SARAH NUNES BATISTA MARQUES SISTEMA AUTOMATIZADO DE LIMPEZA DE PLACA SOLAR LAVRAS – MG 2024 SARAH NUNES BATISTA MARQUES SISTEMA AUTOMATIZADO DE LIMPEZA DE PLACA SOLAR Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento de Automática da Universidade Federal de Lavras, como parte das exigências do Curso de Engenharia de Controle e Automação, para a obtenção do título de Bacharel. D.Sc Fábio Domingues de Jesus Orientador D.Sc João Carlos Giacomin Coorientador LAVRAS – MG 2024 SARAH NUNES BATISTA MARQUES SISTEMA AUTAMATIZADO DE LIMPEZA DE PLACA SOLAR AUTOMATED SOLAR PLATE CLEANING SYSTEM. Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento de Automática da Universidade Federal de Lavras, como parte das exigências do Curso de Engenharia de Controle e Automação, para a obtenção do título de Bacharel. APROVADO em 25 de outubro de 2024 D.Sc Vinícius Miranda Pacheco - UFLA Eng. Igor Pontes – Formando UFLA 2024 Prof.D.Sc. Fábio Domingues de Jesus Orientador Prof.D.Sc João Carlos Giacomin Coorientador LAVRAS – MG 2024 Dedico à toda a comunidade acadêmica e à sociedade por custear a minha formação em uma Universidade pública. AGRADECIMENTOS Agradeço com todo amor e carinho todas as pessoas que fizeram parte da minha graduação, e tornaram esse momento possível. Em primeiro lugar gostaria de agradecer a meus pais, Maria Cristina Nunes Batista e Carlos Alberto Marques, que são o meu alicerce e me apoiaram do início ao fim para que eu chegasse aqui. A confiança, dedicação, conselhos, encorajamento e críticas foram essenciais para minha formação. Como sempre meu pai disse: “Sucesso vem antes de trabalho apenas no dicionário”. Gostaria também de dedicar esse momento as minhas tias Bernardete e Walkyria, aos meus primos Lucas, Raissa, Fábio, Liziane e Melissa, que foram peças fundamentais em todo processo e estiveram comigo nos momentos bons e ruins. A entrega que vocês tiveram comigo foram essenciais para eu conseguir seguir firme e concluir a graduação. Aos meus primos mais novos Bethina, Bento, Benício e Paulo, crianças amadas que fizeram minha alegria quando eu mais precisava, sem terem a noção do quão importantes são na minha vida e nessa jornada. Agradecimento também a Regina que foi uma grande amiga em todos esses anos de faculdade. Muito Obrigada Re! A minha companheira de casa e vida, Amanda Carolina Silva, sem você também jamais teria chegado até aqui. Muito obrigada pelo amor e dedicação que você teve comigo até hoje, sem você não estaria vivendo esse momento. Muito obrigada vida. Um agradecimento especial as minhas amigas do Paraná, Júlia e Ana Beatriz que me conhecem há 13 anos e estiveram presentes nessa jornada. Com toda distância física vocês me apoiaram e acreditaram em mim independente de qualquer coisa. Aos meus amigos Caroline Maltoni, Giovanna Simioni e Bruno Luís Delphino, que acompanharam todos os desafios que tive desde o cursinho até o momento atual, vocês foram fundamentais, “Do cursinho pra vida”, meu quarteto favorito. Os meus amigos de Lavras, que foram muito importantes e que dividiram comigo essa graduação, com toda certeza vocês fizeram com que a faculdade fosse mais leve. Então o agradecimento ao Geovane, Igor, Renato, Mateus, Júlia Sousa, Larissa, Victória e Artur, que são meus amigos além do curso. Gostaria de agradecer também meus amigos de curso Tamara, Grazy, Beatriz, Nayani, Júlia Stacy, Igor Pontes. Vocês foram muito importantes nessa graduação, ninguém mais que vocês para entender o que é fazer engenharia de controle e automação, vocês tornaram tudo mais leve e me ajudaram muito. Agradeço ao meu orientador Fábio Domingues e ao meu coorientador João Carlos Giacomin, pela confiança e por toda ajuda prestada para que eu conseguisse entregar esse trabalho. Agradecimento para alguns professores do corpo docente que me ajudaram tecnicamente nesse trabalho também, Dimitri e Silvia. Agradecer a Robótica Júnior e ao NEPAR e aos membros, que foram entidades de extensão que foram fundamentais na minha formação. Por fim, a todos que de alguma forma contribuíram para a realização deste trabalho, meu mais sincero agradecimento. Obrigada a todos! RESUMO Neste trabalho, foi abordado um sistema automático de limpeza de placa fotovoltaica solar, com o foco em manter a eficiência de captação de luz solar pela placa. O acúmulo de sujeira na superfície das placas solares reduz significativamente sua eficiência energética, resultando em perdas na captação de energia e, consequentemente, perdas econômicas. O sistema proposto visa solucionar essa perda de eficiência das placas solares. O protótipo utiliza um sistema de limpeza composto por uma bomba de irrigação com aspersores, conectados a um trilho de deslize horizontal acionado por um motor de passo NEMA17. Esse tipo de atuador é denominado Linear Mini V, utilizado em impressoras 3D Reprap. Além disso, o sistema está fixado em uma estrutura de alumínio, inclinada em aproximadamente 27°, com um vidro para simular a placa solar em telhados. O controle do sistema foi implementado com um controlador ESP32 WROOM 32, que aciona a bomba e a válvula solenoide por meio de módulos relés. O controle do trilho foi feito utilizando um driver TB6600 e duas chaves de fim de curso CNC, uma em cada extremidade do trilho, para garantir um controle mais preciso do movimento do módulo. O sistema de limpeza utilizando os aspersores demonstrou eficiência, pois a pressão da água ao atingir o vidro remove toda a sujeira presente na superfície. O curso do trilho atendeu às necessidades propostas, com o sistema podendo ser acionado tanto de forma manual quanto automática. Os modos de operação são controlados via aplicativo. No modo automático, o sistema é ativado por um botão e funciona por tempo determinado. No modo manual, há três botões: o primeiro seleciona o modo manual, e o segundo e terceiro ligam e/ou desligam o sistema. Neste modo, o sistema permanece ligado até que o botão de desligar seja acionado. Desse modo o sistema de limpeza pode ser comandado a distância, evitando o deslocamento de pessoas para fazer o serviço. Com isso, evita a ocorrência de acidentes, visto que instalação de coletores de energia solar é normalmente é realizada em áreas de difícil acesso. “Intervalos de limpeza frequentes são recomendados para painéis solares em regiões áridas para evitar a degradação do desempenho, e o uso de sistemas automatizados pode reduzir os custos operacionais associados à limpeza manual.” (Gerland, Gnann, Plötz, 2019) Com isso, a proposta do trabalho é otimizar a captação solar das células fotovoltaicas por meio de uma limpeza mais eficiente, sem danificar as placas. O sistema demonstrou ser viável na redução de custos operacionais e no aumento da produção de energia. Além disso, o projeto considera aspectos de sustentabilidade, minimizando o uso de água e energia elétrica no processo de limpeza. Palavras-chave: Células fotovoltaicas; Automação limpeza de placas fotovoltaicas; Integração do sistema de limpeza; placa solar. SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO..............................................................................................9 2 REFERENCIAL TEÓRICO...........................................................................10 2.1 História das placas fotovoltaicas.....................................................................10 2.2 Inovação e Evolução tecnológica em placas Fotovoltaicas............................11 2.3 Fotovoltaicas no Futuro..................................................................................13 2.4 Limpeza de Placas Fotovoltaicas....................................................................21 3 MATERIAIS E MÉTODOS...........................................................................14 3.1 Materiais.........................................................................................................14 3.1.1 Equipamento Mecânico..................................................................................15 3.1.2 ESP32 WROOM-32.......................................................................................16 3.1.3 Driver para Motor de Passo TB6600..............................................................18 3.1.4 Micro Diaphragm pump (bomba de irrigação) e Aspersores.........................21 3.1.5 Válvula Solenoide…………………………………………..........................23 3.1.6 Chave de Fim de Curso para Impressora 3D RepRap e CNC........................24 3.1.7 Módulo Relé 5V Metaltex..............................................................................25 3.1.8 Estrutura de Alumínio....................................................................................26 3.1.9 Fontes de alimentação....................................................................................29 3.1.10 Plataforma Arduino IDE................................................................................30 3.1.11 Blynk..............................................................................................................30 3.1.11 Custo dos componentes..................................................................................31 3.2 