    Para otimizar ainda mais o sistema, o cdigo fonte poderia tambm conter

    instrues de desligamento durante a noite, voltando a funcionar ao amanhecer visto que o

    cdigo atual continua analisando o ambiente mesmo em completa ausncia de luz.

    1.5TESTES E RESULTADOS

    O teste de eficincia do prottipo seguiu duas etapas sendo realizado da seguinte

    maneira: primeiro sero coletados dados sobre a tenso gerada pela placa fotovoltaica com o

    sistema de posicionamento automtico desligado. Depois ser repetido o mesmo processocom o sistema ligado para posterior validao dos resultados.

    Para a simulao da trajetria solar ao longo do dia foi utilizada uma pequena

    estrutura mvel com uma lmpada de 40 W que se deslocava horizontalmente apontando seu

    feixe de luz para baixo. Uma trena com quatro metros ou quatrocentos centmetros foi

    colocada em uma superfcie plana e serviu para medir as distncias entre a lmpada e o

    sistema.

    O teste realizado consistiu na passagem da lmpada em linha reta por cima da

    placa FV. Considerado o sistema desligado e que o painel manteve-se paralelo ao plano

    horizontal e localizava-se no ponto zero ou a 200 centmetros em relao ponta da trena.

    A estrutura da lmpada primeiramente foi deixada no ponto -200 cm que

    representa a primeira hora do dia com a presena da luz, em seguida foi deslocada 10

    centmetros em direo ao ponto zero que representa a hora do dia com maior insolao

    perfazendo um total de oitenta e duas medies at percorrer o deslocamento total da trena.

    A cada 10 cm de deslocamento da lmpada, registrou-se uma leitura da tenso

    atravs de um multmetro digital, o que resultou em dados da tenso eltrica em funo da

    distncia da lmpada ao prottipo. Com os dados em mos, fez-se uso do software Microsoft

    Office Excelpara a construo dos grficos que proporcionam um melhor entendimento.

    Uma rpida anlise do grfico da Figura 11 e 12, Tenso x Deslocamento que faz

    um comparativo entre a energia captada com o sistema desligado e ligado, demonstra um

    aumento mdio da tenso gerada em 14%, o que significa mais potncia que o painel poderfornecer carga, se ligado diretamente ou conectado a um controlador de carga.

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    Figura 11 Grfico da tenso gerada com o sistema desligado.

    Figura 12 Grfico da tenso gerada com o sistema ligado.

    +

    +,)

    (

    (,)

    ,)

    ,)

    .

    -++ -++ -(++ + (++ ++ ++

    Tenso

    Eltric

    a

    (V)

    Deslocamento (cm)

    Sistema /ESL01A/2

    Linear 3Sistema

    /ESL01A/24

    +

    +,)

    (

    (,)

    ,)

    ,)

    .

    -++ -++ -(++ + (++ ++ ++

    Tenso

    Eltrica(V)

    Deslocamento (cm)

    Sistema L01A/2

    Linear 3Sistema

    L01A/24

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    Figura 13 Grfico de disperso (Tenso x Deslocamento).

    Na Figura 13 acima apresenta-se uma sobreposio dos grficos da tenso gerada.

    A diferena entre as duas curvas mostra que realmente o painel seguiu a lmpada, quando a

    lmpada estava na distncia mxima correspondendo a dois metros, houve um considervel

    aumento da tenso da ordem de 0,6V. Essa diferena vai diminuindo gradativamente no

    decorrer do teste at que as duas tenses se igualam no ponto zero, isto ocorreu porque na

    primeira fase do teste com o sistema desligado o painel foi posicionado paralelamente com a

    linha horizontal correspondente ao perodo de maior iluminao. O pico mximo de tenso

    registrado foi 3,57V, em ambas as situaes, o que realmente deveria ocorrer tendo em vista o

    mesmo ngulo de incidncia da luz. Atravs das tendncias lineares dos grficos possvel

    calcular uma rea efetiva de tenso gerada multiplicando (Deslocamento x Tenso Eltrica)

    +

    +,)

    (

    (,)

    ,)

    ,)

    .

    -++ -++ -(++ + (++ ++ ++

    Tenso

    (V)

    Deslocamento (cm)

    Sistema /ESL01A/2

    Sistema L01A/2

    Linear 3Sistema

    /ESL01A/24

    Linear 3Sistema L01A/24

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    Tabela 2 rea efetiva da tenso gerada.

    Estado do Prottipo rea = Base x Altura rea

    Desligado 4m x 2,9V 11,6 ua

    Ligado 4m x 2,5V 10 ua

    Conclui-se ento pela Tabela 2 que o sistema ligado proporcionou um ganho de16% na captao de energia solar.

    CONCLUSO

    O prottipo funcionou satisfatoriamente validando o estudo e as idias propostas

    neste trabalho, apresentou um ganho na captao da energia solar de 16% em relao ao

    sistema de posicionamento esttico (convencional) de painis. Estima-se que possa alcanar

    nveis de ganho na faixa de 20% se considerado todo nvel de tenso no registrado pela curva

    comparativa do teste de validao. Para fins demonstrativos de eficincia no se levou em

    considerao o consumo eltrico pelo prottipo, tendo em vista que em sistemas com maiores

    propores esta margem de ganho tende a se manter estvel.

    A tecnologia existente hoje para painis solares fotovoltaicos ainda encontra-se

    em desenvolvimento, sua baixa eficincia abre caminho para que sistemas automatizados

    como este tratado aqui, possam incrementar eficincia ao processo de converso direta da

    energia solar em eltrica a fim de expandir os horizontes desta tecnologia e num futuro

    prximo diminuir a nveis tolerveis ou at eliminar a dependncia dos combustveis fsseis

    que trazem efeitos nocivos ao planeta terra.

    REFERNCIAS

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