ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DA BATERIA UTILIZADA EM … · universidade estadual paulista “jÚlio de mesquita filho” faculdade de ciÊncias agronÔmicas campus de botucatu anÁlise

UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO” FACULDADE DE CIÊNCIAS AGRONÔMICAS

CAMPUS DE BOTUCATU

ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DA BATERIA UTILIZADA EM SISTEMAS FOTOVOLTAICOS DE PEQUENO PORTE

JOSÉ RENATO CASTRO POMPÉIA FRAGA

Tese apresentada à Faculdade de Ciências Agronômicas da UNESP - Campus de Botucatu, para obtenção do título de Doutor em Agronomia - Área de Concentração em Energia na Agricultura.

BOTUCATU-SP Julho - 2009

UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO” FACULDADE DE CIÊNCIAS AGRONÔMICAS

CAMPUS DE BOTUCATU

ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DA BATERIA UTILIZADA EM SISTEMAS FOTOVOLTAICOS DE PEQUENO PORTE

JOSÉ RENATO CASTRO POMPÉIA FRAGA

Orientador: Prof. Dr. José Angelo Cagnon

Tese apresentada à Faculdade de Ciências Agronômicas da UNESP - Campus de Botucatu, para obtenção do título de Doutor em Agronomia - Área de Concentração em Energia na Agricultura.

BOTUCATU-SP Julho – 2009

À meus amados pais

Renato e Maria Lucia

À minha inestimável e querida esposa

Maria Cristina

Aos meus queridos filhos Thiago, Thais e Mariana

dedico este trabalho

AGRADECIMENTOS

Em primeiro lugar a Deus, pela graça recebida.

Ao Professor e amigo Dr. José Angelo Cagnon, pela orientação, dedicação, determinação,

ensinamentos e inestimável ajuda na condução desta pesquisa.

Aos professores e funcionários do Departamento de Engenharia Rural da Faculdade de

Ciências Agronômicas da Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” – Campus

de Botucatu – SP.

Ao Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves, do Departamento de Engenharia Elétrica da Faculdade de

Engenharia de Bauru da Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” – Campus

de Bauru – SP, amigo e companheiro nessa jornada.

Ao Prof. Dr. Pedro da Costa Junior, do Departamento de Engenharia Elétrica da Faculdade de

Engenharia de Bauru da Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” – Campus

de Bauru – SP, amigo que muito me contribuiu com sua ajuda e sugestões.

Ao Técnico de Apoio Acadêmico Osmar Luis Martinelli, do Departamento de Engenharia

Elétrica da Faculdade de Engenharia de Bauru da Universidade Estadual Paulista “Júlio de

Mesquita Filho” – Campus de Bauru – SP , pelo auxílio nas montagens e reparos nos

equipamentos.

Ao meu aluno Henrique Geraldo, pelo grande auxílio na preparação e configuração do

experimento .

Aos demais amigos que colaboraram direta ou indiretamente na elaboração desta pesquisa.

À Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo – FAPESP pelo apoio financeiro

para a realização do presente trabalho.

V

SUMÁRIO

1 RESUMO ............................................................................................................................1

2 INTRODUÇÃO...................................................................................................................5

3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA............................................................................................8

3.1 Baterias de chumbo-ácido. ........................................................................................10 3.1.1 Baterias em Sistemas Fotovoltaicos. .................................................................15 3.1.2 Determinação da Carga .....................................................................................16

Considerações Gerais.........................................................................................16 Dados da Carga ..................................................................................................17

3.1.3 Análise de Dados ...............................................................................................19 Ampere-Hora .....................................................................................................19 Correntes ............................................................................................................19 Capacidade da Bateria e Determinação da Taxa Hora-Funcional .....................19 Capacidade Não Ajustada ..................................................................................20

3.1.4 Seleção do Tipo de Bateria................................................................................20 Ajustes de Capacidade .......................................................................................20

3.1.5 Taxa Hora-Funcional.........................................................................................21 3.1.6 Determinação do Número de Células Conectadas em Série .............................22 3.1.7 Tensão Nominal do Sistema..............................................................................22 3.1.8 Janela de Tensão................................................................................................22 3.1.9 Calculando o Número de Células Conectadas em Série....................................23

Número Máximo de Células ..............................................................................23 Tensão Mínima do Sistema Versus Tensão de Descarga Final .........................23

3.2 Modelos Elétricos Equivalentes de Baterias .............................................................23 Fatores que Determinam a Capacidade da Bateria ............................................23 Resistência interna .............................................................................................23 Tipo de Descarga: ..............................................................................................24 Modo de descarga: .............................................................................................24 Taxa de Carga/Descarga: ...................................................................................24

3.2.1 Modelos de Bateria............................................................................................25 Modelo de Bateria Simplificado ........................................................................25 Modelo de Bateria Modificado ..........................................................................25 Modelo de Thevenin da bateria..........................................................................26 Modelo Dinâmico da Bateria .............................................................................27 Modelo Dinâmico de Quarta Ordem..................................................................27 Modelo de Sobrecorrente da Bateria..................................................................28

3.3 Energia Solar Fotovoltaica ........................................................................................29 3.3.1 Componentes de um Sistema Solar Fotovoltaico ..............................................32 3.3.2 Eficiência do silício e de outros materiais .........................................................33 3.3.3 Características elétricas dos módulos fotovoltaicos: .........................................34 3.3.4 Sistemas fotovoltaicos de geração de energia elétrica.......................................34

VI

3.3.5 Radiação Solar – Posicionamento do Sol ..........................................................35 3.3.6 Dispositivos de Posicionamento Solar (“Tracking”).........................................38

3.4 Controlador de Carga.................................................................................................44 3.4.1 Tipos de Controladores de Carga ......................................................................46 3.4.2 Detalhamento das Características e Funções.....................................................48 3.4.3 Controladores de Carga Baseados em Tensão...................................................52 3.4.4 Características Ideais para Uso em Sistemas Fotovoltaicos..............................54

4 MATERIAS E MÉTODOS...............................................................................................56

4.1 Laboratório de Campo...............................................................................................56 4.1.1 Composição do sistema experimental ...............................................................59

4.2 Definição da carga. ....................................................................................................62 4.2.1 Diagrama em Blocos .........................................................................................63 4.2.2 Circuito Eletrônico ............................................................................................65 4.2.3 Descrição de Funcionamento.............................................................................66

4.3 Simulação Computacional.........................................................................................68 4.3.1 Modelo de Baterias Chumbo-Ácido..................................................................69

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES.....................................................................................85

6 CONCLUSÕES...............................................................................................................131

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................134

VII

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Modos de operação da bateria ...........................................................................................12

Figura 2 - Capacidade disponível de uma bateria. .............................................................................13