Métodos..........................................................................................................32 3.2.1 Análise dos requisitos para o funcionamento do protótipo............................32 3.2.2 Configuração da Válvula Solenoide com o Módulo Relé, Fonte de Alimentação e ESP 32.........................................................................................................34 3.2.3 Configuração da Bomba com Módulo Relé, Fonte de Alimentação e ESP 32....................................................................................................................34 3.2.4 Configuração do Driver TB660 e o Motor de Passo com Fonte de Alimentação e ESP 32.........................................................................................................35 3.2.5 Integração de todo o sistema com a conexão via WiFi aplicativo Blynk para acionamento...................................................................................................35 3.2.6 Explicação do código.....................................................................................36 4 RESULTADOS..............................................................................................43 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS.........................................................................46 5.1 Conclusão.......................................................................................................46 5.2 Recomendações para Trabalhos Futuros........................................................46 6 REFERÊNCIAS.............................................................................................48 9 1 INTRODUÇÃO A utilização de energia sustentável vem crescendo cada vez mais e tentar achar alternativas aos combustíveis fosseis tem alavancado ainda mais o uso de energias fotovoltaicas. As placas solares, transformam a luz solar em eletricidade, são fundamentais para o funcionamento desses sistemas. Entretanto, as eficiências enérgicas das placas fotovoltaicas podem ser reduzidas se houver acumulo de sujeira, poeira, fezes de animais e entre outros, que podem se acumular na superfície das placas. Segundo estudos, as sujeiras acumuladas nas placas solares podem diminuir em 20% a eficiência, isso dependendo das condições ambientais e a região as quais esse sistema esta localizado. (Kimber , Mitchell, Nogradi, Wenger, 2006). Desse modo a limpeza periódica das placas solares é essencial para garantir a maior eficiência do sistema. Formas de limpeza tradicionais, tradicionalmente envolvem a intervenção manual, mostra diversas desvantagens, como: consumo elevado de água, altos custos operacionais e alto risco aos trabalhadores responsáveis pela limpeza. Além disso, a limpeza manual pode ser inviável em áreas de difícil acesso ou em instalações de grande porte. Com esses desafios citados anteriormente, o trabalho propõe-se exatamente uma solução para contornar esses desafios. Com o desenvolvimento de um sistema automatizado de limpeza de placas solares, com a capacidade de operar de forma eficiente e autônoma, não havendo a necessidade de intervenção humana ou minimizando. O sistema projetado tem como proposta utilizar recursos limitados de água, funcionando com energia mínima, e ser maleável e adaptável a diferentes tipos de instalações de placas solares. A pesquisa envolve uma análise dos principais componentes do sistema, que serão tratados de forma especifica e individual mais à frente, além da construção de um protótipo robusto e funcional para testes em condições reais. O tema tratado neste trabalho se justifica pela necessidade de uma solução inovadora que não apenas garanta a manutenção, mas também a eficiência dos sistemas solares, com isso também sejam economicamente viáveis e ambientalmente sustentáveis. Nos próximos capítulos, serão expostos detalhadamente o processo de desenvolvimento do projeto, testes e a conclusão obtida com o protótipo concluído. Desse modo será trazido de uma forma mais didática possível a construção desse e projeto, os desafios ocorridos no processo, os benefícios e o funcionamento prático do protótipo e sua solução. 10 2 REFERENCIAL TEÓRICO Neste capítulo, será abordado o Referencial Teórico, que se fundamenta em teses e conceitos provenientes de teses e artigos para a compreensão dos temas a serem explorados, tais como placas fotovoltaicas e automação, entre outros. 2.1 História das placas fotovoltaicas O físico francês Alexander Edmond Becquerel, em 1839 observou que placas metálicas, de platina ou prata, quando mergulhadas em um eletrólito e expostas à luz produziam uma pequena diferença de potencial, este fenômeno foi denominado de efeito fotovoltaico. Esse primeiro experimento deu o ponta pé inicial sobre a compreensão científica sobre a conversão de luz em eletricidade, que só foi aplicada praticamente mais a frente na história. Com a descoberta de que o selênio produzia eletricidade quando exposto a luz em 1876, por Willoughby Smith e William Grylls Adams, esse avanço alavancou o desenvolvimento primeira célula fotovoltaica usando uma fina camada de ouro sobre selênio, se deu em 1883 por Charles Fritts. A célula de selênio tinha uma eficiência muito baixa na conversão da energia, e que esta só foi melhorada ao longo do século XX. A tecnologia fotovoltaica tornou-se outra forma no século XX, em especial com o desenvolvimento das primeiras células solares de silício, desenvolvida em 1941 pelo pesquisador Russell Ohl. Em 1954 foi descoberto pelos pesquisadores Calvin Fuller (químico), Gerald Pearson (físico) e Daryl Chapin (engenheiro), a primeira célula fotovoltaica usando silício com eficiência de 6%, gerando 5mW potência elétrica. Com esse avanço foi possível o desenvolvimento das placas solares, permitindo sua aplicação em projetos comerciais e científicos. Na época da Guerra Fria, especificamente em 1960, as células solares começaram a ser usadas em aplicações espaciais, devido a capacidade de fornecer energia mais confiável no espaço, isso fez com que ocorresse mais pesquisa e desenvolvimento na área. A crise do petróleo entre 1970 a 1980, fez as energias alternativas tomassem espaço global, levando uma maior comercialização das placas solares e a avanços tecnológicos significativos que resultaram na redução de custos e na melhoria da eficiência das células fotovoltaicas. 11 Após as descobertas citadas anteriormente em 2004 foram produzidas cerca de bilhões de células com eficiência de 24,7% alcançando a capacidade instalada mundial de energia solar superior a 8,2 GW em 2008, cerca de 57% da capacidade. Em 2007 pesquisadores da Universidade de Delaware, Estados Unidos, conseguiram bater o recorde de eficiência energética das células solares cristalinas, atingindo um rendimento de 42,8% de conversão sob condições normais de iluminação. As células solares cristalinas são o tipo mais tradicional de célula fotovoltaica, sendo fabricadas de silício. A pesquisa sobre o assunto ainda está em pauta e tem como objetivo alcançar ate 2040 uma elevação de 26%. Atualmente, em 2024, alguns institutos de pesquisa têm conseguido eficiência de conversão um pouco acima de 30%, utilizando tecnologias avançadas, como células solares de multijunção e materiais emergentes como o perovskita. Essas tecnologias buscam superar as limitações das células fotovoltaicas convencionais de silício, cuja eficiência típica está entre 15% e 22%. O aumento da eficiência é crucial para melhorar a viabilidade econômica da energia solar e tornar seu uso mais competitivo em comparação com outras fontes de energia. 2.2 Inovação e Evolução tecnológica em placas fotovoltaicas Entre 1990 e 2004, os principais avanços na tecnologia fotovoltaica incluíram o aumento gradual da eficiência das células solares de silício, o surgimento de filmes finos como uma alternativa promissora, a significativa redução de custos de produção e a criação de políticas de incentivo que impulsionaram o uso da energia solar. Embora as eficiências ainda fossem relativamente baixas em comparação com as tecnologias modernas, esses avanços pavimentaram o caminho para o crescimento acelerado da energia solar nos anos subsequentes. Um outro avanço importante foi a integração das placas fotovoltaicas com sistema de armazenamento de energia, o que permite atualmente o uso de energia solar para uso durante a noite e dias nublados. Isso mostrou que a viabilidade de energia solar em larga escala era possível e contribuiu para a sua adoção pelo mundo todo. “A implementação de estratégias avançadas de controle para conversores pode melhorar significativamente a eficiência e a estabilidade dos sistemas de energia renovável, especialmente em aplicações como a conversão de energia solar.” (Bacha, Munteanu, Bratcu, 2014). 