Arquitetura
Análise do Consumo
Especificação dos Componentes Eletrônicos
Para dimensionar adequadamente o sistema de alimentação, é essencial calcular o consumo de energia dos demais subsistemas, considerando os equipamentos empregados e suas potências operacionais.
Como grande parte desses componentes opera de maneira intermitente, também é crucial avaliar com que frequência cada sistema é acionado.
Os principais componentes necessários para a armadilha e que consomem energia foram listados na tabela abaixo. Os dados técnicos fundamentais para o cálculo da energia necessária para alimentar o sistema foram obtidos dos seus respectivos datasheets.
| Item | Quantidade | Tensão nominal (V) | Corrente nominal (A) | Potência (W) | Tempo de funcionamento em um dia (horas) | Energia demandada (Wh) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Raspberry PI4 | 1 | 5 | 1,5 | 7,5 | 12 | 90 |
| Ventoinha 50x50x15mm | 2 | 12 | 0,3 | 7,2 | 3 | 21,6 |
| Sensor temperatura/umidade - DHT11 | 1 | 5 | 0,001 | 0,005 | 12 | 0,06 |
| Microfone – LNMP441 | 1 | 3,3 | 0,0022 | 0,00726 | 12 | 0,08712 |
| Módulo relê 2 vias | 1 | 5 | 0,02 | 0,1 | 12 | 1,2 |
| Anel LED WS2812B | 12* | 5 | 0,02 | 1,6 | 12 | 14,4 |
| Led 5mm | 3 | 3 | 0,02 | 0,18 | 12 | 2,16 |
| Câmera 5MP | 1 | 5 | 0,25 | 1,25 | 12 | 15 |
| Total | - | - | 4,19 | 17,44 | - | 144,51 |
* anel contém 12 leds
Tabela 1: Demanda energética dos componentes
Sistema Isolado com Bateria e Painel Solar
Para o sistema isolado, optou-se pelo uso de bateria, garantindo uma corrente contínua. A alimentação será feita por um painel fotovoltaico, com energia passando antes por um controlador de carga solar.
Essa configuração permite o funcionamento independente de rede elétrica e dispensa o carregamento manual das baterias. Para a conexão com o sistema eletrônico, foram utilizados 2 reguladores de tensão do tipo Step Down responsáveis por reduzir os 12v da bateria para 5V, sendo um destinado à alimentação da Raspberry e outro aos demais componentes. Adicionalmente, utilizou-se um regulador de 12V para 3V, para a ligação dos LEDs.
Diante disso, é necessário conhecer o tempo de operação dos componentes e a energia consumida diariamente, a fim de verificar se a configuração escolhida da bateria é suficiente, mesmo em casos de falha na geração de energia, como em períodos nublados ou sem irradiação solar.
Dimensionamento da Bateria
Para o projeto da armadilha, as baterias selecionadas foram dimensionadas com base na tensão máxima de operação do projeto, que é de 12V. Considerando esse parâmetro, optou-se por utilizar uma bateria com uma tensão total de 12V e uma capacidade de 18 Ah, atendendo às necessidades do sistema.
Cálculo da Autonomia
Para calcular o tempo de funcionamento do sistema sendo alimentado pelo conjunto de baterias no período da noite quando não tiver incidência solar, usa-se a seguinte fórmula:
Essa equação considera a tensão, a capacidade nominal da bateria e a eficiência do sistema, permitindo validar se a energia acumulada é suficiente para sustentar os dispositivos até a próxima recarga solar.
Sistema de Geração
Como visto, optou-se pela utilização de uma bateria integrada a um sistema de geração off-grid com painéis fotovoltaicos, permitindo o funcionamento contínuo do projeto sem a necessidade de recarga manual.
Para isso, é fundamental analisar a incidência solar no local em que a armadilha será utilizada. Considerando a região de Brasília, com as coordenadas -15.9897621, -48.0445571, obteve-se que a irradiação solar média diária é de 5,25 kWh/m².