Figura 3 - Modelo de bateria simplificado. ........................................................................................25

Figura 4 - Modelo de Thevenin da bateria. ........................................................................................26

Figura 5 - Modelo dinâmico de quarta ordem....................................................................................28

Figura 6 - Modelo de sobrecorrente da bateria. .................................................................................29

Figura 7 - Configuração Básica de um Sistema Fotovoltaico Isolado. ..............................................35

Figura 8 - Configuração Sistema Fotovoltaico de Geração de Energia Elétrica................................35

Figura 9 - Definição do ângulo de declinação (δ). .............................................................................37

Figura 10 - Definição dos ângulos de posicionamento α e θs. ...........................................................38

Figura 11 – Diagrama do sistema experimental (ALVES ET AL., 2008). ........................................41

Figura 12 – Fluxograma do Programa de controle de aquisição de dados do sistema de

posicionamento automático proposto por Alves (2008)..................................................42

Figura 13 – Dados médios de geração de energia e ganho do sistema móvel. (Fonte: Alves, 2008) 44

Figura 14 – Regulador shunt com LVD opcional. .............................................................................47

Figura 15 – Regulador série com LVD opcional. ..............................................................................47

Figura 16 – Laboratório de campo. ....................................................................................................57

Figura 17 – Armários. ........................................................................................................................58

Figura 18 – Transdutores de tensão e corrente...................................................................................60

Figura 19 – Controlador de Carga e Descarga ...................................................................................60

Figura 20 – Esquema do sistema de aquisição...................................................................................61

Figura 21 – Fluxograma do Programa de aquisição de dados ...........................................................62

Figura 22 - Diagrama em Blocos de um Módulo de Potência. ..........................................................64

Figura 23 - Circuito Eletrônico de um Módulo de Potência. .............................................................65

Figura 24 – Carga Eletrônica Dinãmica. ............................................................................................67

Figura 25 – Exemplo de curvas da carga dinâmica...........................................................................68

Figura 26 – Modelo simplificado de bateria de chumbo-ácido..........................................................70

Figura 27 – Modelo da bateria no PSPICE. .......................................................................................72

VIII

Figura 28 – Esquema completo do Modelo. ......................................................................................73

Figura 29 – Evolução do SOC do modelo da bateria, no modo de carga. ........................................78

Figura 30 – Evolução do SOC normalidado, para 0 < SOCn < 1. .....................................................80

Figura 31 – Evolução do SOC do modelo da bateria, no modo de descarga. ...................................82

Figura 32 – Evolução do SOC normalizado.......................................................................................83

Figura 33 – Evolução do SOC para diferentes valores de k...............................................................84

Figura 34 – Curva de carga da bateria................................................................................................86

Figura 35 – Curva de descarga da bateria. .........................................................................................86

Figura 36 – Tensão nos terminais da bateria coletada para o caso 1. ................................................87

Figura 37 – Corrente na bateria coletada para o caso 1. ....................................................................88

Figura 38 – Corrente na Carga, coletada para o caso 1......................................................................88

Figura 39 – Radiação solar e Temperatura nos painéis, coletadas para o caso 1...............................90

Figura 40 – Tensão Média nos terminais da bateria para o caso 1.....................................................91

Figura 41 – Corrente Média na bateria para o caso 1.........................................................................91

Figura 42 – Potência Instantânea na bateria para o caso 1.................................................................92

Figura 43 – Potência Média na bateria para o caso 1.........................................................................92

Figura 44 – Relação percentual entre a tensão bateria Fixo/Móvel (Fixo como referência). ............93

Figura 45 – Potência fornecida pela bateria. ......................................................................................94

Figura 46 – Potência consumida pela bateria.....................................................................................94

Figura 47 – Radiação solar e Temperatura nos painéis, coletadas para o caso 2...............................95

Figura 48 – Tensão nos terminais da bateria coletada para o caso 2. ................................................97

Figura 49 – Tensão Média nos terminais da bateria para o caso 2.....................................................98

Figura 50 – Corrente na bateria coletada para o caso 2. ....................................................................98

Figura 51 – Corrente Média na bateria para o caso 2.........................................................................99

Figura 52 – Potência na bateria para o caso 2. ...................................................................................99

Figura 53 – Potência Média na bateria para o caso 2.......................................................................100

Figura 54 – Relação percentual entre a tensão bateria Fixo/Móvel (Fixo como referência). ..........101

Figura 55 – Potência fornecida pela bateria. ....................................................................................101

Figura 56 – Potência consumida pela bateria...................................................................................102

Figura 57 – Corrente na carga para o caso 3. ...................................................................................103

Figura 58 – Tensão nos terminais da bateria para o caso 3..............................................................103

IX

Figura 59 – Tensão Média nos terminais da bateria para o caso 3...................................................104

Figura 60 – Corrente na bateria coletada para o caso 3. ..................................................................106

Figura 61 – Corrente Média na bateria para o caso 3.......................................................................106

Figura 62 – Potência na bateria para o caso 3. .................................................................................107

Figura 63 – Potência Média na bateria para o caso 3.......................................................................107

Figura 64 – Radiação solar e Temperatura nos painéis, coletadas para o caso 3.............................108




Figura 68 – Tensão nos terminais da bateria coletada para o caso 4. ..............................................110


Figura 70 – Tensão média na bateria coletada para o caso 4. ..........................................................112

Figura 71 – Corrente Média na bateria para o caso 4.......................................................................113

Figura 72 – Potência instantânea na bateria coletada para o caso 4.................................................113

Figura 73 – Potência média na bateria coletada para o caso 4. ........................................................114




Figura 77 – Tensão na bateria coletada para o caso 5. .....................................................................117


Figura 79 – Corrente na carga para o caso 5. ..................................................................................118

Figura 80 – Potência instantânea na bateria coletada para o caso 5.................................................118

Figura 81 – Tensão média na bateria coletada para o caso 5. ..........................................................120

Figura 82 – Corrente média na bateria coletada para o caso 5.........................................................120

Figura 83 – Potência média na bateria coletada para o caso 5. ........................................................122




Figura 87 – Características das correntes nos painéis e radiação solar(Fonte: Alves, 2008)...........125

Figura 88 – Características das correntes nos painéis e radiação solar. (Fonte: Alves, 2008).........126

Figura 89 – Radiação e correntes coletadas em dia com alta .nebulosidade....................................127

X

Figura 90 – Comparação das correntes no painel solar e na bateria ................................................127

Figura 91 – Radiação e correntes coletadas em dia com alta .nebulosidade....................................128

Figura 92 – Comparação das correntes no painel solar e na bateria ................................................128