12 As Figuras 1 e 2 mostram como esse crescimento de capacidade e instalação de placas fotovoltaicas teve um crescimento relevante. Segundo a Global Market Outlook a capacidade global de energia solar instalada por continente em GW, do período de 2002 a 2021, foi vertiginoso. Já no Brasil a Anel em um estudo em 2022, trouxe uma análise sobre a potência instalada em todo Brasil em MW, o crescimento foi analisado de 2012 até 2022, e o aumento foi muito relevante, mostrando que o Brasil está em um cenário global de importância. Figura 1 – Aumento vertiginoso Capacidade global de energia solar instalada 2002-2021 (em GW) Fonte: Global Market Outlook for solar power 2022-2026 Figura 2 – Evolução no Brasil Solar fotovoltaica em potência instalada (MW) Fonte: Aneel/Absolar, 2022 13 2.3 Fotovoltaicas no Futuro O futuro da tecnologia fotovoltaica promete avanços contínuos, com tendências que apontam para o desenvolvimento de novos materiais e técnicas que poderão aumentar ainda mais a eficiência e reduzir os custos. A integração das placas solares em infraestruturas modernas, como edifícios inteligentes e veículos elétricos, já está em andamento e deverá se expandir nos próximos anos. Além disso, a energia solar desempenhará um papel cada vez mais importante na matriz energética global, especialmente em um contexto de combate às mudanças climáticas. “A tecnologia fotovoltaica (PV) evoluiu rapidamente, com melhorias contínuas nos materiais e nos processos de fabricação, aumentando a eficiência e reduzindo os custos. Maximizar a eficiência da conversão de energia é fundamental para tornar os sistemas solares fotovoltaicos mais competitivos em relação às fontes de energia tradicionais.” (Santbergen, Ransome, Alsema, 2010) 2.4 Limpeza de Placas Fotovoltaicas Para garantir que a placa fotovoltaica tenha a máxima eficiência na geração de energia solar é necessário ter uma limpeza regular. Isto deve, pois, os painéis solares podem acumular poeira, sujeira e folhas que reduzem a quantidade de luz solar que atinge a células fotovoltaicas, diminuindo a produção de energia elétrica. A importância da limpeza das placas fotovoltaicas evita a perda de eficiência, em 5% a 20% da captação de energia solar. Com isso, há métodos de limpeza que garantem a integridade física das placas, dentre eles: limpeza manual com água e sabão neutro, limpeza automática com sistema de aspersão, limpeza a seco com escovas ou panos, uso de drones para a limpeza. “Soluções inovadoras para resfriamento e limpeza de painéis fotovoltaicos (PV) são essenciais para manter o desempenho ideal em ambientes severos.” (Boretti, 2020) A frequência de limpeza depende de alguns fatores, como: localização geográfica, clima, inclinação dos painéis, vegetação próxima e entre outros. Em áreas urbanas e/ou industriais necessitam de uma limpeza mais frequente, mensal ou bimestral, já em outros casos a limpeza pode ocorre semestralmente. “A acumulação de poeira nos painéis fotovoltaicos pode reduzir significativamente sua eficiência, tornando-se uma questão crítica em regiões propensas a altos níveis de poeira.” (Zaihidee, Mekhilef, Seyedmahmoudian, Horan, 2016) 14 O impacto ambiental que a limpeza de painéis solares pode trazer deve ser levado em consideração, já que, a utilização da água em áreas que são escassas nesse recurso, devem ser otimizadas. Além disso, a escolha de produtos de limpeza deve levar em conta a necessidade de evitar substâncias químicas agressivas que possam contaminar o solo ou os sistemas de drenagem. Diante do exposto, concluímos que o trabalho proposto é importante para o progresso da engenharia, visto que o uso de painéis solares está em franco desenvolvimento no mundo. No próximo capítulo, vamos tratar dos matérias e métodos utilizados neste trabalho. 3 MATERIAIS E MÉTODOS Nessa seção, serão abordados os materiais e métodos utilizados para o desenvolvimento do protótipo. A escolha adequada dos componentes e a definição de procedimentos de métodos foram fundamentais para garantir a eficácia do funcionamento do protótipo. Os materiais foram definidos para atender o que foi proposto, buscando um custo e funcionalidade ideais, enquanto os métodos foram estruturados para assegurar a realização de testes precisos e a avaliação do desempenho do protótipo. Nas próximas subsecções, será descrito detalhadamente os principais materiais empregados e as etapas metodológicas adotadas durante o desenvolvimento do projeto. 3.1 Materiais Os principais materiais utilizados nesse trabalho foram: motor, um sistema de acionamento do motor, unidade de controle, bomba de água, válvula solenoide, aspersores, chave de fim de curso, módulos relés, fontes de alimentação, estrutura, software de programação e software de interface. 3.1.1 Equipamento Mecânico Para compreender integralmente o funcionamento do projeto, é essencial ter conhecimento dos elementos que o compõem. Cada peça desempenha um papel fundamental no processo em seu funcionamento, desde a alimentação do protótipo até o funcionamento integral. Portanto, explorar os principais componentes é fundamental para uma compreensão abrangente de como o sistema funciona e qual é a sua funcionalidade. Neste trabalho, foi utilizado o Atuador Linear Mini V, que tem a função de 15 converter o movimento rotativo do motor em um movimento linear. Refere-se ao um sistema compacto e preciso, geralmente baseado em rolamentos V, são componentes mecânicos projetados para operar em sistema de trilhos ou guias para movimentos lineares, e trilhos lineares, garantindo um movimento suave e preciso com baixa folga. Além disso o Módulo de HPV4 é um tipo de módulo ou placa de controle que opera o motor de passo, ele oferece a interface eletrônica entre o motor e o controlador. O motor de passo NEMA17HS3401S, bipolar, é comum em dispositivos de automação, o número 17 refere-se ao tamanho do motor, com uma flange de montagem de 42x42mm. O motor de passo é um tipo de motor elétrico que se move em passos discretos, permitindo um controle preciso de posição. A corrente nominal máxima consumida pelo motor de passo é de 1,3 amperes, essa especificação tem a importância de referenciar a potência e o torque que o motor pode fornecer. O componente mecânico está exposto na Figura 3. O motor de passo em vez de um motor de corrente continua pois neste sistema de limpeza porque ele oferece controle preciso de posição, facilidade de repetição de movimentos, estabilidade em baixas velocidades e uma implementação de controle relativamente simples, especialmente quando combinado com um driver como o TB6600. Tudo isso é essencial para garantir que o sistema de limpeza opere de forma eficiente e confiável, sem a necessidade de controles ou sensores adicionais. Figura 3 – RapMan 3D Printer Fonte: AliExpress (2024). 16 3.1.2 ESP32 WROOM-32 A placa de controladora do projeto é o ESP32 WROOM -32, conforme mostrado na Figura 4, é um dos componentes mais importantes, e desempenha um papel fundamental que dificilmente poderá ser substituído. A placa é responsável por coordenar e gerenciar os movimentos dos motores e atuadores do sistema, no caso específico coordena o driver do motor, os relés que tem conetividade com a bomba e a válvula solenoide e com as duas chaves de fim de curso. Além dos componentes citados na Seção 3.1.1, a placa também é responsável pela conectividade com o aplicativo que controla o sistema como um todo, o tópico explicando a funcionalidade do aplicativo vai citado adiante. O ES32 WROOM-32 é um módulo de microcontrolador bem popular, é utilizada principalmente em aplicações de IoT (Internet das coisas), automação, controle de dispositivos e projetos eletrônicos, deve-se pela a capacidade de processamento que esse módulo tem, conectividade eficiente. As principais características desse módulo são: • Microcontrolador Dual-Core: tem dois núcleos de processamento, o que permite realizar tarefas simultâneas com uma maior eficiência. Sua frequência de operação pode atingir 240 Mhz, com 600 DMIPS (milhões de instruções por segundo, oferece um desempenho grande para uma ampla gama de aplicações. • Conectividade Wi-fi (802.11 b/g/n) e Bluetooth (BLE- Bluetooth Low Energy e Clássico): o ESP32 pode se conectar a redes sem fio, sendo crucial para o projeto em questão, já que se comunica com a internet ou com outros dispositivos. Já a conexão feita via Bluetooth, permite a conexão com dispositivos moveis e periféricos de forma eficiente em relação a energia, mas esse tipo de conexão não vai ser utilizada no projeto. • Memória: a memória RAM é de 520 KB de SRAM, que é utilizado para o funcionamento do sistema e armazenamento temporário dos dados. Há também a memoria Flash, vem com 4MB de memória embutida, usada para armazenar o firmware e outros dados não voláteis. • Múltiplas Interfaces de I/O: GPIOs (General Purpose Input/Output) no O 17 ESP32 tem diversos pinos de entrada/saída digital (GPIO) que podem ser usados para interagir com sensores, atuadores, LEDs, botões, entre outros, no projeto em questão irão interagir com os relés, chaves de fim de curso, driver do motor de passo. Suporta ADC (Conversor Analógico-Digital) com até 18 canais e DAC (Conversor Digital-Analógico) em dois canais. Geração de sinais PWM (modulação por largura de pulso) para controle de motores e LEDs. SPI, I2C, UART, Interfaces de comunicação com dispositivos periféricos (sensores, displays, módulos externos). E para finalizar o Touch que suporta entradas capacitivas (touch), permitindo o uso de sensores de toque sem contato físico direto. Os benefícios de se utilizar o módulo ESP32 WROOM-32 é a segurança pois suporta criptografia AES (Advanced Encryption Standard), SHA (Secure Hash Algorithm) e RSA (Rivest-Shamir-Adleman), além de SSL/TLS (Secure Sockets Layer/ Transport Layer Security) para garantir a segurança das comunicações e armazenamento de dados. Em relação ao desenvolvimento e programação o ESP32 é programável em diversas linguagens, como C\C++, que foi a linguagem de programação escolhida ao o projeto. O ambiente de desenvolvimento utilizado para a programação foi o Arduino IDE. Além disso, SDK oficial da Espressif, o ESP-IDF (Espressif IoT Development Framework), oferece mais controle e flexibilidade para desenvolvedores avançados. É importante frisar que existem diversos modelos de placas e a escolha de qual modelo utilizar deve ser feita pensando no tipo de projeto esta se realizando. Figura 4 - Placa ESP32 WROOM-32 Fonte: Robocore (2024). 