electronica e telecomunicacoes nauticas

1. Pedro Amone Júnior
Dimensionamento de sistema fotovoltáico para sinalização marítima instalado nas bóias
Mestrado
Engenharia e Gestão de Energias Renováveis
Sistemas Fotovoltáicos
Maputo, Abril/2018
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2. Pedro Amone Júnior
Dimensionamento de sistema fotovoltáico para sinalização marítima instalado nas bóias
Mestrado
Engenharia e Gestão de Energias Renováveis
Sistemas Fotovoltáicos
Professor:
Prof. doutor Urânio Stefan Mahanjane
Maputo, Setembro de 2018
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Trabalho de investigação de carácter avaliativo,
orientado ao Módulo de Sistemas Fotovoltáicos
no curso de Mestrado em Engenharia e Gestão de
Energias Renováveis, leccionado na
Universidade Técnica De Moçambique

3. Índice
Índice...........................................................................................................................................................3
i. Lista de abreviaturas.................................................................................................................................4
1.Introdução................................................................................................................................................5
1.1Objectivo geral....................................................................................................................................6
1.2Objectivos específicos.........................................................................................................................6
2. Revisão Teórica........................................................................................................................................7
2.1 Painel solar........................................................................................................................................7
2.1.1 Painéis Solares Fotovoltaicos......................................................................................................7
2.1.2 Principais Aplicações...................................................................................................................7
2.2 Controlador de carga solar.................................................................................................................8
2.3 Bateria solar.......................................................................................................................................9
2.3.1Bateria.........................................................................................................................................9
2.4 Lanterna de sinalização marítima......................................................................................................9
2.4.1 Características:..........................................................................................................................10
3. Estado de Arte.......................................................................................................................................11
3.1 Dimensionamento do Contargarolador de C...................................................................................11
3.2 Dimensionamento do Banco de Baterias.........................................................................................12
4. Desenho do projecto.............................................................................................................................14
4.1 Material necessário.........................................................................................................................14
4.2 Cálculo para o Dimensionamento e Autonomia do Sistema ...........................................................14
4.2.1 Caso de estudo..........................................................................................................................15
4.3 Diagrama da instalação do sistema..................................................................................................16
4.4 Orçamento.......................................................................................................................................16
5 Conclusão...............................................................................................................................................17
6. Recomendações ....................................................................................................................................18
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4. 7. Referências bibliográficas......................................................................................................................19
i. Lista de abreviaturas
A: Ampere
CC: Curto-circuito
DC: Corrente contínua
I: Corrente
P: Potência
Vdc: Tensão em corrente contínua
V: Volte
W: Watt
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5. 1.Introdução
O presente projecto tem como tema Dimensionamento de um sistema fotovoltáico de sinalização
marítima instalado nas bóias.
Moçambique é um país do continente Africano, situado na zona sul do mesmo, a sua costa é
banhada pelo oceano índico ocupando uma vasta área do território. A navegação marítima
encontra-se numa fase em que se nota um desenvolvimento, devido a um número considerável
de navios que usam o mar para transportar artigos comercias deste alimentares até máquinas
industriais e automóveis.
O porto de Maputo é um dos principais destinos das mercadorias que abastecem a região sul do
país sul do país, o porto da beira constitui o maior destino para mercadorias que abastecem a
região centro, assim como os países vizinhos como Zimbabwe e outros que dependem deste
porto, para importar ou exportar mercadorias de grande porte
Para que os navios e embarcações de pescas possam ter acesso ao porto, evitando problemas
como entalações nos bancos de areia que se encontram na zona costeira e poderem navegar pelo
canal de maneira eficiente, é necessário que o canal esteja devidamente sinalizado.
A dificuldade de instalar cabos submarinos ao longo da costa para alimentar os sistemas de
sinalização instalados nas bóias, assim como a possibilidade de ocorrência de curtos circuitos,
enrolamento dos cabos, perturbação da área de navegação e manutenção, o sol é uma das fontes
da geração de energia eléctrica viável para sinalização marítima
A instalação de um sistema fotovolitáico é visto como ideal por este solucionar os problemas
acima descritos, para além disto, este tem vantagens incompetitivas por ser amigo do ambiente,
assim como reduz de necessidade de manutenção.