XI

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Dados médios de geração de energia elétrica. (Fonte: Alves, 2008) ...............................43

Tabela 2 – Especificações para um controlador de carga.(Fonte: CRESESB, 1999) ........................53

Tabela 3 – Parâmetros elétricos coletados para o caso 1. ..................................................................89

Tabela 4 – Energia Gerada/Consumida nas baterias dos dois sistemas. ............................................95

Tabela 5 – Parâmetros elétricos coletados para o caso 2. ..................................................................96

Tabela 6 – Energia Gerada/Consumida nas baterias dos dois sistemas. ..........................................102

Tabela 7 – Parâmetros elétricos coletados para o caso 3. ................................................................105

Tabela 8 – Energia Gerada/Consumida nas baterias dos dois sistemas. ..........................................110

Tabela 9 – Parâmetros elétricos coletados para o caso 4. ................................................................111

Tabela 10 – Energia Gerada/Consumida nas baterias dos dois sistemas. ........................................116

Tabela 11 – Parâmetros elétricos coletados para a situação de carga da bateria para o caso 5........119

Tabela 12 – Parâmetros elétricos coletados para a situação de descarga da bateria para o caso 5. .121

Tabela 13 – Energia Gerada/Consumida nas baterias dos dois sistemas. ........................................124

Tabela 14 – Valores médios obtidos e calculados neste trabalho. ...................................................129

Tabela 15 – Relação da energia e radiação média com a nebulosidade para ambos painéis. ..........130

XII

LISTA DE QUADROS

Quadro 1 – Rotina no matlab para o primeiro projeto do modelo da bateria............................ 77

Quadro 2 – Rotina no matlab para um SOC normalizado da bateria........................................ 79

Quadro 3 – Rotina no matlab para a segundo projeto da bateria .............................................. 81

Quadro 4 – Rotina no matlab para um SOC normalizado da bateria........................................ 82

XIII

LISTA DE EQUAÇÕES

Equação (1) – Reação química na placa negativa da bateria .................................................... 11

Equação (2) – Reação química na placa positiva da bateria ..................................................... 11

Equação (3) – Reação química total.......................................................................................... 11

Equação (4) - Capacidade Energética da Bateria ...................................................................... 13

Equação (5) – Estado da Carga da Bateria ................................................................................ 14

Equação (6) – Fração de Descarga da Bateria........................................................................... 14

Equação (7) – Tensão na Bateria............................................................................................... 27

Equação (8) – Correção do horário solar .................................................................................. 40

Equação (9) – Correção do horário dentro do mesmo fuso....................................................... 40

Equação (10) – Correção do dia solar X dia terrestre ............................................................... 40

Equação (11) – Ângulos em graus para qualquer dia do ano.................................................... 40

Equação (12) – Ângulo do Azimute em graus .......................................................................... 40

Equação (13 – Ângulo de inclinação do painel em graus ......................................................... 41

Equação (16) – Tensão do modelo da bateria ........................................................................... 70

Equação (17) – Resistência do modelo da bateria..................................................................... 70

Equação (18) – Relação entre o estado atual de carga da bateria em relação ao máximo ........ 70

Equação (19) – Tensão nos terminais da bateria....................................................................... 70

Equação (20) – Tensão de descarga do modelo da bateria ....................................................... 70

Equação (21) – Resistência de descarga do modelo da bateria................................................. 70

Equação (22) – Tensão nos terminais da bateria....................................................................... 71

Equação (23) – Estado da Carga da bateria............................................................................... 73



Equação (26) – Estado da Carga da bateria na forma diferencial ............................................. 74

Equação (27) – Tensão na bateria em modo de carga............................................................... 74

Equação (28) – Relação entre os estados de carga.................................................................... 74

Equação (29) – Derivada da função estado de carga ................................................................ 74


XIV

Equação (31) – Laplace da função estado de carga .................................................................. 75




Equação (35) – Equação do estado de carga ............................................................................. 75

Equação (36) – Tensão na bateria em modo de descarga ......................................................... 75

Equação (37) – Relação entre os estados de carga.................................................................... 75







Equação (43) – Função estado de carga .................................................................................... 76

XV

LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS

Referência Descrição Unidade

δ Ângulo de Declinação graus

φ Ângulo de Latitude graus

sθ Ângulo de Zênite Solar graus

ω Ângulo Horário (ou Ângulo de Azimute) graus

Cx Capacidade da bateria, para uma taxa de descarga de x horas Ah

λ Comprimento de Onda µm

CPT Condições Padrão de Teste –

ISC Constante Solar (valor = 1367) W.m–2

CLP Controlador Lógico Programável –

ISCC Corrente de Curto Circuito (Short Circuit Current) A

IMP Corrente de Potência Máxima A

Icoinc Corrente de Regime Coincidente A

Incoinc Corrente de Regime Não Coincidente A

EOT Equação do Tempo (Equation Of Time) min

SOC Estado de carga da bateria Ah

SOCm Estado de Carga Máximo da bateria Ah

LCT Hora do Relógio Local (Local Clock Time) h

ts Hora Solar h

DST Horário de Verão (Daylight Savings Time) h

Io Irradiância Solar Extraterrestre W.m–2

Io,h Irradiância Solar Extraterrestre sobre superfície horizontal W.m–2

MPD Máxima Profundidade de Descarga da Bateria Ah

MPDD Máxima Profundidade de Descarga Diária da Bateria Ah

N Número do dia no ano Juliano (considerado ciclo anual) –

n Número do dia no ano Juliano (considerado ciclo quadrianual) –

LVD Ponto de Desconexão de Carga V

XVI

PM Potência Máxima do Painel Fotovoltaico Wp

DOD Profundidade de descarga na bateria Ah

Ho,h Radiação Solar Extraterrestre sobre superfície horizontal Wh.m–2

β Relação entre o estado de carga e seu valor máximo Ah

VOC Tensão de Circuito Aberto (Open Circuit Voltage) V

VMP Tensão de Potência Máxima V

Vbat Tensão de Terminal da Bateria V

UA Unidade Astronômica (valor médio = 1,496 x 1011) m

UA Unidade Astronômica (valor médio = 1,496 x 1011) m

1

1 RESUMO

O presente trabalho teve como objetivo a análise do sistema de

armazenamento de energia elétrica gerada a partir de um sistema fotovoltaico, composto por

baterias de chumbo-ácido. A crescente demanda de energia no mundo, além da necessidade de

utilização de recursos renováveis de forma a preservar o nosso meio ambiente, obriga o

desenvolvimento de técnicas de eficiência na produção e controle dessa energia.

A escassez apresentada atualmente na área energética ao redor do

mundo chama a atenção de toda a comunidade científica que se preocupa em desenvolver

projetos alternativos para suprir as necessidades do ser humano de um modo produtivo, não

poluente e de baixo custo.