18 3.1.3 Driver para Motor de Passo TB6600 O Driver TB6600 é um controlador muito utilizado para motores de passo em projetos de automação, para sistemas que exigem o controle de movimento, conforme mostrado na Figura 6 e Figura 7. Ele tem função de ponte entre o microcontrolador (ESP32 WROOM-32) e o motor de passo (NEMA17HS3401S), permitindo o controle adequado do movimento do motor. As características desse dispositivo são: • Controle de motor de passo bipolar NEMA17HS3401S: é projetado para controlar motores de passo bipolares, que possuem dois enrolamentos de fios, tendo a capacidade de rotacionar no sentido horário e anti-horário com precisão. Esse dispositivo é adequado para motores de passo de duas fases e 4 fios, com uma corrente de saída que pode ser ajustada até 4 Amperes, o que permite-se controlar motores maiores com um maior torque. • Controle de Microstepping: o driver pode dividir os passos naturais do motor em frações menores, resultando em um movimento mais suaves e precisos. O dispositivo suporta vários níveis de de microstepping, isso é definido por DIP (microinterruptores) integrado ao driver na parte lateral ao qual se seleciona o microstepping necessário. Quanto maior o valor do microstepping, mais suave será o movimento, mas exigirá mais pulsos de controle. • Entrada de sinal TTL: Funciona com sinais TTL de 5V ou 3.3V, o que facilita a interface com microcontroladores populares, no caso do projeto o ESP32 WROOM-32. Os sinais de controle principais são: Pulso (PUL) Indica quando o motor deve dar um passo, Direção (DIR): Define a direção de rotação do motor e Enable (EN): Habilita ou desabilita o motor. • Ajuste de Corrente: possui o ajuste de corrente máxima que motor pode consumir. Isso evita superaquecimento, prolongar a vida útil do motor e garantir o torque correto. A corrente pode ser ajustada com switches DIP (microinterruptores) no próprio driver, e geralmente varia de 0.5A até 4.0A. 19 • Proteções Internas: há várias proteções internas, como: Proteção contra sobrecorrente evita danos ao motor e driver em caso se sobrecarga da corrente; Proteção contra superaquecimento desligamento automático do driver quando é atingido uma temperatura crítica; Proteção contra curto circuito situação de curto circuito nos terminais do motor e/ou na alimentação, interrompendo o funcionamento. • Alimentação: o TB6600 necessita de uma alimentação externa de 9 Volts a 42 Volts. No projeto utilizamos uma fonte de 12 Volts, o que permite controlar o motor de passos que operam em tensões mais altas, alcançando o torque suficiente para tarefas pesadas. Quanto maior for a tensão de alimentação externa, maior a velocidade e o torque que o motor pode atingir. Os benefícios de se utilizar o driver para Motor de Passo TB6600: compatibilidade com diversos microcontroladores, no caso do projeto o ESP32 WROOM-32 é compatível. Além de a proteções integradas, definir os microsteppings, alta capacidade de corrente, como citado anteriormente. Em relação aos terminais e suas funções temos: • +PUL / -PUL (Pulso): Controla os passos do motor. Cada pulso recebido nesses terminais faz o motor dar um passo. A cada mudança de estado (sinal HIGH para LOW ou vice-versa) no terminal PUL, o motor de passo avança um passo. A frequência dos pulsos determina a velocidade do motor (quanto mais rápido os pulsos são enviados, mais rápido o motor gira). +PUL é o terminal positivo do sinal de pulso, e -PUL é o terminal de referência (negativo/terra). • +DIR / -DIR (Direção): Define a direção de rotação do motor. O estado lógico deste sinal (HIGH ou LOW) determina o sentido de rotação do motor de passo (horário ou anti-horário). O +DIR é o terminal positivo do sinal de direção, e -DIR é o terminal de referência (negativo/terra). Se o terminal DIR está em HIGH, o motor gira em uma direção, e se está em LOW, o motor gira na direção oposta. • +ENA / -ENA (Enable): Habilita ou desabilita o driver. Quando o sinal ENA está ativo (geralmente LOW), o driver é habilitado e permite o controle do motor de passo. Se desativado (geralmente HIGH), o driver "desliga" o motor, 20 impedindo que ele receba sinais de controle e, geralmente, removendo o torque do motor. +ENA é o terminal positivo do sinal de habilitação, e -ENA é o terminal de referência (negativo/terra). Em relação as Microchaves laterais e suas funções temos: • Configuração de corrente (DIP switches 1, 2, 3): Os primeiros três interruptores definem a corrente máxima que será fornecida ao motor. A corrente deve ser ajustada de acordo com as especificações do motor de passo utilizado, para evitar superaquecimento ou perda de torque. • Configuração de microstepping (DIP switches 4, 5, 6): permitem aumentar a resolução de passos do motor. Um motor de passo normalmente avança em passos completos, mas o microstepping permite dividir esses passos em frações menores (como 1/2, 1/4, 1/8 de passo), resultando em movimentos mais suaves e precisos. A Figura 3 (Cur=Corrente; Sub=subdivisão; NG=Negativo; SW=Switches) apresenta duas tabelas das possíveis combinações dos switches do TB6600: Figura 5 – Combinações dos switches do TB6600 Fonte: MarioStore (2024). 21 Figura 6 – Driver para Motor de Passo TB6600 Fonte: Robocore (2024). Figura 7 – Switches Driver para Motor de Passo TB6600 Fonte: Dfrobot (2024). 3.1.4 Micro Diaphragm pump (bomba de irrigação) e Aspersores A Micro Bomba de Diafragma (ou Micro Diaphragm Pump) é muito utilizada na irrigação, é um tipo de bomba de pequeno porte, mostrada na Figura 8. Seu funcionamento baseia-se em um diafragma flexível que se movimenta para gerar a sucção e o bombeamento de fluido. Seu funcionamento como dito anteriormente utiliza de um diafragma flexível, feito de borracha ou silicone, que faz o movimento de cima para baixo, ou para a frente pra trás, dentro de uma camara. Com isso se cria ressão negativa (vácuo parcial), o que faz com que o fluido seja puxado para dentro da câmara através de uma válvula unidirecional. Quando o diafragma se movimenta ele pressuriza o fluido, que é forçado a sair da câmara através de outra válvula unidirecional, conduzindo o líquido para fora. 22 A Micro Bomba de Diafragma foi uma solução para o projeto mais eficiente e confiável para aplicação em questão. A capacidade e operar com baixos níveis de energia, operando com 12V, fluxo máximo, pressão máxima, bombear líquidos com precisão e resistir à contaminação faz dela uma escolha excelente para projetos que requerem automação e precisão no manuseio de líquidos. Para o projeto a escolha desta bomba foi por conta do custo e benefício que o componente trás. Isso se deve pelo fato de que há uma alta pressão de 0.8Mpa, para o que o protótipo se propõe, retirar os resíduos do vidro com eficácia, ter um baixo consumo enérgico e sua versatilidade de integração ao projeto. Figura 8 - Micro Diaphragm pump (bomba de irrigação) Fonte: AliExpress (2024). Aspersores reguláveis são dispositivos usados em diversos sistemas que dispersam água em diferentes direções e quantidades, com a vantagem de permitir o ajuste do raio, do alcance e do ângulo de pulverização, Figura 9. Esses ajustes são feitos manualmente ou através de mecanismos embutidos, tornando os aspersores mais versáteis e eficientes para irrigar áreas de tamanhos variados. As vantagens de utilizar aspersores: • Eficiência Hídrica: Permitem uma limpeza mais precisa, evitando o desperdício de água em áreas que não necessitam de limpeza. • Flexibilidade: Podem ser ajustados para diferentes necessidades, tornando-os adequados para áreas pequenas ou grandes. • Redução de Custo: Otimizam o uso de água, o que pode resultar em economia 23 a longo prazo. Os aspersores são do tipo cônicos e de pulverização, para conseguir alcançar maior e/ou menor raio. Foram utilizados 3 aspersores reguláveis para atingir todo a superfície do vidro, e isso foi parcialmente satisfatório, já que não atingiu toda a região do vidro, a parte do vidro perto do trilho não foi atingida, mas a pesar disso a região atingida teve um resultado esperado. Figura 9 - Aspersores Fonte: AliExpress (2024). 