O presente trabalho é de carácter académico, orientado ao Modulo de Sistemas Fotovoltáicos no
curso de Mestrado em Engenharia e Gestão de Energias Renováveis, leccionado na Universidade
Técnica De Moçambique.
Ao logo do trabalho estão descritos assuntos inerentes a painéis solares, controladores de carga,
baterias solares, lanternas náuticas. Para o melhoramento do trabalho, o autor agradece criticas e
observacoes, estas que podem ser enviadas ao endereço electrónico amone.junior1@gmail.com.
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6. 1.1Objectivo geral
Dimensionar um sistema fotovoltáico de sinalização marítima com autonomia de 05 dias para as
bóias.
1.2Objectivos específicos
 Identificar e seleccionar o material necessário;
 Calcular e encontrar resultados que definam a autonomia de 05 dias para o sistema;
 Calcular e obter o orçamento viável.
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7. 2. Revisão Teórica
2.1 Painel solar
Painel Solar ou Placa solar é um dispositivo criado para converter a radiação solar em energia.
Por se valer exclusivamente do Sol, a fonte de energia mais abundante do planeta, trata-se do
método mais limpo conhecido de geração de energia. Estima-se que com apenas 4 metros
quadrados de painéis solares instalados, possa-se reduzir em até meia tonelada as emissões de
Gás Carbônico de um edifício. Painéis Solares pode ser divididos painéis solares fotovoltaicos e
painéis térmicos. Em http://painelsolares.com/xmlrpc.php" acessado 30/08/2018 as 18h:03 Min.
2.1.1 Painéis Solares Fotovoltaicos
São associações de células fotovoltaicas que convertem a luz solar em energia elétrica. As
células fotovoltaicas são feitas em geral de silício ou arseniato de gálio, e apresentam coloração
escura, para que haja maior captação de energia luminosa. As células solares de silício produzem
menos energia, se comparadas às de gálio, porém seu custo é proporcionalmente menor. Em
http://painelsolares.com/xmlrpc.php" acessado 30/08/2018 as 18h:09 Min.
Observar a figura n°1 que segue.
Fig n°1 Painel solar Monocristalino
Fonte: http://painelsolares.com/xmlrpc.php" acessado 30/08/2018 as 18h:09 Min.
2.1.2 Principais Aplicações
As suas principais aplicações encontram-se no domínio das necessidades de energia eléctrica de
baixa e média potência (até algumas dezenas de quilowatts), tais como:
• Electrificação rural, onde não existe rede de distribuição eléctrica;
• Bombagem de água para irrigação;
• Sinalização (bóias marítimas, faróis, aeroportos, passagens de nível, torres de vigia
florestais, etc.);
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8. • Alimentação de sistemas de telecomunicação (TV, rádio, telefone);
• Alimentação de parquímetros
• Micropotência eléctrica (relógios, máquinas de calcular, rádios portáteis, lanternas, etc.);
• Aplicações nocturnas, ligadas à iluminação: a energia eléctrica produzida durante o dia
permite alimentar baterias que, por sua vez, alimentam as lâmpadas, durante a noite.
2.2 Controlador de carga solar
O controlador/regulador de carga é um dos principais componentes de um sistema solar
fotovoltaico, sendo o responsável pela duração da vida útil dos bancos de baterias, que como
todos sabemos são dos componentes mais dispendiosos nestes sistemas solares. Em
https://www.portal-energia.com/wp " acessado 30/08/2018 as 18h:18 Min.
A função do regulador de carga, é a de proteger as baterias de serem sobrecarregadas, ou
descarregadas profundamente, e assim garantir, que toda a energia produzida pelos painéis
fotovoltaicos, é armazenada com maior eficácia nas baterias. Em https://www.portal-
energia.com/wp " acessado 30/08/2018 as 18h:21 Min.
Os controladores de carga possuem uma série de dispositivos que informam permanentemente
sobre o estado de carga do sistema e alertam o utilizador para que este possa adaptar a instalação
às suas necessidades particulares, aumentando assim o tempo de vida útil das baterias.
Os reguladores de carga deve ser seleccionadas tendo em atenção as características do sistema
fotovoltaico utilizado e as características de tensão e corrente envolvidas no sistema solar
fotovoltaico. Observar a figura n°2 s que segue.