Para o desenvolvimento desse trabalho, foram utilizados dois sistemas

fotovoltaicos, o primeiro, convencional, com painel solar estacionária e o segundo com um

sistema de posicionamento automático com relação ao sol. Esta análise comparativa permitirá

avaliar as vantagens ou não de um sistema, em relação ao outro.

Além disso, foram levantadas as curvas de carga, descarga, capacidade

da bateria, determinação da taxa hora-funcional, a reação de auto-descarga (através do estado

2

de flutuação) entre outras informações relevantes que permitam entre outras coisas, obter uma

maior vida útil da bateria estacionária em questão.

Esse trabalho levantará as características elétricas, como tensão,

corrente, potência e energia, utilizará ferramentas de modelagem através de circuitos elétricos

equivalentes para simulação do comportamento da bateria, em situações de carga e descarga, e

principalmente o levantamento experimental das baterias funcionando nos dois sistemas

distintos. Este trabalho evidencia as diferenças comportamento da bateria, e mostra a

configuração que permite a operação da bateria em condições mais favoráveis.

Os resultados obtidos, indicam que a bateria ligada ao sistema móvel

fornece 36% mais de energia que àquela ligada ao sistema fixo. Em condições desfavoráveis,

ou seja, quando a bateria era incapaz de fornecer energia à carga, a bateria ligada ao sistema

móvel consumiu cerca de 33% menos energia que àquela ligada ao fixo.

3

ANALYSIS OF BATTERY BEHAVIOR USED IN SMALL PHOTOVOLTAIC SYSTEMS.

Botucatu, 2009, 137p.

Tese (Doutorado em Agronomia/Energia na Agricultura) – Faculdade de Ciências

Agronômicas, Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” – UNESP.

Author: JOSÉ RENATO CASTRO POMPÉIA FRAGA

Adviser: JOSÉ ANGELO CAGNON

SUMMARY

This work aimed at analyzing the electric energy storage system generated from a

photovoltaic system with lead-acid batteries. The increasing claim for energy in the world in

addition to the need of utilizing renewable sources of energy in order to preserve the

environment makes necessary the development of efficient techniques for energy generation

and control.

The energy shortage experienced in today’s world attracts attention from the scientific

community, which is concerned about developing alternative projects towards the human

being’s need in a productive way, without pollution and low cost.

Two photovoltaic systems were used in this work, a conventional one with stationary

solar panel and another with automatic solar position system. The comparative analysis has

allowed assessing the advantages of both systems.

The following characteristics were obtained during the development of this work:

charge, discharge, battery capacity, operating time rate, auto-discharge reaction (through

fluctuation state), among other important information that allowed to attain an extended life to

the stationary battery studied.

The characteristics described in the references of this work have been obtained, and

modeling techniques through electric circuits were used to simulate the battery behavior for

charge and discharge conditions. The experimental tests of the battery operation in both

systems were carried out. This research has searched for showing the main differences of the

battery behavior in order to get the configuration in which the battery operation is developed

in more favorable conditions.

4

The obtained results indicate that the battery connected to the móbile system provides

36% of additional energy compared to the fixed system. Inunfavorable conditions, that is,

when the battery was unable to provide energy to the load, the battery connected to the mobile

system consumed about 33% less energy than that connected to the fixed system.

5

2 INTRODUÇÃO

Com o passar das décadas o homem reinventou métodos de obtenção

de energia solar, começando com um dos pioneiros nessa área: Edmond Bacquerel (no começo

do século XX), que documentou e verificou a presença de energia elétrica proveniente de

energia solar na obtenção de uma diferença de potencial quando se irradiava luz solar em

materiais semicondutores. Surgia então o efeito fotovoltaico. A partir de então com o advento

da microeletrônica nos anos 60 houve o desenvolvimento dessa tecnologia, melhorando seu

rendimento embora o custo ainda fosse muito elevado.

Após a crise do petróleo em 1973, finalmente o mundo percebeu que

os combustíveis fósseis eram finitos, e sujeitos a grandes perturbações (como o boicote

temporário e a majoração de preços dessas fontes energéticas). Houve desde então um

despertar do mundo para as limitações impostas pelas fontes tradicionais de energia e a

necessidade de se buscar fontes alternativas àquelas já existentes. A partir dos anos 80 com a

disseminação dessa tecnologia, houve uma continuada melhoria na eficiência e uma notável

queda de custos, tornando assim essa fonte de energia um investimento economicamente

viável.

6

Em todos os sistemas fotovoltaicos encontram-se baterias

estacionárias, as quais deverão acumular energia em seu interior no mesmo instante em que há

incidência de energia solar nas placas semicondutoras. Em todas as baterias, o processo de

acúmulo de energia elétrica implica a transformação da energia, por uma ação eletro-química,

em energia química, acumulada sob esta forma. Ao ser solicitada uma corrente da bateria, a

energia novamente se transforma de química para elétrica, descarregando-se. É necessário,

portanto, a recarga da bateria, uma vez que ela é apenas um acumulador de energia.

As pequenas propriedades rurais no Brasil, particularmente as

residências situadas na zona rural, em função de suas características de localização, muitas

vezes em áreas distantes das redes de distribuição convencionais, aliado ao fato de

apresentarem baixa demanda, não justificam, na maioria dos casos, o investimento para

extensão da rede; neste contexto, apresentam-se como um espaço adequado para a aplicação

dos sistemas fotovoltaicos de geração de energia, os quais proporcionam uma solução local

como fonte de energia renovável, confiável, e podem promover o desenvolvimento auto-

sustentável, social e econômico das populações da zona rural, melhorando a qualidade de vida

de seus habitantes.

Nos países em desenvolvimento, como o Brasil, essa forma de energia

deve ser aproveitada ao máximo. Normalmente esses países apresentam elevadas extensões

territoriais e estão em zonas tropicais, ou seja, dispõe de alta incidência de radiação, o que

torna viável o desenvolvimento de tecnologia capaz de transformar a energia solar em energia

elétrica, térmica, química, mecânica, etc.

O presente trabalho visa comparar o desempenho de baterias tanto em

painéis solares fixos quanto em placas solares com sistema automático de posicionamento

(“tracking”), com a função específica de rastrear a movimentação do sol ao longo do dia e no

decorrer do ano, buscando sempre a melhor posição dos painéis fotovoltaicos, de modo a

captar o máximo de radiação solar possível.