3.1.5 Válvula Solenoide A válvula solenoide é um dispositivo eletromecânico utilizado para o controle o fluxo de líquidos, é amplamente aplicada em diversos sistemas, controle de água e outras aplicações industriais, mostrado na Figura 10. O funcionando baseia-se através de um solenoide (um eletroímã) que, quando energizado, abre ou fecha o fluxo. Essa válvula de controle de 1/2 polegada para água ou ar, com tensões de funcionamento variadas (12V, 24V, 220V), no caso do projeto foi utilizada uma tensão de 12 V. A válvula solenoide normalmente fechada (NF) significa que, quando a válvula não está energizada, ela permanece fechada, bloqueando o fluxo de água. Esse tipo de operação é comum em sistemas que requerem controle de fluxo automático, como 24 irrigação. Assim, a válvula só libera água quando recebe um sinal elétrico. Em relação ao tamanho da conexão de ½ polegadas, refere-se ao diâmetro da conexão da válvula com a tubulação. Este é um tamanho comum para sistemas de água, compatível com muitos tipos de tubos e conectores. Esse tamanho é ideal para sistemas de pequeno e médio porte, onde se deseja controlar o fluxo de água. As especificações técnicas da válvula são as seguintes: • Pressão de Operação: Variando de 0,02 MPa a até 1,0 Mpa (aproximadamente 10 bar). • Material do Corpo: feitas de materiais duráveis como latão, aço inoxidável ou plásticos de engenharia (como o ABS), para resistir à corrosão e ao desgaste. • Temperatura de Operação: A maioria das válvulas solenoides para água pode operar em uma faixa de temperatura de 0°C a 80°C. O controle automatizado de abertura e fechamento da válvula foi feito através de um módulo relé, a utilização desse módulo foi necessário para ligar e/ou desligar a bomba no momento correto de rodagem do sistema, o módulo relé é conectado a placa ESP32 WROOM-32 faz a ativação da válvula por tempo e lógica que o protótipo funciona, essa parte lógica será tratada mais a frente. Figura 10 – Válvula Solenoide Fonte: Mercado Livre (2024). 25 3.1.6 Chave de Fim de Curso para Impressora 3D RepRap e CNC A chave de fim de fim de curso e um interruptor mecânico ou sensor que envia um sinal elétrico ao controlador, no caso do projeto esse sinal é enviado para o ESP 32 WROOM-32, quando o eixo atinge um determinado ponto final ou início, o curso de movimento do motor muda direção, mostrado na Figura 11. No projeto foram utilizadas duas chaves de fim de curso, uma no início do eixo e a outra no final do eixo, ou seja, nas extremidades. Quando a máquina CNC está se movendo e o carro (ou cabeçote, estrutura fixa no trilho para a fixação de peça) atinge o fim do curso, uma peça móvel pressiona a chave. Após ser pressionado, o interruptor é acionado, enviando um sinal elétrico para o ESP 32 WROOM-32 mudar o curso e/ou parar o movimento, indicando que o final do curso foi atingindo. Figura 11 – Chave Fim de Curso Impressora para 3D RepRap e CNC Fonte: Eletrogate (2024). 3.1.7 Módulo Relé 5V Metaltex O módulo relé de 5V é um componente eletrônico utilizado para controlar dispositivos de alta potência, mostrado na Figura 12. No projeto, foram utilizados dois módulos para acionar a válvula solenóide e a microbomba de diafragma, a partir de sinais de baixa potência gerados pelo microcontrolador ESP32 WROOM-32. O relé funciona como um interruptor controlado eletricamente, permitindo o acionamento de cargas externas por meio de um circuito de controle de baixa tensão. O acoplamento ótico, também conhecido como optoisolador, é uma técnica que utiliza luz para transmitir sinais entre dois circuitos elétricos, mantendo-os fisicamente isolados. A principal vantagem de usar o acoplamento ótico em um módulo relé é o 26 isolamento elétrico que ele proporciona. Proporcionando a proteção do microcontrolador, isolamento elétrico, redução de interferência e maior segurança. O relé eletromecânico contem um eletroímã, que quando energizado, faz com que os contatos do relé se fechem ou se abram, controlando assim o circuito de alta potência. O módulo possui três terminais, que são: • COM (Comum): O terminal comum que é conectado ao dispositivo que será controlado (válvula solenoide e Micro Bomba de Diafragma). • NA (Normally Open - Normalmente Aberto): Neste terminal, a conexão com o terminal COM só é feita quando o relé está energizado (acionado). • NF (Normally Closed - Normalmente Fechado): Neste terminal, a conexão com o terminal COM é mantida enquanto o relé está desativado. O módulo relé é acionado por uma tensão de 5V, que é suficiente para energizar o eletroímã no relé. Ele é controlado por uma porta digital de um microcontrolador, ESP 32 WROOM-32. O acionamento ocorre quando o microcontrolador envia um sinal lógico baixo para o pino de controle do módulo. Como está sendo utilizado um módulo relé da Metaltex, há alguns benefícios que inclui um optoacoplador, que isola eletricamente o circuito de controle de baixa tensão (como o Arduino) do circuito de alta potência. Isso aumenta a segurança e evita que ruídos ou falhas no circuito de alta tensão danifiquem o microcontrolador. Além disso há um díodo de proteção incluído para proteger o circuito contra tensões reversas geradas pela bobina do relé ao desligar, o que poderia danificar o ESP 32 WROOM-32. O módulo relé conectado com o controlador, ESP 32 WROOM-32, funciona da seguinte forma o relé é controlado por um sinal digital enviado pelo controlador. A alimentação do módulo geralmente é fornecida pelo pino de 5V do microcontrolador. Os pinos principais dó módulo são: • VCC: Alimentação de 5V. • GND: Terra. • IN (Sinal de controle): Entrada do sinal de controle que aciona o relé. Um nível lógico alto (5V) ou baixo (0V) pode ser usado para controlar o relé, dependendo da configuração do módulo. O Módulo Relé 5V da Metaltex é uma solução eficiente e segura para controlar dispositivos de alta potência utilizando sinais de baixa tensão de microcontroladores. Ele oferece versatilidade em projetos de automação, proteção contra interferências e facilidade 27 de uso, sendo amplamente utilizado em diversos projetos de eletrônica, automação e robótica. Figura 12 – Módulo Relé 5V Metaltex Fonte: Robocore (2024). 3.1.8 Estrutura de Alumínio A estrutura é composta por alumínio, parafusos e vidro, tendo uma inclinação de aproximadamente 27°, para simular a inclinação ideal de painéis solares. “A eficiência dos coletores solares depende fortemente de fatores como o ângulo de incidência, a limpeza da superfície e as condições ambientais, tornando a manutenção regular um aspecto fundamental para otimizar os sistemas de energia solar” (Duffie, Beckman, 2013), mostrado nas Figuras 13, 14,15,16,17 e 18. Acoplado a essa estrutura está Atuador Linear Mini V para Reprap 3D Printer, chaves de fim de curso, aspersores e mangueira que conecta os aspersores a bomba. A estrutura teve que ser projetada e enviada para um serralheiro para ser feita, já que não existe uma estrutura como essa no mercado. O vidro é para simular o painel solar, a estrutura de alumínio que está acoplado a mesa de deslize do Atuador Linear Mini V para Reprap 3D Printer tem os aspersores fixados de forma mais eficiente possível para alcançar toda a superfície do vidro. Além disso na parte final do vidro há uma canaleta, com inclinação, para água ter vazão quando o sistema estiver em operação. E para finalizar há as chaves de fim de curso fixadas na parte traseira da estrutura, a qual a mesa de deslize do atuador consegue encostar e mudar o comando de direção. 28 Figura 13 – Estrutura parte superior Fonte: Do autor (2024). Figura 14 – Estrutura parte lateral esquerda Fonte: Do autor (2024). Figura 15 – Estrutura parte frontal 29 Fonte: Do autor (2024). Figura 16 – Estrutura parte lateral direita Fonte: Do autor (2024). Figura 17 – Estrutura parte traseira Fonte: Do autor (2024). Figura 18 – Estrutura em funcionamento Fonte: Do autor (2024). 30 3.1.9 Fontes de alimentação As fontes de alimentação usadas foram quatro, mostrado na Figura 19: • Fonte chaveada de 5V e 3A com conector micro USB para alimentar o ESP 32 WROOM-32. • Fonte tipo colmeia ou caixa metálica de 12V e 6.2A para alimentar o Driver TB6600. • Fonte de 12V e 3A para alimentar a válvula solenoide. • Fonte de 12 V e 6A para alimentar a bomba de irrigação Figura 19 – Fontes de Alimentação Fonte: Do autor (2024). 3.1.10 Plataforma Arduino IDE A Arduino IDE (Integrated Development Environment) é o ambiente de desenvolvimento integrado usado para programar placas controladoras, no caso o ESP 32 WROOM-32, mostrado na Figura 20. Ele permite escrever, compilar e carregar (upload) o código diretamente nas placas de maneira simples e acessível, sendo uma das ferramentas mais populares para quem desenvolve projetos de eletrônica e programação. A IDE oferece um editor de código simples e intuitivo, onde você escreve seus sketches (nome dado aos programas no ESP 32 WROOM-32). Ele suporta linguagens C e C++, com funções simplificadas para interação direta com o hardware ESP 32 WROOM-32. 31 A IDE tem suporte para inúmeras bibliotecas que facilitam a programação de dispositivos complexos. Essas bibliotecas são coleções de códigos pré-escritos que podem ser incluídos no projeto, evitando a necessidade de programar tudo do zero. As bibliotecas adicionadas na IDE foram: Blynk, Esp32 e ESP_FlexyStepper. A programação realizada na plataforma IDE será apresentada mais adiante. Figura 20 – Arduino IDE Fonte: Site oficial do Arduino IDE (2023). 