Sistema de monitoramento remoto de energia de sistemas termossolares

Resumo

O uso apropriado das fontes de energia disponíveis, para atender as demandas do setor residencial e industrial, é uma necessidade dos consumidores. Dependendo do tipo de aplicação, tais demandas de calor de processo podem ser atendidas por fontes renováveis de energia, como a energia solar. No caso de residências com demandas de energia para aquecimento de água para banho, os sistemas termossolares têm se apresentado como uma alternativa viável, no entanto, seu uso não é amplamente empregado em construções antigas devido às restrições dos prédios, que não disponibilizam tubulação para água quente (1). Por outro lado, a inserção dessa tecnologia tende a crescer devido aos programas incentivados pelo Governo Brasileiro, como o Minha Casa Minha Vida. Em relação ao setor industrial, com demandas para aquecimento de água nos processos fabris, esse tipo de sistema se apresenta como fonte de energia complementar aos sistemas convencionais de energia, pois, nesse processo, a demanda de energia não poderá ser completamente suprida pela fonte renovável. Apesar das vantagens, essa fonte de energia não é amplamente difundida devido ao desconhecimento por parte de empresários e às dificuldades de financiamento. Nesse sentido, existe um esforço para disseminar a tecnologia através de parceiros internacionais e organizações locais (2,3). Assim como em qualquer sistema que precisa de energia para funcionar, a medição da energia consumida é um parâmetro importante para otimizar os processos, visando diminuir custos, que, no caso da energia termossolar, está associado aos gastos com instalação, operação e manutenção (4). Por outro lado, devido à variação diária do recurso solar, a medida da quantidade de energia entregue pelo sistema termossolar é importante para comparar com as premissas do projeto de engenharia, e, dessa forma, aprimorar os métodos de dimensionamento (5,6). O presente projeto tem como objetivo a construção de um dispositivo de baixo custo para o monitoramento remoto de variáveis de sistemas termossolares, tais como temperatura e vazão, para calcular a quantidade de energia gerada. Para tal fim, foi desenvolvida uma planta de processo com instrumentação de custo reduzido, e foi estabelecida a relação entre as variáveis termodinâmicas. Esses parâmetros são de fundamental importância para quantificar os benefícios do uso da energia termossolar. A “Planta d'Água”, como foi denominada, é composta basicamente por três estágios, intitulados como: Bombeamento, Estação de Aquecimento e Armazenamento. O primeiro estágio é composto por um motor DC de 12V. reaproveitado de uma impressora sucateada, adaptado para ser uma bomba d'água com as pás feitas de tampas de recipiente plástico. A Estação de Aquecimento, responsável por adicionar energia térmica ao sistema, ou seja, simulando a atuação da radiação solar, fica localizada a 35 cm acima da bomba, na região central do esquema, e foi confeccionada com parte da resistência de um chuveiro elétrico de 4400 W, equivalente ao modo “inverno” desse equipamento, com o valor aproximado de 11 Ω. Além disso, uma garrafa de plástico foi utilizada para alojar todos os periféricos dessa etapa. O terceiro estágio simula um tanque de armazenamento de água, alimentando a fase de Bombeamento e recebendo a descarga da Estação de Aquecimento, fechando, dessa forma, o ciclo de operação. Essa etapa é feita de material plástico reaproveitado de um recipiente com capacidade máxima de 4 L, porém, apenas 1/4 da capacidade foi utilizado devido às limitações estruturais do sistema. Todos os periféricos necessários para interligar os estágios foram feitos de partes de garrafa PET e mangueiras de 1/2 polegada. A instrumentação empregada para o monitoramento de temperatura e vazão, foram, respectivamente, dois termistores com Coeficiente de Temperatura Negativo (NTC) do tipo sonda para líquidos de 10kΩ com faixa de medição de -20°C a 105°C e um sensor de fluxo do tipo cobre G1/2 YF-B8 de DC 3-18V e faixa de 1-30 L/min, fixado após o estágio de Bombeamento. Além do baixo custo, a escolha dos NTC’s deve-se ao fato de apresentarem alta sensibilidade e resolução para medições de temperatura (7), enquanto que o sensor de fluxo escolhido é um modelo de fácil implementação, pois utiliza um sensor de efeito hall para verificação do período e variação do campo elétrico e, com isso, oferece o valor da vazão (8). O sistema de monitoramento remoto coleta as informações dos sensores usando um ESP32 Wrover-b SIM800L T-Call alimentado por uma bateria de lítio recarregável 18650 de 4.2V, em conjunto com um módulo TP4056, adequado para baterias de íon de lítio por conter um sistema de gerenciamento de bateria integrado (9), proporcionando, assim, segurança e autonomia ao embarcado. A instrumentação foi condicionada numa caixa desenhada usando o software Tinkercad e impressa utilizando a tecnologia da prototipagem 3D. Nesse ponto, o material utilizado foi o PLA, um polímero termoplástico biodegradável de origem natural, e a impressão feita pela máquina do tipo Ender 3 de 32 bits. Para que o monitoramento via World Wide Web (Web) ou General Packet Radio Service (GPRS) fosse possível, uma plataforma de desenvolvimento para prototipação, implantação e gerenciamento remoto de dispositivos eletrônicos em IoT chamado Blynk foi agregada ao projeto. Os resultados apontam que, devido ao sistema de monitoramento projetado neste trabalho e a instalação completa da Planta d’Água, foi possível verificar uma vazão máxima de aproximadamente 0,0083 L/s, além de uma elevação média de 1,9°C na temperatura da água quando a Estação de Aquecimento é acionada por cerca de 1,42 s. Dessa forma, o presente projeto mostra-se não apenas como uma alternativa de baixo custo viável para realização do monitoramento remoto de sistemas termossolares, mas também como uma oportunidade para o graduando de engenharia adquirir habilidades e competências essenciais no que diz respeito aos desafios da Indústria 4.0.