SYSTEM FOR PHOTOVOLTAIC PANEL GENERATION ESTIMATION

______________________________________________________________________ Anais do Congresso Brasileiro de Iniciação Científica Vol2 nº2 (2025) 556 (Ciências Exatas) SISTEMA PARA ESTIMATIVA DE GERAÇÃO DE PLACAS FOTOVOLTAICAS EM FUNÇÃO DAS CONDIÇÕES CLIMÁTICAS SYSTEM FOR PHOTOVOLTAIC PANEL GENERATION ESTIMATION Daniel César Oliveira Formiga, Guilherme de Araújo Feitosa, Guilherme Luna de Castro, Guilherme Rodrigues da Silva, Nathalia dos Santos Silva, Andrea Cristina dos Santos, Alexandre Shozo Onuki Universidade Santa Cecília, Faculdade de Engenharia, Curso de Engenharia Elétrica E-mail para contato: [email protected] RESUMO – Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema para a estimativa e o monitoramento da geração de energia de placas fotovoltaicas em instalações residenciais, considerando fatores como radiação solar e ângulo de inclinação. O protótipo proposto integra motores de passo, circuito de acionamento, microcontrolador ESP32, fazendo o ajuste dinâmico da inclinação do módulo e a coleta de dados. O sistema realiza a leitura de variáveis relacionadas à geração de energia e as armazena em um banco de dados, assim, permitindo a comparação entre os resultados reais e os estimados para uma análise de desempenho. O projeto também visa fornecer uma ferramenta para maior controle e planejamento energético, contribuindo para a segurança operacional frente à crescente inserção da geração distribuída no sistema elétrico brasileiro. A pesquisa se diferencia dos estudos anteriores ao focar no monitoramento da geração considerando as configurações diversas, tornando a solução mais adaptável a diferentes cenários e instalação e operação. Palavras-chave: Energia Solar Fotovoltaica; Estimativa de Geração; Monitoramento; Geração Distribuída; Ângulo de inclinação. ABSTRACT – This work presents the development of a system for the estimation and monitoring of energy generation from photovoltaic panels in residential installations, considering factors such as solar radiation and inclination angle. The proposed prototype integrates stepper motors, a drive circuit, and an ESP32 microcontroller, performing dynamic adjustment of the module's inclination and data collection. The system reads variables related to energy generation and stores them in a database, thus allowing the comparison between real and estimated results for a performance analysis. The project aims to provide a tool for greater control and energy planning, contributing to operational safety in the face of the growing integration of distributed generation into the Brazilian electrical system. The research differs from previous studies by focusing on ______________________________________________________________________ Anais do Congresso Brasileiro de Iniciação Científica Vol2 nº2 (2025) 557 (Ciências Exatas) monitoring generation while considering diverse configurations, making the solution more adaptable to different installation and operational scenarios. Keywords: Photovoltaic Solar Energy; Generation Estimation; Monitoring; Distributed Generation; Tilt Angle. 1 INTRODUÇÃO A transição para fontes de energia sustentáveis tem se consolidado como uma prioridade global, impulsionada pela necessidade de mitigar os impactos ambientais e reduzir a dependência de combustíveis fósseis. Neste cenário, o Brasil se destaca por possuir uma matriz energética com elevada participação de fontes renováveis, que representam 49,1% do total. Dentre essas fontes, a energia solar fotovoltaica tem apresentado uma expansão notável, correspondendo a 22,2% de toda a matriz elétrica brasileira, vale destacar que tal crescimento é particularmente expressivo na geração distribuída, na qual o segmento residencial responde pela maior parcela do montante, com 79,68% dos sistemas. Contudo, essa crescente inserção de fontes intermitentes na rede elétrica impõe desafios técnicos significativos. O sistema elétrico brasileiro foi originalmente projetado com base em um fluxo de potência unidirecional, predominantemente de grandes centrais hidrelétricas, o que moldou seus esquemas de proteção. A natureza dinâmica das unidades de geração distribuída, que alternam entre o consumo e a geração, provoca variações no fluxo de potência, podendo resultar em sobrecargas, perdas elétricas e, principalmente, em oscilações de tensões que afetam a qualidade da energia e a estabilidade da rede. A infraestrutura atual tem enfrentado dificuldades com as sobretensões geradas pela alta concentração de geração distribuída. A eficiência de um sistema fotovoltaico, por sua vez, está diretamente atrelada a fatores como