3.1.11 Blynk O Blynk é uma plataforma de Internet das Coisas (IoT) que permite criar interfaces gráficas para controlar e monitorar dispositivos conectados de forma remota, como placas Arduino, ESP32, Raspberry Pi e outros microcontroladores., no projeto foi utilizado a placa ESP 32 WROOM-32. A plataforma Blynk facilita o desenvolvimento de aplicativos móveis (para Android e iOS) que interagem com hardware, permitindo controlar dispositivos por meio de um smartphone ou tablet, sem a necessidade de programar uma interface do zero. 32 3.1.12 Custo dos componentes Custo dos Componentes Índice Componente Preço 1 Atuador Linear Mini V para Reprap 3D Printer1.3A, Módulo HPV4 com 42 Motor, Motor de Passo, NEMA17, 1.3A R$317,70 2 Pulverizador de mangueira de jardim, rega, bocais ajustáveis, bomba de resfriamento nebulosa, kit de irrigação para fazendas ao ar livre, laranja, 4mm, 7mm, 30-5m R$294,28 3 Jumper’s - Femea/Femea, Macho/Femea, Macho/Macho R$15,80 4 2 Módulo Chave Fim de Curso para Impressora 3D RepRap e CNC R$28,70 5 ESP32 - WiFi + Bluetooth R$46,90 6 Fonte Chaveada 5V 3A com Conector micro USB R$31,90 7 Cabo USB Micro B 80cm R$9,90 8 Driver para Motor de Passo TB6600 R$99,00 9 2 Módulo Relé 5V - Relé Metaltex R$19,80 10 Fonte Caixa Metálica, MS75-12-12V 6.2A R$84,40 11 Válvula Solenoide 12v 220v 24v 1/2 Água Ar Nf Irrigação 1 2 R$42,90 12 10 Conector P4 Macho + 10 P4 Fêmea Borne Fita Led Cftv R$18,30 13 10 Metros Cabo Flat 2 Vias 22awg - Preto e Vermelho R$32,00 14 Mangueira Branca R$20,00 15 Conector e adaptores R$65,00 16 Caixa de passagem elétrica R$75,00 17 Fonte de 12V e 3A R$18,00 18 Estrutura Metálica R$240,00 19 Protoboard 750 Pontos - Compatível com ESP32 NodeMCU R$30,72 Valor total R$ 1.490,30 33 3.2 Métodos 3.2.1 Análise dos requisitos para o funcionamento do protótipo O objetivo do protótipo é testar a limpeza de um vidro, simulando um painel solar, automatizado. Os painéis solares comerciais tem dimensões de aproximadamente 1,65m X 1m e ficam com uma inclinação de 23° a 30°, a inclinação depende da região onde será instalado o painel. Visando alcançar uma eficiência e economia de recursos, o projeto teve de ser construído com materiais e componentes mais acessíveis, já que, um dos pilares do projeto é a sustentabilidade. Inicialmente foram definidas a parte mecânica e elétrica do protótipo. O trilho com o motor de passo, que foi um dos componentes principais, havia duas opções, montar o trilho acoplado com o motor ou comprar atuador linear mini V para Reprap 3D Printer, a segunda opção foi a mais viável, pois saiu com um custo mais baixo e era a mais confiável. Foi adquirido um trilho com o tamanho de 30 cm, para visualizar melhor o funcionamento do protótipo. Após definir o atuador linear mini V para Reprap 3D Printer foi necessário decidir qual driver seria necessário para controlar o motor de passo, o driver mais adequado para atuação do motor era o driver TB6600, já que após várias pesquisas o driver era utilizado para o tipo de atuador já definido, linear mini V para Reprap 3D Printer, já que há capacidade de corrente, controle de microstepping, proteções integrada e tensão de alimentação de 9V a 42 V para um torque ideal. O tempo de percurso do motor são de 35 segundos para limpeza do vidro completa, o tempo foi definido por vários testes de velocidade do motor, feitos no código para compreender e decidir qual o tempo e velocidade que iria atender, possivelmente, a limpeza do vidro, já que não poderia ser definido totalmente, pois precisaria fazer o teste juntamente com a bomba e os aspersores, que serão tratados nos próximos parágrafos. Com requisitos decididos anteriormente, foi possível decidir o próximo componente que foi os aspersores. O aspersor tem saída cônica da água atingindo melhor a superfície da placa, dito no capítulo anterior. Além disso o tempo de percurso do motor estava em 35 em segundos, com o teste com os aspersores foi possível finalizar essa decisão da velocidade do motor. Com requisitos decididos anteriormente, foi possível decidir o próximo componente que foi a bomba. Com isso, a bomba deveria ter uma pressão que atendesse 34 a atuação dos aspersores de forma mais eficiente, a bomba é de 60 watts de potência, voltagem de 12 V, fluxo de água de 4Litros/minuto e força de 0,75 MPa, atendendo os requisitos ditos anteriormente. Definindo a bomba e os aspersores, foi decido que necessitava de uma válvula solenoide para evitar gotejamento nos aspersores. Com isso a válvula Solenoide 12V, ½ Água, NF Irrigação ½ polegadas se mostrou a ideal para o projeto. Já que a vazão de entrada da bomba é igual a vazão de saída da válvula solenoide, sendo condizendo ao que o projeto precisava. Desse modo se viu necessário a aquisição de dois módulos relés para o acionamento da bomba e da válvula solenoide. Com os módulos relés pode-se definir o acionamento dos dois atuadores da forma correta através do tempo, a partir da programação interna do controlador, que ainda não havia sido decidido, já os modelos relés serão conectados diretamente no controlador. Foram levantados alguns pontos sobre qual placa de controle deveria ser utilizada, levando em consideração algumas questões como a eficiência, confiabilidade e custo, se mostrou a melhor escolha o ESP 32 WROOM-32. Havia outras opções como o Arduíno integrado ao módulo de conexão WiFi, ESP8266, porém este módulo não demostrou muita confiabilidade após algumas pesquisas, já que, a uma desconexão constante entre o módulo e o sistema. Além da opção anterior havia o Raspberry Pi, mas por uma questão de custo alto esse componente foi descartado, já que o projeto visa ter um custo acessível. O próximo foi definir as fontes de alimentação, foram utilizadas quatro fontes. A primeira fonte foi para alimentação da válvula solenoide, a fonte é de 12Volts e 3 amperes. A segunda fonte foi para alimentação da bomba, a fonte é de 12Volts e 5 amperes. A terceira fonte, tipo colmeia, foi para alimentação do driver, a fonte é de 12Volts e 6.2 amperes. A quarta fonte foi para alimentação do controlador ESP 32 WROOM-32, a fonte é de 5Volts e 3 amperes. Após definido os componentes principais do projeto, foi necessário pensar em uma estrutura que simulasse uma placa solar e fixação dos componentes. Como não existe uma estrutura que atendesse os requisitos necessários para aplicação, a ideia da estrutura foi levada ao um serralheiro que fez a estrutura. Os materiais da estrutura foram peças de alumínio, parafusos para a ficção da estrutura e do atuador linear mini V para 35 Reprap 3D Printer, e vidro para simular o painel solar. A inclinação da estrutura foi pensada para padrões de inclinação de placas solares comercias, que é entre 23° a 30°, a inclinação na estrutura é de 27°. Para finalizar foi decidido os tubos e conectores da parte hidráulica do sistema, teve de ser adquirido adaptadores de conexão para a válvula solenoide, conector da mangueira com a torneira, mangueiras para conectar a torneira na válvula solenoide, bomba e aspersores. Além disso necessário jumpers para conectar o driver, relés, chaves de fim de curso, motor no controlador ESP 32 WROOM-32. E para concluir foi cabo flat de 2 vias 22awg preto e vermelho e bornes macho e fêmea, para fazer as conexões das fontes com o driver, bomba e válvula solenoide. Esquemático de circuito mostrado na Figura 21. Figura 21 – Circuito eletrônico esquemático Fonte: Do autor (2024). 36 3.2.2 Configuração da Válvula Solenoide com o Módulo Relé, Fonte de Alimentação e ESP 32 A opção de construção do projeto foi por partes, após isso foi integrado todas as partes em uma só, de início foi feita a integração entre o módulo relé, válvula solenoide, fonte de alimentação e ESP 32 WROOM-32. Primeiramente foi conectado a fonte de 12V ao módulo relé. Após isso foi conectado nas saídas do relé ao ESP32. Com isso foi realizado a programação para testar se o circuito estava montado de modo correto. Após o teste, foi possível concluir que o circuito estava montado corretamente. 3.2.3 Configuração da Bomba com Módulo Relé, Fonte de Alimentação e ESP 32 Após o primeiro teste foi feita a integração entre o módulo relé, bomba, fonte de alimentação e ESP 32 WROOM-32. Primeiramente, foi conectado a fonte 12 V as entradas do módulo relé. Após isso foi conectado nas saídas do relé ao ESP32. Com isso foi realizado a programação para testar se o circuito estava montado de modo correto. Após o teste, foi possível concluir que o circuito estava montado corretamente. 3.2.4 Configuração do Driver TB660 e o Motor de Passo com Fonte de Alimentação e ESP 32 Continuando as integrações a próxima foi entre o driver TB6600, motor de passo, fonte de alimentação, ESP 32 WROOM-32. Primeiramente, foi conectado a fonte 12V nas entradas do módulo driver. Após isso foi conectado nas saídas do driver +PUL, +DIR, +ENA, -PUL, -DIR e -ENA ao ESP32 e para finalizar as saídas +A, -A, +B e -B foram conectadas no motor de passo. Com isso foi realizado a programação para testar se o circuito estava montado de modo correto. Após o teste, foi possível concluir que o circuito estava montado corretamente. Importante ressaltar que os switches no driver foram configurados para 1 Micro Step Pulse/ver (ON ON OFF) e a corrente de 1.0 amperes (ON OFF ON). 