Todo o projeto opera em corrente contínua, o que elimina a necessidade de um microinversor. No entanto, para garantir maior segurança no gerenciamento da geração e do consumo de energia, optou-se pela utilização de um controlador de carga. Esse dispositivo regula o fluxo de corrente, evitando, por exemplo, que haja retorno de energia da bateria para o painel durante a noite, quando a tensão da bateria supera a do painel.
Considerando as dimensões do sistema, foi escolhido um controlador de carga do tipo solar PMW, projetado para sistemas fotovoltaicos de 12V, capaz de ajustar a potência mantendo constante o valor da corrente de entrada.
Sistema de Proteção
Para garantir a segurança e a integridade dos componentes do sistema fotovoltaico, foram implementados dois disjuntores monopolares de 10A e um disjuntor bipolar de 25A, posicionados nos circuitos de entrada e saída do controlador de carga.
Dois disjuntores estão instalados entre o painel solar e o controlador de carga — um no condutor positivo e outro no negativo — com a função de interromper o circuito em caso de sobrecorrente, curtos-circuitos ou para permitir manutenções preventivas. Essa proteção abrange tanto o controlador quanto o painel solar.
Disjuntor 10A (Painel → Controlador)
- Número de polos: 1
- Tensão nominal: 220 V
- Corrente nominal: 10 A
- Frequência nominal: 60 Hz
- Elemento de proteção: termomagnético
- Capacidade máxima de interrupção: 4,5 kA
- Acionamento: Sobrecorrente
- Curva de atuação (disparo): C
Outro disjuntor foi instalado entre a bateria e o controlador, garantindo que qualquer anormalidade, como corrente excessiva durante o carregamento ou falhas internas na bateria, possa ser rapidamente isolada. Essa configuração proporciona dupla proteção, permitindo intervenções seguras e evitando danos aos equipamentos ou instabilidade no funcionamento da armadilha.
Disjuntor 25A (Bateria → Controlador)
- Número de polos: 2
- Tensão nominal: 220 V
- Corrente nominal: 25 A
- Frequência nominal: 60 Hz
- Elemento de proteção: termomagnético
- Capacidade máxima de interrupção: 6 kA
- Acionamento: Sobrecorrente
- Curva de atuação (disparo): C
Dimensionamento dos Condutores
O dimensionamento dos condutores foi realizado com base nos seguintes requisitos:
- Norma ABNT NBR 16690
- Tensão e corrente do sistema: considerando o gerador fotovoltaico de 45W e as condições de operação em sistema off-grid
- Queda de tensão máxima permitida:
- Até 3% para circuitos de geração
- Até 5% para circuitos de carga
1. Cálculo da Corrente do Sistema
Sistema de 12V:
I = P / V = 45W / 12V = 3,75 A
Aplicando uma margem de segurança de 25%:
Iprojeto = 3,75 A × 1,25 = 4,69 A
2. Cálculo da Queda de Tensão
Para cabo de 1,5 mm²:
ΔV = 2 × R × I × L
ΔV = 2 × 0,0121 Ω/m × 4,69 A × 3 m = 0,340 V
% Queda = (0,340 V / 12 V) × 100 = 2,83%
Para cabo de 2,5 mm²:
ΔV = 2 × 0,00741 Ω/m × 4,69 A × 3 m = 0,209 V
% Queda = (0,209 V / 12 V) × 100 = 1,74%
3. Comparativo de Queda de Tensão
| Seção (mm²) | Queda de Tensão (V) | % Queda | Atende à Norma? |
|---|---|---|---|
| 1,5 | 0,340 | 2,83% | Sim |
| 2,5 | 0,209 | 1,74% | Sim |
Concluímos que 3 metros de cabo com seção de 1,5 mm² já atendem à exigência da NBR 5410, que recomenda uma queda de tensão inferior a 3% para sistemas fotovoltaicos. Mesmo assim, optou-se pela utilização de cabos de 2,5 mm² para garantir uma maior margem de segurança, especialmente em casos de expansão futura do sistema ou aumento do comprimento dos condutores.