radiação solar, temperatura e o ângulo de inclinação dos módulos. A ausência de sistemas que realizem uma estimativa precisa da geração de energia compromete não apenas o dimensionamento adequado das instalações, mas também a segurança operacional da rede. Em resposta a essa demanda, estudos têm explorado soluções de monitoramento. Um exemplo relevante é o trabalho de Melo (2021), que propôs um sistema de baixo custo baseado em Internet das Coisas (IoT) para o monitoramento em tempo real de variáveis elétricas e meteorológicas em sistemas de micro e minigeração fotovoltaica. Embora tal estudo apresente similaridades, a presente pesquisa avança ao focar na estimativa da geração, ______________________________________________________________________ Anais do Congresso Brasileiro de Iniciação Científica Vol2 nº2 (2025) 558 (Ciências Exatas) considerando especificamente os diferentes ângulos de inclinação dos módulos, buscando uma solução mais adaptável aos diversos cenários de instalação e operação. Diante do exposto, o presente estudo tem como objetivo geral o desenvolvimento de um sistema para estimativa de geração de placas fotovoltaicas, que possibilite o monitoramento contínuo da produção de energia em instalações residenciais, realizando a leitura e o armazenamento de dados sob diversas configurações. Para alcançar este propósito, foram traçados os seguintes objetivos específicos: • Desenvolver um equipamento capaz de monitorar a geração de energia em placas fotovoltaicas, considerando a radiação solar, o ângulo de inclinação e as dimensões do módulo; • Criar um aplicativo dedicado ao armazenamento dos dados coletados pelo equipamento; • Implementar uma Interface Homem-Máquina (IHM) para a visualização dos dados obtidos; • Realizar levantamento da precisão das estimativas de geração realizadas pelo sistema desenvolvido. 2 MATERIAIS E MÉTODOS Esta pesquisa foi desenvolvida para fins experimentais, visando validar um sistema para a estimativa de geração fotovoltaica. A metodologia adotada abrangeu o projeto e a construção de um protótipo de base móvel para o posicionamento preciso de um módulo fotovoltaico, o desenvolvimento do sistema de controle para acionamento e coleta de dados e a realização de testes funcionais. O objetivo é criar um sistema capaz de monitorar e estimar a geração de energia em placas fotovoltaicas, considerando as variáveis que impactam se. Os procedimentos foram delineados de forma a garantir a aplicação da pesquisa. A seguir, a metodologia adotada para a elaboração e o desenvolvimento do sistema de monitoramento das leituras de estimativa e o armazenamento de dados na geração de energia em placas fotovoltaicas. ______________________________________________________________________ Anais do Congresso Brasileiro de Iniciação Científica Vol2 nº2 (2025) 559 (Ciências Exatas) 2.1 Desenvolvimento do Sistema para a Estimativa de Geração de Placa Fotovoltaicas em Função das Condições Climáticas Nesta fase foi realizado o desenvolvimento de um dispositivo físico projetado para realizar a leitura de variáveis cruciais para a geração de energia fotovoltaica, como a radiação solar e o ângulo de inclinação do módulo. Este protótipo será responsável por coletar dados em tempo real, considerando as condições climáticas locais, e armazená-los em um banco de dados. A finalidade desta etapa é obter resultados diretos sobre a eficácia do sistema fotovoltaico em condições reais de operação, vale destacar que o protótipo empregou componentes estruturais, eletromecânicos e eletrônicos, conforme o conteúdo apresentado abaixo: • Estrutura da Base Móvel: A base responsável pelo movimento de rotação horizontal foi confeccionada com discos de MDF cortados em CNC. O mecanismo é composto por um disco inferior fixo, um disco superior móvel e um anel giratório com roldanas plásticas, que serve como rolamento para uma rotação de baixo atrito; • Sistema de Acionamento: O posicionamento do módulo é realizado por dois motores de passo modelo 17HS4401S Nema 17 Bipolar. Um motor controla o movimento de rotação horizontal da base e o outro, o movimento de elevação (inclinação) do painel. Estes motores foram escolhidos por seu controle angular preciso de 1.8° por passo e torque de retenção de 43 Ncm. O acionamento de cada motor é realizado por um driver A4988; • Mecanismo de Elevação e Suportes: O sistema de inclinação do painel foi construído com suportes de acrílico transparente cortados a laser, que fixam tanto o módulo fotovoltaico quanto o motor de passo de elevação, garantindo alinhamento e estabilidade ao eixo de rotação; • Sistema de Controle: A unidade central de processamento