37 3.2.5 Integração de todo o sistema com a conexão via WiFi aplicativo Blynk para acionamento Com todas as partes funcionando separadamente se iniciou a fase de funcionamento integrado, ao qual foi realizado de início o código para o funcionamento automático. Baseia-se na realização o movimento do motor para frente, até bater no fim de curso, e para trás, até bater no fim de curso, com a bomba de água ligada e a válvula solenoide aberta durante todo o percurso, após isso há um delay de 5 segundos para a ação se repetir. Desse modo, com a lógica automática, foi mais facilitado realizar a lógica para o modo manual. O modo manual funciona basicamente da mesma forma de modo automático, porém sem o delay de 5 segundos. Assim que é acionado o sistema fica funcionando sem parar até ter um comando de parada. Importante ressaltar que, quando há um comando de parada no modo manual o sistema só para quando bater em alguma chave de fim de curso, ou no início ou do final. O código inteiro foi montado em funções as quais acionam uma parte do sistema. Temos as funções: • void moverAteInicio(), utilizado para mover o motor para o início do trilho. • moverAteFim(),utilizado para mover o motor para o final do trilho. • moverAteFimManual(), utilizado para mover o motor para o final do trilho no modo manual, não há uma espera de 5 segundos. • void ligarBomba(void), utilizado para o relé ligar a bomba. • void desligarBomba(void), utilizado para o relé desligar a bomba. • void abrirValvula(void), utilizado para o relé abrir a válvula. • void fecharValvula(void), utilizado para o relé fechar a válvula. Essas funções são chamadas dentro dos módulos: • modo automático (void automatico(void)), utilizado para o acionamento do sistema do modo automático. • modo manual (void manual(void)), utilizado para o acionamento do sistema do modo manual. aos quais vão realizar os ciclos já descritos anteriormente. Em relação aos comandos foi utilizado o Blynk para fazer um aplicativo que se conecta ao ESP 32 WROOM-32, e com isso se conectar ao sistema. Como sistema é via 38 WiFi, utilizado a rede residencial para ser feita a integração, porém a rede pode ser alterada caso o sistema mude de local, só tem que modificar no código o nome da rede WiFi e a senha da rede. O aplicativo realizado no Blynk há 4 botões, sendo eles: • Modo Automático (ON e OFF), utilizado para ativar o modo automático do sistema remotamente. • Modo Manual (ON e OFF), utilizado para selecionar o modo manual do sistema remotamente. • Ligar Manual (ON e OFF), utilizado para ativar o modo manual do sistema remotamente. • Desligar Manual (ON e OFF), utilizado para desativar o modo manual do sistema remotamente. Esses botões se conectam com sistema através de um código especial para o Blynk, ou seja, o código já realizado é integrado com código para atuação dos botões no Blynk para que o sistema funcione. 3.2.6 Explicação do código Código final completo do projeto: Código Final TCC escrito.txt https://drive.google.com/file/d/15Y_xA9VYKshw5T1pT5rcnnvQYTeo1Y9w/v iew?usp=sharing As cinco primeiras linhas código estão definidos a comunicação com o Blynk, as quais há a definição do template da plataforma, "TMPL270v6w5QF", seguido pela definição do nome do projeto, “TCC”, o token de acesso do autor, "4gUE8ChBsKLKcpMK3D-mVzB5aDvQFWy7", definição serial do Blynk. As linhas 7 a 10 do código estão definidas as bibliotecas necessárias para o funcionamento do sistema. • , biblioteca necessária para conexão do ESP32 a rede Wifi. • , biblioteca é usada para estabelecer e gerenciar conexões de rede no ESP32 em modo cliente permitindo que o ESP32 se conecte a servidores ou a outros dispositivos que ofereçam serviços na rede como o Blynk. • , integrar o ESP32 com a plataforma Blynk, permitindo o controle e monitoramento remoto de dispositivos por meio 39 de um aplicativo de smartphone ou interface web. • , para controlar motores de passo (stepper motors) de maneira precisa e flexível no ESP32. As linhas 12 a 19 do código estão definidas as portas de conexão do ESP32 WROOM 32. O driver TB6600 está conectado na porta 33, 25 e 13 do controlador, sendo pulso, direção e enable respectivamente. Já na porta 26 e 27 está conectado os relés, da bomba e da válvula respectivamente. Para concluir está conectado nas portas 18 e 5, as chaves de fim de curso, início e fim respectivamente. As linhas 21 a 23 do código estão definidas o as variáveis modoAutomatico e modoManual, inicialmente como booleano falso. As linhas 25 a 31 do código estão a configuração do WiFi com o Bynk, sendo “char auth[] = "4gUE8ChBsKLKcpMK3D-mVzB5aDvQFWy7";” o token, “char ssid[] = "Apto101";”, o nome da rede WiFi, “char pass[] = "amandasarah";”, a senha da rede local. Além disso na linha 30 é instância de um controlador de motor de passo, criada a partir da classe ESP_FlexyStepper, que é definida na biblioteca ESP_FlexyStepper.h. Este objeto será usado para interagir com o motor de passo, configurando seus parâmetros, como velocidade, aceleração, e realizando o controle de movimentos. Figura 22 – Código final Arduino IDE linha 1 a 31 Fonte: Do autor (2024). 40 As linhas 32 a 55 do código estão o serial begin do ESP32 configurado em 115200, taxa de transmissão bits por segundo. Na linha 36 há configuração inicial do motor de passo. Já da linha 38 a 46 há a configuração dos relés e entradas como saídas. O que ocorre nas linhas 48 a 50 é a configuração de velocidade e aceleração do motor de passo. Para concluir da linha 52 a 53 há a inicialização do Blynk. Figura 23 – Código final Arduino IDE linha 32 a 55 Fonte: Do autor (2024). As linhas 56 a 80 do código estão o loop para o Blynk continuar rodando. Após isso, da linha 59 a 62 execução do modo automático caso ativado, seguido nas linhas 64 a 69 a execução do modo manual caso ativado. Já das linhas 71 a 80 há a função para o controle automático. 41 Figura 24 – Código final Arduino IDE linha 56 a 80 Fonte: Do autor (2024). As linhas 82 a 103 do código se encontra a função de mover para o início o trilho, essa função servirá para o modo automático e manual. Depois segue a função mover para o fim do trilho, essa função é para modo automático a penas. Figura 25 – Código final Arduino IDE linha 82 a 103 Fonte: Do autor (2024). 42 As linhas 105 a 124 do código se encontra a função de mover para o fim do trilho, essa função servirá a penas para o modo manual. Depois segue função para o controle automático com delay, esse delay de 5 segundos foi a penas para demonstração do sistema quando tiver funcionando. Figura 26 – Código final Arduino IDE linha 105 a 124 Fonte: Do autor (2024). As linhas 126 a 139 do código se encontra a funções de ligar a bomba, desligar a bomba, abrir válvula e fechar válvula. Figura 27 – Código final Arduino IDE linha 126 a 139 Fonte: Do autor (2024). 43 As linhas 141 a 152 do código se encontra o comando para ativar o modo automático no Blynk, as condições que há nesse botão V1 ocorre se o botão está no booleano igual 1, tornando o modo automático verdadeiro e modo manual falso, modo automático fica ativado. Com modo automático falso, o modo automático fica desativado. A variável param.asInt() é utilizada no contexto do Blynk, que permite a criação de interfaces gráficas para dispositivos embarcados como o ESP32. Esse método converte o valor recebido de um widget Blynk (como um botão, slider, ou outro componente) em um número inteiro (int). A variável V1 botão está declarada dentro do próprio Blynk por isso ela só é referenciada no código. Figura 28 – Código final Arduino IDE linha 141 a 152 Fonte: Do autor (2024). As linhas 154 a 183 do código se encontra o comando para ativar o modo manual no Blynk, as condições que há nesse botão V2 ocorre se o botão está no booleano igual a 1, tornando o modo manual verdadeiro e modo automático falso, modo automático fica ativado. Com modo manual falso, o modo manual fica desativado. Já o botão V3 é o comando para ligar o modo manual se o botão V2 estiver verdadeiro e o botão V1 for falso. Para concluir o código botão V4 é o comando para desligar o modo manual se o botão V2 estiver verdadeiro e o botão V1 for falso. A variável V2,V3 e V4 dos botões estão declaradas dentro do próprio Blynk por isso elas só são referenciadas no código. A necessidade de ter o botão V3 e V4 é para facilitar o comendo de parada imediato, para não correr riscos de sobreposição de comando. 44 Figura 29 – Código final Arduino IDE linha 154 a 183 Fonte: Do autor (2024). Figura 30 – Interface Blynk/ Aplicativo 45 Fonte: Do autor (2024). 