Fig. N°2: controlador/regulador de carga
Fonte: https://www.portal-energia.com/wp " acessado 30/08/2018 as 18h:18 Min.
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9. 2.3 Bateria solar
2.3.1Bateria
As baterias apresentam uma importância fundamental de infra-estrutura nos sistemas de energia
de telecomunicações. As baterias são constituídas de placas positivas e negativas, mergulhadas
numa solução aquosa chamada electrólito (baterias ventiladas) ou mergulhadas em um gel
pastoso (baterias seladas). Em http://www.teleco.com.br, acessado no dia 30/08/2018 as 22h: 07
min.
As baterias são responsáveis pela garantia do fornecimento de energia ininterrupta para a carga.
Em uma falha no fornecimento de energia pelo sistema de rectificadores, seja por defeito ou falta
de energia distribuída pela concessionária, as baterias garantem o fornecimento de corrente
contínua, além de melhoria do "ripple" dos rectificadores no sistema.
É considerado um banco de bateria, um conjunto constituído de diversos elementos de bateria
ligados em série. De acordo com o número de elementos ligados em série, é determinada a
tensão do banco: +24V, -48V, etc. Observar a figura n°3 que se segue.
Fig. N°3: Bateria solar
Fonte: http://www.teleco.com.br, acessado no dia 30/08/2018 as 22h: 07min.
2.4 Lanterna de sinalização marítima
A lanterna de sinalização marítima é um aparelho electrónico que tem a finalidade orientar
embarcações sinalizando o canal para acesso a terra (porto), é composta essencialmente por uma
lâmpada e uma fonte de alimentação. Em http://www.sunlab.com.br/Maritima_sinalizacao_1.htm
no dia 30/08/2018 as 22h:45min.
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10. O sinalizador náutico SMH tem como característica sua visualização lateral. Permite sua
instalação no mangrulho da boia luminosa, utilizando para sua alimentação o painel solar.
Construído para suportar o ambiente marítimo, é totalmente selado. Possui base em alumínio,
com fixação para tubo por rosca 3/4" NPT e lente facetada de baixo-relevo em PPMA, resistente
a choques e UV. Emissores de luz a LED com vida útil de 100.000 horas.
O circuito electrónico possui programação para atender aos tipos abaixo de sinais da NORMAM
17 e 27, já programados de fábrica. São seleccionáveis por switch magnético incorporado ao
produto. Cores de luzes para sinalização em amarelo, verde, azul, encarnada, branca ou
combinações destas. Sua alimentação pode ser feita através de bateria, conversor eléctrico AC-
DC, painel solar, etc. É um equipamento muito económico de fácil instalação, alta eficiência,
versátil e de baixo custo. Observar a figura n°4 que segue.
Fig. N°4: lanterna SMH no topo do mastro.
Fonte: Em http://www.sunlab.com.br/Maritima_sinalizacao_1.htm no dia 30/08/2018 as 22h:45min.
2.4.1 Características:
• Liga e desliga automaticamente;
• Alimentação externa com entrada em 12 ou 24 Volts DC, o que permite o uso com
sistema solar ou bateria.
• Construção selada e alta resistência para ambiente marítimo e atmosferas agressivas.
• Baixíssimo consumo;
• Permite a troca e manutenção. Não necessita ser descartado.
• Circuito e emissores de luz - LED: totalmente eletrônico.
• Leve e compacto.
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11. 3. Estado de Arte
3.1 Dimensionamento do Contargarolador de C
O controlador de carga é definido pela tensão de trabalho do sistema e pela maior corrente
exigida. A capacidade do controlador deve superar a corrente dos painéis ou as de consumo,
naquele em que for maior o valor. Em https://www.portal-energia.com/wp " acessado
30/08/2018 as 21h:02 Min
Fig. n°5: estrutura de um sistema fotovoltaico (controlador de carga)
Fonte: https://www.portal-energia.com/wp " acessado 30/08/2018 as 18h:21 Min
Devem ser calculadas ambas as correntes (corrente dos painéis solares e a corrente a ser
consumida) sendo seleccionada a corrente mais elevada. O valor total de corrente é o consumo
dividido pela tensão de trabalho do equipamento.