é um microcontrolador ESP32. Este componente foi selecionado por seu alto desempenho, processador dualcore e, crucialmente, por suas capacidades de conectividade Wi-Fi e Bluetooth integradas, permitindo o envio de dados para um banco de dados em nuvem e o controle remoto do sistema; ______________________________________________________________________ Anais do Congresso Brasileiro de Iniciação Científica Vol2 nº2 (2025) 560 (Ciências Exatas) • Módulo de Sensoriamento Fotovoltaico: Foi utilizada uma Placa Solar Fotovoltaica de 165 x 220 mm, fabricada em ETFE e com capacidade de geração de aproximadamente 5 W (5V/1A); • Sensor de Corrente e Tensão: Para a medição precisa da energia gerada pelo painel, foi integrado um sensor INA219. Este módulo é capaz de medir a tensão e a corrente elétrica com alta resolução, permitindo o cálculo em tempo real da potência gerada. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO Com a finalidade de validar os resultados funcionais dos subsistemas de controle e acionamento mecânico, demonstrando a correta implementação dos procedimentos descritos na metodologia. Em seguida, a seção de discussão interpreta esses achados, avaliando o desempenho do protótipo e a importância desses resultados preliminares para as etapas subsequentes de testes de campo e coleta de dados de geração de energia. 3.1 Desenvolvimento do protótipo para Estimativa de Geração de Placa Fotovoltaica em Função das Condições Climáticas Esta seção detalha o processo de criação e as características do protótipo desenvolvido para a estimativa da geração de energia fotovoltaica, considerando as condições climáticas. Abrangendo à descrição da estrutura física, a montagem mecânica e a integração dos componentes eletrônicos. A busca por métodos mais eficientes de captação de energia solar tem se intensificado nas últimas décadas, impulsionada pela necessidade de fontes renováveis e sustentáveis de energia. Nesse contexto, a correta angulação e orientação dos painéis solares desempenham um papel fundamental para maximizar a eficiência de conversão da radiação solar em energia elétrica. Com o intuito de aferir com precisão o potencial de geração fotovoltaica em diferentes condições de posicionamento, foi desenvolvido um protótipo capaz de monitorar e quantificar a energia produzida pelo painel solar em ângulos ideais de incidência, vale lembrar que o objetivo central deste projeto é analisar de forma sistemática o desempenho do painel em condições reais de operação, possibilitando a comparação entre diferentes posições e o ______________________________________________________________________ Anais do Congresso Brasileiro de Iniciação Científica Vol2 nº2 (2025) 561 (Ciências Exatas) alinhamento automático em relação à trajetória do sol. Dessa forma, busca-se obter dados confiáveis que subsidiem estudos sobre otimização de sistemas de rastreamento solar, contribuindo para o aprimoramento da eficiência energética em aplicações práticas. a) Definição da Estrutura do Protótipo A estrutura física do protótipo foi projetada para permitir o rastreamento da irradiação solar em dois eixos: azimutal (horizontal) e de elevação (vertical). O sistema é constituído por uma base circular de MDF, que serve de alicerce para toda a montagem. Sobre essa base, um disco giratório, também de MDF, é responsável pelo controle do eixo horizontal, sendo acionado por um motor de passo NEMA 17. Para otimizar o desempenho e reduzir a carga sobre este motor, uma roldana de rodízio de mesmo diâmetro foi integrada ao disco. Fixada a esse conjunto giratório, encontra-se uma armação em hastes de acrílico que atua como suporte principal para a placa solar. O controle do eixo vertical é efetuado por um segundo motor de passo NEMA 17, diretamente acoplado a este suporte de acrílico. O comando de ambos os motores é gerenciado por drivers A4988, que interpretam os sinais enviados pelo microcontrolador ESP32. Para o monitoramento da eficiência do sistema, foi incorporado um sensor INA219, que possibilita a medição precisa da corrente gerada pela placa solar. As dimensões dos principais componentes são detalhadas a seguir e na figura 01, foram apresentadas as peças em questão. • Base: 25,3 cm de diâmetro e 6 cm de altura; • Estrutura de Acrílico: 9,4 cm x 26 cm, com 12,4 cm de altura; • Disco de MDF: 18,5 cm de diâmetro; • Roldana de Rodízio: 18,5 cm de diâmetro. ______________________________________________________________________ Anais do Congresso Brasileiro de Iniciação Científica Vol2 nº2 (2025) 562 (Ciências Exatas) Figura 1: Montagem do Protótipo Considerando que se trata de um protótipo destinado à validação