Para esta análise comparativa desses dois sistemas, realizou-se um

levantamento experimental, utilizando-se os dois sistemas fotovoltaicos desenvolvidos por

Alves (2008) , com o auxilio de controladores lógicos programáveis (CLP), para a aquisição

de todos os parâmetros relevantes. Esta montagem experimental será descrita detalhadamente

no decorrer deste trabalho

7

A proposta principal dessa pesquisa é avaliar se é possível conseguir o

aumento do ciclo de vida e rendimento de uma bateria estacionária através do levantamento

das curvas de carga, descarga, capacidade da bateria, entre outras informações pertinentes

(ALMINAUSKAS, 1993), (MISRA, 1990).

Ao comparar a eficiência da bateria em dois sistemas fotovoltaicos

diferentes o projeto inova pela idéia, pelo levantamento do comportamento em diferentes

situações de carga, possibilitando soluções viáveis no âmbito da melhoria da captação

energética em sistemas solares, (MCDOWALL ET AL., 2001).

Vale ressaltar novamente que a alta quantificação da energia provida

pelo sistema depende irrefutavelmente de uma bateria estacionária em excelentes condições.

8

3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Neste tópico, encontram-se os fundamentos e o levantamento

bibliográfico que permitiram o desenvolvimento deste trabalho. São apresentados os trabalhos

relevantes utilizados para a pesquisa e em seguidas alguns itens foram ressaltados e discutidos.

No que concerne aos assuntos relacionados a baterias, suas

características construtivas e funcionais, é importante ressaltar como referências fundamentais

os livros escritos por Linden & Reddy (2001) e Kiehne (2003), extremamente importantes

para o conhecimento global de baterias, distintas em forma, nas características físicas e

químicas, construtivas assim como suas aplicações. Estas referências foram uma rica forma

de compreensão, pois são muito abrangentes e ricas em detalhes e portanto, extremamente

úteis no início deste trabalho

Fundamental também, foi a análise e compreensão das normas IEEE

Std 1013(2007) e IEEE Std 1188 (2006), que tratam respectivamente da utilização e

dimensionamento de baterias de chumbo ácido em sistemas fotovoltaicos e da bateria de

chumbo-ácido regulada por válvulas de uma forma ampla. Estas normas oferecem subsídios

para a escolha correta da bateria, de acordo com uma série de parâmetros, dependo da

aplicação e condições de carga. Além disso, elenca os quesitos para a correta manutenção.

9

Com objetivo de entender o comportamento das baterias, os trabalhos

desenvolvidos por Chan (2000), Salameh Et Al. (1992), Jayne, M.G. & Morgan, C., (1986),

Min Chen & Rincon-Mora (2006), Robbins & Hawkins (1994) e Mayer & Biscaglia (1989),

que desenvolveram modelos equivalentes para as baterias na forma de circuitos elétricos.

Nessa linha de modelagem, é importante ressaltar o apresentado por

Chan (2000), que faz uma revisão interessante em vários modelos de bateria na forma de

circuitos elétricos. Neste artigo, propõe um novo modelo baseado nos apresentados, mas com

características que o tornam mais simples de representar, por necessitar um número menor de

parâmetros. Tal modelo consegue, representar bem as condições de carga e descarga, como

também a dependência com o estado de carga da bateria.

O trabalho de Robbins & Hawkins (1994), explora a modelagem de

baterias em sistemas de distribuição CC, em condições de sobrecorrente. Essa modelagem

permite associar a outros modelos de um sistema de telecomunicação com o objetivo de

dimensionar a proteção corretamente.

Interessante é abordagem proposta por Min Chen & Rincon-Mora

(2006), na qual propõe um modelo de bateria com o objetivo de prever o comportamento da

bateria em condições de operação. O artigo apresenta uma série de resultados simulados

comparados com a utilização real que validam sua abordagem.

De grande relevância e que muito contribuíram ao estudo, foram os

trabalhos desenvolvidos por Mcnutt Et Al.(2000), Rahman Et Al. (1988), Kaye (1994),

Sanidad Et Al. (2000), Mineiro Et Al., (2004) e Alminauskas (1993), que analisaram baterias e

outros componentes, especialmente utilizados em sistemas fotovoltaicos. Nessa mesma linha,

está o livro escrito por Castaner & Silvestre (2003), que procura modelar todo um sistema

fotovoltaico , com seus componentes, configurações e distintas aplicações. Destacam-se a

seguir algumas dessas referências relacionadas ao uso de baterias em sistemas fotovoltaicos.

Alminauskas (1993), apresenta um trabalho que aborda os resultados

de uma avaliação do comportamento de baterias seladas (livres de manutenção) e

convencionais, em regime de carga com painéis fotovoltaicos não regulados. Este artigo

determinou a vida útil e as situações de falha de baterias em situações expostas ao tempo.

Verifica-se que condições de carga em situações de sobrecarga e/ou subcarga reduzem a vida

10

útil da bateria. A anáslise dos resultados demonstram que as baterias seladas apresentam 60 %

de durabilidade superior às convencionais.

O trabalho de Mcnutt Et Al. (2000), apresenta o desenvolvimento de

procedimentos de testes padronizados para estimar o desempenho de um sistema fotovoltaico

isolado. A aplicação destes testes, procura verificar se o sistema e a carga operam de acordo

com as necessidades.

Kaye (1994), apresenta um método para dimensionar os componentes

fundamentais de um sistema fotovoltaico com o objetivo de reduzir os custos de ciclo de vida,

que basicamente consistem na compra, manutenção e custos de operação.

O livro escrito por Castaner & Silvestre (2003), aborda sistemas

fotovoltaicos completos, com a descrição dos modos de operação, suas características e seus

componentes. O diferencial neste trabalho é a modelagem de todo esse conteúdo utilizando o

Pspice.

E falando-se de sistemas fotovoltaicos, desde os conceitos

fundamentais, configurações, classificações e aplicações, os trabalhos desenvolvidos por

Suzuki, C.K. & Pereira, J.T.V. (2000), Ceragioli, P. C. (1997), Vorobiev, P. Y. Et Al. (2004),

Lasnier (1990), Stine, W. B. & Geyer,M, (2001), Roberts (1992) e Cresesb (2003), foram

essenciais, conforme serão descritos a seguir.

Com base no levantamento bibliográfico realizado, relatam-se a seguir,

alguns assuntos que merecem destaque para este trabalho.

3.1 Baterias de chumbo-ácido.

Baterias de chumbo ácido são os elementos de armazenamento de

energia mais utilizados em sistemas fotovoltaicos isolados. As baterias têm uma aceitável

característica de desempenho e custos de ciclos de vida nos sistemas fotovoltaicos. Em alguns

casos de aplicação de baixa potência, as baterias de Níquel - Cadmo podem ser uma boa

alternativa para as baterias de chumbo-ácido a despeito do seu alto custo.