Verifique a corrente máxima exigida pelos equipamentos que serão ligados ao sistema solar. Para
os painéis solares, deve basear-se na corrente discriminada na tabela de características do
produto. A corrente do sistema será a soma das correntes máximas geradas pelo(s) painel(is)
solar(es). Obtenha o total, levando em consideração a associação dos painéis conectados.
Defina o controlador pelo maior valor encontrado (painel ou consumo).
Exemplo:
Para um consumo diário de 570 Watt/hora, sendo a produção de 600 Wh:
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12. Divide-se este valor pela tensão do sistema, obtendo-se a corrente que será necessária para
escolher o controlador. Exemplo para um sistema a funcionar em 12 Vcc
600 W / 12 V = 50 Amperes
Caso a corrente total supere a capacidade de um controlador, divida sua instalação em duas ou
mais linhas (barramentos) de energia, executando o mesmo princípio de balanceamento de carga
de uma instalação eléctrica convencional. Se a instalação for em 12V será necessário a divisão da
carga em dois controladores de 30A + 30A = 60A que será maior que os 50A.
3.2 Dimensionamento do Banco de Baterias
Segundo (Eng. FARIA, 2015), Para que a bóia seja sustentável é necessário armazenar a energia
produzida pelo painel solar. Um banco de baterias é a solução, uma vez que armazena a energia
para que possa ser utilizada pelo equipamento eléctrico acoplado à plataforma.
O dimensionamento de um banco de baterias é feito através da Expressão
Onde:
• CBat – Capacidade mínima da(s) bateria(s) [Ah];
• E – Energia necessária por dia [Wh];
• nda – número de dias de autonomia do sistema (tipicamente 3 a 5 dias);
• V – Tensão do sistema [V];
• DODmax – valor máximo da profundidade de descarga (0.3 a 0.9);
• hinv – Rendimento do inversor (se não existir = 1);
• hcabos – Rendimento dos cabos que ligam as cargas à bateria.
Fig. N°6: Diagrama carga
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13. Fonte: Eng. Faria: dimensionamento de uma bóia marítima, 2015
Com este diagrama é possível determinar a energia necessária para alimentar o sistema, que
neste caso é de 392 Wh, com uma potência média de 16,33 W. De notar que este diagrama é
relativo ao dia com menos horas de sol do ano, o que faz com que a lâmpada esteja ligada mais
tempo.
Recorrendo à Expressão anterior, a capacidade e as características do banco de baterias são
mostradas na Tabela 1:
Fonte: Eng. Faria: dimensionamento de uma bóia marítima, 2015
De acordo com os fabricantes de baterias para que uma bateria atinja uma descarga próxima do
limite seguro para uma vida útil dentro do especificado poderemos descarregar somente 30 a 90
% da capacidade nominal dessa bateria.
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14. 4. Desenho do projecto
4.1 Material necessário
• Um (1) painel solar monocristalino:
 Potencia: 250 w
 Tensão: 18 Vdc
 Corrente: 8 A
• Um (1) Controlador de carga
 Tesão:12 Vdc
 Corrente CC: 8 A
• Uma (1) bateria de iões de lítio
 Tensão 12 Vdc
 Capacidade: 100Ah
• Uma (1) lanterna SMH
 Tensao:12 Voltes
 Potencia: 8W
4.2 Cálculo para o Dimensionamento e Autonomia do Sistema
Para se calcular potência, autonomia e determinação da capacidade das baterias para sistemas de
sinalização marítima instalado nas bóias, devemos levar em consideração os seguintes
parâmetros:
1ª ETAPA
1º Determinar quais equipamentos estarão sob o back up (baterias) de energia.
2º Determinar a somatória da potência envolvida desses equipamentos
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15. 3º Estimar o tempo em horas que o sistema ficará operando sob o back up (baterias) de energia
2ª ETAPA
Escolha da estrutura de conversão de baterias a ser utilizado
Determinação do tipo de baterias
4.2.1 Caso de estudo
Para a sinalização marítima do canal utilizando um sistema instalado na bóia é necessário
observar:
Por dia precisamos de 17 horas de sinalização. Recordando que trata-se das horas em que a
lanterna permanecerá acesa (períodos sem insolação).
Portanto neste projecto foi dimensionado uma autonomia de 05 dias.