4 RESULTADOS O teste realizado com o funcionamento do protótipo teve alguns pontos que necessitam de melhorias. Um dos pontos é a disposição dos aspersores na estrutura, há a necessidade de adicionar mais um aspersor para que a água chegue próximo a faixa de vidro que esta perto do trilho, de início pensou-se na cautela de a água não molhar o trilho, evitando o risco da queima do componente. Além disso, a estrutura que é fixado os aspersores precisa ter uma altura maior em relação ao vidro, isso tem como objetivo evitar muito os respingos que está ocorrendo na montagem atual da estrutura. A integração total do sistema, Atuador Linear Mini V para Reprap 3D Printer com o driver TB6600, os relés com a bomba e a válvula solenoide, os fins de curso, tudo integrado e controlado pelo ESP 32 WROOM-32, se mostrou satisfatório com a ideia inicial do projeto, funcionando de forma coerente e integrada, a automação está funcionando como o esperado. Além disso a integração com o sistema eletrônico com o Blynk, demostrou a facilidade no controle do sistema, tendo um resultado satisfatório também, pois como dito nos capítulos anteriores a intervenção humana na limpeza é evitada, e por isso a segurança foi satisfeita. Analisando cada parte do protótipo separadamente a integração da válvula solenoide e bomba e aspersores, com os relés e o controlador ESP32 WROOM-32, teve um funcionamento melhor que o esperado. A razão dessa conclusão foi pelo fato de que a pressão que a água, que chega nos aspersores retira qualquer sujeira que contenha no vidro, e quando for aplicado no painel solar a limpeza será completa. Contudo, como dito no primeiro paragrafo desse capítulo, há uma faixa que não uma limpeza completa por conta da disposição dos aspersores e a altura da estrutura em relação vidro. Em relação ao Atuador Linear Mini V para Reprap 3D Printer integrado ao driver TB6600 e os fins de curso e controlado pelo ESP32 WROOM-32, teve um resultado de movimento ideal. O movimento teve uma velocidade para o intuito do protótipo, respeitando as condições impostas para a movimentação, não ocorrendo impossibilidades durante o processo. Para concluir, a integração da eletrónica, programação e o Blynk, mostrou eficiência de se fazer uma interface para controle do protótipo. O aplicativo não trouxe problemas para o funcionamento do sistema, mas mostrou a eficiência que uma interface 46 remota pode trazer para controle de projetos de automação. Em relação ao ponto de vista ecológico, a utilização da água com os aspersores reduziu entre 30% a 50%, essa faixa vai variar de acordo com o modo que sistema está operando, automático ou manual. Em relação a energia há um gasto menor com o uso de microcontrolador e os atuadores tendo tensão de alimentação de 12 V, e são acionados pela programação interna do controlador, otimizou o uso da energia elétrica. Os resultados do que foi dito nesse parágrafo está exposto logo a seguir. Gastos do equipamento: • Gasto de água: O tempo 35 segundos para 1 ciclo do sistema, sendo que o trilho tem 30 centímetros, bomba utiliza 4L/min, sendo que 1 minuto tem 60 segundos, com isso chegamos ao resultado de 2,33 litros de gasto de água. Tamanho de painel solar comercial 2 metros X 1 metro, se utilizarmos 1 metro de largura da placa, temos o seguinte resultado para o gasto de água será de 116,66 segundos 7,77 litros para um ciclo. • Gasto de energia: Válvula Solenoide: 0,114 A Bomba de água: 0,708 A Driver TB6600: 0,057A Figura 31 – Circuito eletrônico físico Fonte: Do autor (2024). 47 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS 5.2 Conclusão Após a conclusão desse trabalho ficou claro que um sistema de limpeza automático se demonstrou ser uma solução eficiente para a limpeza de acúmulo de sujeira, aplicado em placas solares aumentaria significativamente a eficiência de captação das células solares, aumentando assim a eficiência energética. Com a implementação de um protótipo composto por um sistema de irrigação com aspersores, um trilho deslizante operado por um motor de passo NEMA17 e controlado por um ESP 32 WROOM 32, foi possível obter uma reposta satisfatório ao que era a proposta inicial do projeto. Os testes realizados confirmaram a viabilidade do sistema tanto no modo automático, controlado por tempo, quanto no modo manual, controlado por botões via aplicativo. O uso das chaves de fim de curso garantiu precisão no controle de movimento do trilho, enquanto o acionamento da bomba e da válvula solenoide foi bem-sucedido com o uso de módulos relés. O sistema também levou em consideração aspectos de sustentabilidade, minimizando o consumo de água e energia elétrica durante o processo de limpeza. A estrutura em alumínio com inclinação aproximada de 27° simulou de maneira realista a inclinação das placas solares em telhados, contribuindo para a praticidade do protótipo. Desse modo, projeto apresentou uma solução prática e economicamente viável para o a limpeza de placas fotovoltaicas devido ao acúmulo de sujeira. Com a automatização do processo de limpeza, espera-se que o sistema seja capaz de reduzir custos operacionais e aumentar a produção de energia a longo prazo, promovendo o uso sustentável da energia solar e, consequentemente, contribuindo para uma maior eficiência no setor energético. 5.3 Recomendações para Trabalhos Futuros Para o aprimoramento futuro do protótipo poderia realizar um método mais eficaz de limpeza. Como a utilização de uma espoja integrada a estrutura e um bombeamento de produto juntamente com a água para retirada maior de resíduos do painel solar. Além disso aprimorar o controle do protótipo em relação ao controle, o 48 acionamento ser mais específico, levando em consideração o acionamento com o tempo e o mês que tem mais ou menos incidência solar, para ter um acionamento mais direcionado a região ao qual o painel solar esta instalado. Desse modo vai melhorar a automação do protótipo, e assim a eficácia do sistema como um todo. Verificar outros métodos que traga um custo benefício melhor ao protótipo. Buscando sempre a eficiência enérgica não a penas do painel solar, mas também no sistema do protótipo. Sempre importante a busca por outros métodos para otimizar o sistema. O reuso da água é um dos pontos que podem ser trabalhados na melhoria do protótipo. Para finalizar, o uso de sensores de infravermelho para verificar se há, células queimadas, partes do painel com sujeira e inviabilidade da célula solar por alguma questão. Isso trará um aprimoramento da automação do protótipo e uma limpeza mais eficiente. 49 REFERÊNCIAS Bacha, S., Munteanu, I., & Bratcu, A. I. (2014). Power electronic converters modeling and control: with case studies. Springer Science & Business Media. Boretti, A. (2020). Challenges in solar power generation in deserts. Energy Reports, 6, 822-829. Duffie, J. A., & Beckman, W. A. (2013). Solar engineering of thermal processes (4th ed.). John Wiley & Sons. Gerland, B., Gnann, T., & Plötz, P. (2019). Optimal positioning and cleaning of solar panels in arid environments. Journal of Renewable and Sustainable Energy, 11(5), 053301. Kaldellis, J. K., & Zafirakis, D. (2011). The wind energy revolution: A short review of a long history. Renewable Energy, 36(7), 1887-1901. Mazumder, S. K. (Ed.). (2021). Wirelessly powered systems and networks. Springer Nature. Patel, M. R. (1999). Wind and solar power systems: design, analysis, and operation. CRC Press. Santbergen, R., Ransome, S., & Alsema, E. 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Renewable and Sustainable Energy Reviews, 65, 1267-1278. 50 Referências das Figuras: Figura 1: Womenenergize: https://www.womenenergize.org/wp-content/uploads/2022/05/solar-2.pdf ABSOLAR:https://www.absolar.org.br/wp-content/uploads/2022/09/2022.03.09 InfograficoABSOLAR-no-41.pdf Global Market Outlook for Solar Power 2023–2027 Figura 2: Womenenergize: https://www.womenenergize.org/wp-content/uploads/2022/05/solar-2.pdf ABSOLAR:https://www.absolar.org.br/wp-content/uploads/2022/09/2022.03.09 InfograficoABSOLAR-no-41.pdf Global Market Outlook for Solar Power 2023–2027 Figura 3: https://pt.aliexpress.com/item/4000158747713.html?spm=a2g0o.order_list.order_list_main.5. 5666caa4J5AQiA&gatewayAdapt=glo2bra Figura 4: https://www.robocore.net/wifi/esp32-wifi-bluetooth Figura 5: https://www.marinostore.com/automacao/driver-para-motor-de-passo tb6600?srsltid=AfmBOoqlRPJT_MYkB5iWmV3e105zl5sGX03J8TWGLh8WFBtBmbfEvB8 T Figura 6: https://www.robocore.net/driver-motor/driver-para-motor-de-passo-tb6600 Figura 7: https://www.dfrobot.com/product-1547.html Figura 8: https://pt.aliexpress.com/item/1005006604200009.html?spm=a2g0o.order_detail.order_detail _item.3.5c2c4c7f8WTrer&gatewayAdapt=glo2bra Figura 9: https://pt.aliexpress.com/item/1005006604200009.html?spm=a2g0o.order_detail.order_detail _item.3.5c2c4c7f8WTrer&gatewayAdapt=glo2bra 11: Figura 10: https://produto.mercadolivre.com.br/MLB-3524058205-valvula-solenoide-12v 220v-24v-12-agua-ar-nf-irrigaco-1-2-_JM Figura https://www.eletrogate.com/modulo-chave-fim-de-curso-para-impressora-3d reprap-e-cnc-jumper 70cm?utm_source=Site&utm_medium=GoogleMerchant&utm_campaign=GoogleMerchant& utm_source=google&utm_medium=cpc&utm_campaign=[MC4]_[G]_[PMax]_Categorias&ut m_content=&utm_term=&gad_source=1&gclid=Cj0KCQjwsoe5BhDiARIsAOXVoUv0sJCB dUbQpYkPBgbmtVcUJIhJCI3bdyUjuZD7tKeXu3js-oADofcaAmUZEALw_wcB 51 Figura 12: https://www.robocore.net/atuador-rele/modulo-rele Figura 20: https://www.arduino.cc/en/software