As baterias de chumbo-ácido são formadas por duas placas, positiva e

negativa, imersas numa solução diluída de ácido sulfúrico. A placa positiva, ou catôdo, é feita

de dióxido de chumbo (PbO2) A placa negativa, ou anôdo, é feita de chumbo (Pb).

11

As reações químicas na bateria, nos processos de carga e descarga são

descritos abaixo:

•Placa Negativa, anodo. descarga2

4 4carga2Pb SO PbSO e− −⎯⎯⎯→+ +←⎯⎯⎯ (1)

•Placa Positiva, catôdo. descarga2

2 4 4 2carga4 2 2PbO SO H e PbSO H O− + − ⎯⎯⎯→+ + + +←⎯⎯⎯ (2)

•Reação total na bateria. descarga

2 2 4 4 2carga2 2 2PbO Pb H SO PbSO H O⎯⎯⎯→+ + +←⎯⎯⎯ (3)

Como descrito acima, a bateria pode operar em dois modos principais:

Carga ou descarga, dependendo do sinal da Ibat.

Quando no modo de carga, a corrente Ibat flui para a bateria pelo

terminal positivo, e é também conhecido que a tensão vbat da bateria aumenta lentamente

enquanto a carga armazenada aumenta. Comportamento contrário ocorre no modo de

descarga, a corrente flui para fora do terminal positivo e a tensão da bateria Vbat diminui,

assim como a carga da bateria diminui enquanto estiver alimentando uma carga.

Em adição a esses dois modos principais de operação, o

comportamento complexo da bateria será mais bem modelado se dois modos adicionais de

operação forem considerados: Sub-carga e sobrecarga.

Quando a carga da bateria está próxima do mínimo valor recomendado

e as condições de circuito requerem uma situação de além descarga, o estado de sub-carga é

alcançado, caracterizado por uma diminuição acentuada da densidade interna eletrolítica,

causando a sedimentação no fundo dos elementos da bateria. Este processo reduz

significativamente a capacidade total da bateria e se permanecer nesse modo por um período

longo, danos irreversíveis serão causados.

O último modo de operação, ou modo de sobrecarga, é alcançado

quando a carga da bateria excede o valor máximo recomendado. Neste ponto, dois efeitos

diferentes aparecem: Produção de gás venenoso e corrosão do material do eletrodo positivo.

Neste modo de operação a bateria mostra uma redução da efetiva capacidade disponível. Se a

12

sobrecarga permanece, a bateria entra em saturação e nenhuma carga mais será armazenada.

A Figura 1 mostra a evolução da tensão da bateria ao longo dos modos de funcionamento

descritos anteriormente para uma célula de bateria de 2V. Como pode-se ver, depois de um

lento acréscimo de tensão, as regiões de sobrecarga e saturação produzem a estagnação da

tensão. Tão logo a descarga é iniciada, a tensão da bateria, cai acentuadamente até chegar a

estágio de sub-carga onde a queda até zero acontece.

Os parâmetros principais que normalmente definem e classificam as

baterias são:

a)A capacidade nominal, Cx , para uma taxa de descarga de x horas,

b)A taxa de carga / descarga e

c)O estado da carga, SOC.

Figura 1 - Modos de operação da bateria

a)Capacidade Nominal

A capacidade nominal é definida como o total de carga que pode ser

armazenada. Este parâmetro é dado por certas condições de medidas pelos fabricantes,

13

normalmente pela medida de carga liberada pela bateria em um dado período de tempo numa

determinada taxa de descarga e temperatura.

Dependendo do intervalo de tempo considerado para a descarga,

podem ser definidas diferentes capacidades nominais. Os valores padrões de intervalo de

tempo definidos pelos fabricantes são 5h, 10h e 100h. De acordo com esses tempos,

capacidades nominais, C5, C10 e C100 são definidas e dadas em unidades de Ah, onde o índice

do subscrito indica o tempo de descarga.

Para uma dada Bateria, a capacidade também depende da taxa de

carga/descarga. A Figura 2, ilustra um exemplo da capacidade disponível da bateria,

considerando diferentes taxas de corrente de descarga constantes, para uma bateria de

C20=100 Ah.

Algumas vezes a capacidade da bateria é dada em unidades de energia,

indicando a energia total que pode ser fornecida a partir da carga total até a tensão limite de

fornecimento, e isto é relacionado com a capacidade expressa em Ah , conforme pode ser visto

na equação 4.

( ) ( ). ( )x x batC Wh C Ah V V= (4)

Onde x é o tempo de descarga e Vbat a tensão da bateria.

Figura 2 - Capacidade disponível de uma bateria.

b) Taxas de Carga e Descarga

As taxas de carga e descarga são definidas pela relação entre os valores

da capacidade nominal da bateria e a taxa de carga e descarga da corrente. Em caso de

descarga, a taxa de descarga é o tempo necessário para a bateria descarregar com uma corrente

14

constante. A taxa de descarga coincide com o índice subscrito da capacidade, considerado na

seção anterior.

A capacidade da bateria é uma função da taxa de carga e descarga. A

capacidade da bateria aumenta para taxas de descarga maiores.

c) Estado de Carga da bateria, SOC

O estado da carga é um importante parâmetro presente na maioria dos

modelos disponíveis da bateria e é relacionado com a carga elétrica armazenada na bateria por

um dado intervalo de tempo. O valor SOC é a razão entre a carga disponível por um intervalo

de tempo e a máxima capacidade, e é representado pela seguinte expressão:

1 ;

0 1

QSOCC

SOC

⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠

≤ ≤

(5)

Onde C (Ah), é a capacidade de bateria e Q (Ah) é a carga já

armazenada pela bateria em um tempo de interesse.

Assim como pode ser visto na equação 5, o SOC, é uma função da

capacidade da bateria, C, o que depende fortemente, excluindo a temperatura do eletrolítico,

da história da taxa de carga e descarga já descrita acima. Esta dependência deve ser levada em

conta para a correta modelagem do comportamento da bateria.

Um parâmetro é definido como complemento a unidade do valor SOC,

chamado de profundidade de descarga, DOD, que representa a fração da descarga da bateria, e

é dado por,

1DOD SOC= − (6)

Algumas vezes, na literatura técnica, o SOC é dado em unidades de

energia e é igual ao valor da energia remanescente em um dado intervalo de tempo. Serão

usados os seguintes parâmetros, para o SOC

• 1SOC - Estado inicial da carga na bateria em %

• mSOC - Energia máxima da bateria (Wh)

15

• ( )(%)nSOC t - Valor normalizado da energia remanescente para o SOCm

3.1.1 Baterias em Sistemas Fotovoltaicos.

A bateria utilizada em sistemas fotovoltaicos tem como função

fornecer potência quando a exigência da carga excede a capacidade das células fotovoltaicas.