A carga usada
No caso de estudo esta seleccionada a lanterna SMH de 12 Vdc e 8W
4.2.1.1 Cálculo
A potência da carga do sistema é de 8W. Para uma autonomia estimada de 05 dias teremos:
8W/12 Vdc = 0,667 =0,7 A.
8W x 17h = 136Wh (watts em 17 horas) por dia. Ao fim de 5 dias termos um consumo de: 136
Wh x 5 dias = 680W.
Essa será a energia necessária que será consumida para a autonomia pretendida.
Pela formula da lei de ohm temos:
P= VxI
Então I = P/V logo I = 680w/12 = 56,667 Ah ≈ 57 Ah (amperes hora)
4.2.1.2 Escolha da capacidade do banco de baterias
No presente caso de estudo, foi dimensionado uma descarga máxima de 60% da capacidade das
baterias, para assegurar que as baterias tenham uma longa vida útil.
Dados Usados
E= 136Wh (energia necessária por dia)
nda = 5 (número de dias de autonomia)
V=12 VDC (tensão da bateria)
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16. DODmax = 60% (descarga máxima da capacidade da bateria)
inv = 1 (rendimento do inversor) porque não usamos no sistemaȠ
cabos = 97% (rendimento dos cabos usados no sistema)Ƞ
Usando a formula:
CBat =
Com uma bateria de 100Ah o sistema pode funcionar durante 05 dias sem receber uma carga
proveniente do painel solar, com isto pretende-se afirmar que o sistema tem a capacidade de
suportar 05 dias de funcionamento sem insolação.
4.3 Diagrama da instalação do sistema
Figura n°7: Diagrama da instalação do sistema
Fonte: adaptado pelo autor
4.4 Orçamento
Tabela N°2 : Tabela De Orçamento Material e Mão-de-obra
Material Quantidade Preço (Mt)
Painel solar 01 11 437,00
Controlador de carga 01 12 000,00
Bateria 01 24 750,00
Lanterna SMH 01 13 375,00
Cabos AWG 2mm 12 Metros (25/metro) 300,00
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17. Subtotal total 61 862,00
Mão-de-obra 30% Do Subtotal 18 558.60
Total 80 420.60
Fonte: Adaptado pelo autor
5 Conclusão
Conclui-se que com os resultados obtidos foi possível dimensionar o sistema de sinalização
marítima na bóia que funcione com uma autonomia de 05 dias.
A selecção do material necessário foi concluída com sucesso, pois foi possível dimensionar o
sistema usando os mesmos materiais, não tendo se observado insuficiência de material e nem
excessos consideráveis.
O orçamento para execução do projecto está na ordem de 80 420.60 Mt.
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18. 6. Recomendações
De acordo com os fabricantes de baterias para que uma bateria atinja uma descarga próxima do
limite seguro para uma vida útil dentro do especificado poderemos descarregar somente 30% a
90% da capacidade nominal dessa bateria.
Ao associar baterias sempre às faça com unidades do mesmo modelo/fabricante e da mesma
capacidade em Ah.
Fazer a equalização das baterias. As baterias quando saem de fábrica possuem uma determinada
tensão e energia armazenada, entretanto essa tensão não é igual para todas as baterias. Numa
associação em série de baterias se eventualmente forem interligadas baterias com tensões
diferentes entre si, essa variação permanecerá para sempre, pois mesmo o carregador não poderá
corrigi-las, fazendo com que uma se carregue mais e outra menos, e isso com o tempo leva à
diminuição da vida útil das baterias.
Uma forma de equalizarmos a energia armazenada entre 3 baterias é ligá-las em paralelo através
de um cabo eléctrico de 2,5 mm. Deixe-as nessa condição por um período mínimo de 3 horas,
para que elas possam trocar energia entre si e atingirem o mesmo potencial eléctrico.
Baterias exalam gases portanto instale-as em locais ventilados.
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19. 7. Referências bibliográficas
Eng. FARIA Miguel, Dimensionamento de uma bóia marítima, instituto politécnico de Bragança
2015.
http://painelsolares.com/xmlrpc.php/paineis solares monocristalinos e suas características
acessado 30/08/2018.
http://www.sunlab.com.br/Maritima_sinalizacao_1.htm no dia 30/08/2018
https://www.portal-energia.com/wp " acessado 30/08/2018 as 18h:21 Min.
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