de conceitos em ambiente controlado, sua operação requer exposição à luz solar para viabilizar os testes de geração fotovoltaica. Todavia, devido à sua construção com materiais como o MDF e componentes eletrônicos expostos, o protótipo é vulnerável a intempéries, devendo ser mantido em condições secas e protegido de chuva ou umidade excessiva. b) Montagem Mecânica A montagem mecânica do protótipo foi executada de maneira sequencial e controlada, assegurando o alinhamento preciso dos componentes estruturais e a integridade do conjunto. O processo iniciou-se com a fixação da base circular em MDF, que confere sustentação a toda a estrutura e garante estabilidade durante a operação. Subsequentemente, instalou-se o disco de MDF com roldana de rodízio, acoplado ao centro da base. Este componente tem a função de reduzir o atrito e, consequentemente, o esforço do motor responsável pelo movimento do eixo horizontal, o que proporciona maior suavidade à rotação do conjunto e diminui as cargas aplicadas ao sistema de acionamento. Sobre o disco, foi montada a estrutura de acrílico, projetada para suportar a placa fotovoltaica e o motor de controle do eixo vertical. Os motores de passo NEMA 17 foram posicionados lateralmente e acoplados com precisão aos eixos de rotação, garantindo o controle independente dos movimentos horizontal e vertical. Os drivers A4988 e o microcontrolador ESP32 foram fixados na parte inferior da base, com a fiação devidamente organizada para evitar interferências nos movimentos do sistema. A seleção de ______________________________________________________________________ Anais do Congresso Brasileiro de Iniciação Científica Vol2 nº2 (2025) 563 (Ciências Exatas) materiais leves e resistentes, como MDF e acrílico, resultou em uma estrutura mecanicamente equilibrada e de fácil manutenção. Ao final da montagem, o protótipo apresentou uma montagem precisa e organizada, rigidez estrutural adequada e funcionamento estável. O resultado (figura 02) evidencia a integração eficiente entre os componentes estruturais e eletromecânicos, confirmando a viabilidade da solução proposta para a pesquisa. Figura 2: Protótipo montado c) Montagem do Circuito Eletrônico O circuito foi montado por meio de interligações diretas entre o microcontrolador ESP32, os drivers A4988 e os motores de passo, com o sensor INA219 posicionado em série com a saída do módulo fotovoltaico, conforme a figura 3. A lógica de controle do protótipo é gerenciada pelo ESP32, que envia os sinais de comando aos dois drivers de motor. Estes, por sua vez, atuam como interface de potência para o acionamento dos motores NEMA 17. O monitoramento da performance do sistema é realizado pelo sensor, integrado ao circuito com o propósito de medir com precisão a corrente gerada pelo painel fotovoltaico. Tal arranjo permite que o sistema realize medições instantâneas e transmita os dados para armazenamento, garantindo assim a confiabilidade e a integridade das informações coletadas. ______________________________________________________________________ Anais do Congresso Brasileiro de Iniciação Científica Vol2 nº2 (2025) 564 (Ciências Exatas) Figura 3: Componentes do Circuito Eletrônico 3.2 Desenvolvimento do Software de Controle O núcleo operacional do protótipo é governado por um firmware desenvolvido integralmente em linguagem C++ para a plataforma do microcontrolador ESP32. A concepção do software foi orientada para duas funcionalidades críticas e simultâneas: o controle preciso do posicionamento do painel fotovoltaico e a aquisição contínua dos dados de geração de energia. Para a gestão do sistema de acionamento, o software envia sinais de comando diretamente aos drivers A4988, que, por sua vez, gerenciam os dois motores de passo NEMA 17. Essa arquitetura de controle permite o posicionamento biaxial do módulo, ajustando com exatidão tanto o eixo azimutal (rotação horizontal) quanto o de elevação (inclinação vertical). Dessa forma, o firmware garante que o painel seja orientado com precisão para diferentes ângulos de incidência solar, uma função essencial para a análise de desempenho proposta neste estudo. Paralelamente ao comando dos motores, o software estabelece interface com o sensor de corrente e tensão INA219. Foram implementadas rotinas para realizar leituras em tempo real dos parâmetros elétricos na saída do módulo fotovoltaico. Os dados de tensão e corrente coletados são processados diretamente pelo microcontrolador para o cálculo da potência instantânea gerada. Utilizando as capacidades de nativas do ESP32, o firmware foi projetado para transmitir essas informações para um banco de dados em nuvem, assegurando o