Stevens et Al. (1993), desenvolveu um estudo interessante que relaciona o tamanho da bateria

com o desempenho do sistema Fotovoltaico. Mcnutt et Al. (2000) enumerou alguns

procedimentos que contribuem para o desempenho de sistemas fotovoltaicos isolados.

McDowall et Al. (2001), apresenta as condições fundamentais para manter a saúde do sistema

de baterias estacionárias. Para um sistema fotovoltaico adequado, vários fatores devem ser

considerados para determinar a capacidade e quantidade de baterias (STEVENS ET AL.,

1993). A seguir estes, são citados, de acordo com as normas (“IEEE Recommended Practice

for Sizing Lead-Acid Batteries for Stand-Alone Photovoltaic (PV) Systems,” 2007) e (“IEEE

Recommended Practice for Maintenance, Testing, and Replacement of Valve-Regulated Lead-

Acid (VRLA) Batteries for Stationary Applications,” 2006):

• Reserva de carga da bateria – O tempo em que a bateria, isoladamente, deve suportar a

exigência de carga é estabelecido pelas necessidades de projeto do sistema.

• Determinação da carga – as exigências da aplicação determinam a quantidade de

corrente a ser fornecida pela bateria num intervalo de tempo. A corrente de pico e a

janela de tensão operacional são determinadas pela característica da carga.

• Capacidade da bateria e determinação da taxa hora-funcional – A capacidade da bateria

e sua taxa hora-funcional de descarga são determinadas pela aplicação específica da

carga, dias de reserva da bateria e as características da bateria.

• Determinação do número de células ligadas em série da bateria – Os limites de tensão

do sistema (janela de tensão) determinam o número de células em série.

• Determinação da capacidade da célula e do tamanho da bateria – Uma vez encontrada

a capacidade e números de células, a seleção final da célula pode ser feita e o tamanho

da bateria pode ser calculado.

• Características da bateria – o desempenho do sistema, vida útil, manutenção e custo

são influenciados pelo tipo de bateria selecionada para aplicações fotovoltaicas.

16

Sistemas fotovoltaicos podem exigir uma reserva de carga na bateria,

para fornecer segurança na utilização e também para manter o sistema em situações de tempo

ruim ou para uma eventual falha em componentes do sistema. O numero de dias de reserva da

bateria é especificado normalmente, como uma condição de projeto do sistema, e é baseado

em várias considerações, citadas a seguir:

• Aplicações do sistema – situações de carga crítica geralmente requerem mais dias de

reserva da bateria do que situações não críticas.

• Disponibilidade do sistema - é a porcentagem mínima de tempo que o sistema

fotovoltáico deverá ser capaz de manter o sistema de cargas.

• Variação da radiação solar – Variações diárias ou sazonais na irradiação solar afetam

no número necessário de dias de reserva da bateria.

• Previsibilidade da Carga – A carga pode ou não ser previsível, além disso, também

existe a possibilidade de ajuste destas cargas, como por exemplo, a retirada de cargas

não essenciais.

• Provisão de reserva de potência – Se o sistema prevê o provisionamento de potência

reserva, então é preciso no projeto considerar tal potência e tempo de operação desta

reserva de potência.

3.1.2 Determinação da Carga

Considerações Gerais

A descrição do ciclo de trabalho completo da bateria, conforme é dada

pela corrente de carga cc e a sua duração dentro do período definido pelos numero de dias

suportados pela reserva da bateria, no qual é assumido que nenhuma potência é fornecida pelo

sistema fotovoltaico ou sistema de potência auxiliar. Para as cargas em corrente alternada

alimentadas por um inversor, devem ser tabuladas individualmente, depois somadas e então

associadas com as perdas no inversor para determinar a carga em corrente contínua da bateria.

O sistema de cargas pode ser expresso na forma de tabelas ou gráficos.

O processo de representação inicia-se, em ambas as formas, com a tabulação das cargas

individuais e sua duração. O formato de tabela é mais genérico. A representação gráfica,

17

denominada de diagrama de perfil da carga, é necessária porque demonstra a inter-relação das

cargas individuais. Ambas as descrições de carga são analisadas e tabuladas por um período de

24h. Pode ser eventualmente necessário considerar períodos de tempo superiores a 24h,

quando este tempo não representar precisamente o comportamento da carga. Para estes casos

quando o perfil de carga excede o período de 24h, devem ser determinados os valores médio e

máximo diários da exigência da carga para a subseqüente determinação da capacidade da

bateria. Inicialmente, para determinar o tamanho da bateria, é utilizada a necessidade média

diária da carga. Uma vez, definida a bateria, a exigência da necessidade máxima diária de

carga é utilizada para verificar a capacidade da bateria para lidar com esta exigência de carga.

Se a seqüência da máxima exigência de carga não pode ser estabelecida, deve-se estabelecer

uma seqüência de dias, dentro do pior arranjo possível das necessidades da carga, geralmente

utilizando o valor da carga máxima do dia anterior. A capacidade da bateria poderá então ser

aumentada para satisfazer a máxima necessidade diária de carga nesta condição parcial de

descarga.

O gráfico do perfil de carga é o instrumento necessário para ajudar na

determinação nestas áreas onde o desempenho da bateria necessita ser conferido para

assegurar a satisfação da carga. Para gerar o diagrama do perfil de carga, seguem-se os

seguintes passos:

• Tabulam-se todas as cargas individuais ao longo do período de utilização inicial e

final.

• O número total de cargas coincidentes para os seus períodos de tempo respectivos.

• Representar graficamente a carga total versus o período de tempo ou tempo

transcorrido.

A curva resultante é definida como diagrama do perfil de carga. Se as

cargas diárias variam durante os dias de reserva da bateria, os diagramas individuais de perfil

de carga, gerados em seqüência, constituem-se no sistema de diagramas de perfil de carga.

Dados da Carga

As informações que devem ser reunidas para cada carga são

apresentadas a seguir.

Corrente Transitória

18

Cargas com duração igual a um minuto ou menos são definidas como

cargas “transitórias” e são analisadas com uma especial consideração. As necessidades de

ampere-hora deste tipo de carga são geralmente muito baixas, mas o seu efeito na tensão

terminal da bateria deve ser considerado. Cargas “transitórias” podem ocorrer repetidamente

durante o ciclo de trabalho. Cargas “transitórias” típicas são corrente de partida de motores e

altas correntes de surto de inversores.