Lista de Componentes e Orçamento
| Energia | Quantidade | Preço Total |
|---|---|---|
| Bateria Pioneiro | 1 | R$ 339,00 |
| Placa Solar KC45 - 45 W | 1 | R$ 110,58 |
| Controlador de Carga PMW | 1 | R$ 96,00 |
Construção
A implementação do projeto foi iniciada com a aquisição dos componentes e testagem de forma individual. Para verificar o funcionamento da proteção contra descarga profunda do controlador de carga, foram realizados testes práticos. Antes da conexão ao controlador, foi realizado um teste com a bateria utilizando um multímetro digital, e constatou-se que ela estava com descarga significativa, pois o instrumento apresentou dificuldade para a leitura do valor de tensão.
Em seguida, conectou-se essa bateria ao controlador de carga, e o visor não ligou, indicando que a tensão estava abaixo do limite mínimo de operação e que a saída para as cargas estava corretamente bloqueada. Posteriormente, foi utilizada uma bateria levemente carregada, o que permitiu o acionamento do visor e a liberação da saída.
Para confirmar a passagem de energia, conectou-se um conjunto de carga composto por quatro resistores de potência, observando-se seu aquecimento e funcionamento normal. O teste demonstrou que o controlador está operando conforme esperado, com atuação adequada das proteções e liberação da saída em condições seguras.
Em relação ao teste da placa, este foi feito com o uso de um multímetro para verificar se a placa estava gerando energia. Após o teste inicial, constatou-se que a primeira placa não estava gerando, sendo necessário ser substituída. A substituta, por sua vez, apresentou estabilidade na medição, 11 V, e esta então foi acoplada ao sistema e utilizada.
Após a realização dos testes individuais dos componentes, eles foram integrados ao sistema funcionando de maneira adequada. Com isso, foi possível verificar o fornecimento de energia para os reguladores de tensão, obtendo os resultados esperados.
Figura 01: Teste de medição de tensão CC da bateria.
Figura 02: Teste de medição de tensão CC do módulo solar.
Figura 03: Teste de medição de tensão CC do stepdown.
Figura 04: Sistema montado em operação.
Figura 05: Sistema montado em operação.
Alternativa com Fonte Conectada à Rede Elétrica
Como alternativa ao sistema isolado com painel fotovoltaico, propõe-se uma configuração utilizando alimentação por fonte conectada à rede elétrica.
Nesse arranjo, a fonte converte a tensão alternada da tomada de 220V (AC) para 12V em corrente contínua (DC), compatível com a tensão de operação do sistema.
A saída da fonte de 12V alimenta diretamente a bateria, por meio de um controlador de carga, que gerencia o carregamento de forma segura, evitando sobrecargas ou descargas profundas. A bateria continua atuando como reserva de energia, garantindo o funcionamento do sistema em casos de queda de energia da rede.
Para os sensores e dispositivos eletrônicos que operam com 5V, mantém-se o uso de um regulador de tensão Step Down, que converte a tensão de 12V da bateria para os 5V necessários.
Essa configuração é uma opção viável para ambientes internos ou locais onde o acesso à rede elétrica seja possível, oferecendo maior previsibilidade no fornecimento de energia e simplificando o controle do carregamento da bateria.
Diagrama Unifilar
Figura 06: Diagrama unifilar representando a distribuição elétrica do sistema, incluindo painel solar, controlador de carga, bateria e dispositivos consumidores.
Histórico de Versão
| Versão | Descrição | Data | Responsável |
|---|---|---|---|
| 1.0 | Criação do documento | 02/05/2025 | Emerson Batista Freire e Gabriela Neves Onives Dias |
| 2.0 | Atualização do documento | 30/05/2025 | Emerson Batista Freire e Gabriela Neves Onives Dias |
| 3.0 | Atualização do documento | 17/07/2025 | Emerson Batista Freire e Gabriela Neves Onives Dias |