Corrente de Regime Permanente

Corrente de regime é a corrente exigida pela carga após cessar a

corrente transitória. Certos dispositivos exigem uma potência constante consumindo corrente

até que a tensão da bateria falhe. Uma vez que a tensão na bateria permaneça relativamente

constante até próximo do fim da descarga, a corrente de regime deve ser definida pela corrente

que exige 95% da capacidade da tensão do sistema.

Corrente Parasita

Perdas parasitas, tais como aquelas produzidas pelos controladores de

carga e inversores devem ser incluídas como correntes. Estas correntes devem ser incluídas

como parte da corrente de regime das cargas.

Duração da Carga

A duração da carga é o tempo, em horas, de operação de cada carga.

Para sistemas Fotovoltaicos, é bastante comum que a duração de carga seja expressa em

termos de ciclo diário que se repete para os dias de reserva da bateria. Se o tempo inicial da

carga é conhecido, mas o tempo do desligamento é indefinido, deverá então ser assumido que

a carga continuará durante o restante dos dias de reserva da bateria.

Coincidência De Carga

Cada corrente de carga (transitória ou permanente) é classificada como

coincidente ou não com qualquer outra corrente e é respectivamente tabulada. As ocorrências

de cargas aleatórias são classificadas como cargas coincidentes.

Máxima e Miníma Tensão De Carga

19

As tensões máxima e mínima nas quais cada carga propriamente opera

devem ser determinadas e tabuladas. Quedas de tensão associadas ao cabeamento, proteções e

conectores entre a bateria e a carga não devem ser consideradas para o ajuste da máxima

tensão de carga.

3.1.3 Análise de Dados

Ampere-Hora

Geralmente é possível calcular um equivalente para a carga diária,

multiplicando cada corrente de carga por sua duração diária e finalmente somando estes

resultados. Se a duração da carga transitória é conhecida, calcula-se o valor ampere-hora da

carga, multiplicando-se este tempo pela corrente transitória. Se a duração da carga transitória

não é conhecida, assume-se um tempo igual a um minuto e calcula-se o valor correspondente.

Se o ciclo de trabalho não se repete diariamente faz-se necessário descrever a carga para todos

os dias de reserva da bateria.

Correntes

As correntes máximas transitória e de regime permanente são

determinados e são usados para calcular a corrente máxima de descarga. Uma vez que o

sistema de cargas pode operar em varias combinações, a corrente máxima (transitória ou

permanente) é a soma máxima que pode ocorrer simultaneamente a partir das cargas

individuais. Se a corrente máxima de descarga da bateria é maior que uma taxa de descarga de

20h e a seqüência de cargas é conhecida, pode propiciar um dimensionamento menos

conservador da bateria.

Capacidade da Bateria e Determinação da Taxa Hora-

Funcional

A capacidade da bateria necessária para uma aplicação fotovoltaica é

determinada pelo número de dias de reserva da bateria e também pelas características da

carga, bateria e instalação. A taxa hora-funcional para a aplicação é determinada pela

capacidade e cálculos de carga.

20

Capacidade Não Ajustada

A capacidade não ajustada, em amperes-horas, é calculada pelo

produto do número de dias de reserva da bateria pela média diária de carga (em amperes-

horas/dia). Esta capacidade será ajustada, descrita logo seguir, para as características da

bateria e condições de operação

3.1.4 Seleção do Tipo de Bateria

A escolha do tipo de bateria deve ser feita antes do processo de

dimensionamento da bateria. Isto é necessário por causa das características de desempenho,

tais como projeto de profundidade de descarga e ciclo de vida, e são diferentes para os vários

tipos de bateria.

Ajustes de Capacidade

Ajustes de Descarga

Uma capacidade não ajustada deve ser modificada para assegurar um

ciclo de vida da bateria adequado. Os fabricantes de baterias ajustam o número de células de

chumbo-ácido para máxima profundidade de descarga(MPD), máxima profundidade de

descarga diária(MPDD) e capacidade de vida útil. A capacidade da bateria deve ser ajustada

das seguintes maneiras:

A capacidade ajustada para MPD é obtida através da divisão da

capacidade não ajustada pela MPDD ( em porcentagem).

A capacidade ajustada para MPDD é obtida através da divisão do valor

máximo de amperes-horas diários pela MPDD ( em porcentagem).

A capacidade ajustada para a vida da bateria é obtida dividindo-se a

capacidade não ajustada por sua capacidade de vida útil expressa em porcentagem da

capacidade definida, geralmente 80%.

O maior valor dentre estas três capacidades satisfará os ajustes de

profundidade de descarga e vida útil da bateria.

Ajustes de Temperatura

21

A capacidade disponível da bateria é afetada pela temperatura de

operação. A capacidade das células são normalmente padronizadas para uma temperatura de

25o. A capacidade aumenta para temperaturas inferiores a 25°C e diminui para temperaturas

superiores.

Ajustes de Margem de Projeto

É uma prática prudente no desenvolvimento do projeto estabelecer

uma margem na capacidade para levar em conta certas incertezas na determinação da carga,

como por exemplo, operação fora das condições ideais e crescimento da carga. A experiência

prática para estabelecer indica um acréscimo de 10 a 25% da capacidade definida no item

anterior.

3.1.5 Taxa Hora-Funcional

De forma a ajustar corretamente a bateria, a taxa de descarga e a

capacidade ampere-hora devem ser considerados conjuntamente. Para aplicações de carga

contínua, a bateria deve ser capaz de atender a uma taxa de descarga constante para o numero

dias de reserva da bateria. No entanto, para o caso de aplicações de cargas não contínuas, a

taxa de descarga varia e pode incluir altas taxas de descarga periodicamente por meio dos dias

de reserva da bateria. A utilização de uma taxa de descarga média pode resultar numa

capacidade insuficiente de atender altas correntes derrubando a tensão na descarga da bateria.

A taxa hora-funcional aproxima conservativamente a uma simples taxa de descarga que é

equivalente às taxas variáveis de descarga de um ciclo de trabalho particular.

A taxa hora-funcional pode ser calculada como se segue:

• Comparando a soma de correntes de regime coincidentes (Icoinc), com o valor máximo

das correntes não coincidentes (Incoinc) e selecionando o maior destes valores.

• Dividindo o valor da capacidade ajustada pela máxima corrente de regime.

Para exemplificar, cita-se , a seguir, duas condições possíveis:

• A capacidade ajustada de uma bateria com 5 dias de reserva é 150 Ah, com uma

corrente máxima de 25A. Então obtem-se a taxa hora-funcional dividindo-se 150 por

25, resultando em 6 horas.

22

• A capacidade ajustada em um sistema com 5 dias de reserva da bateria é 150 Ah com

uma corrente contínua de 1A. Portanto, divide-se 150 por 1, resultando numa taxa hora

funcional de 150 horas.

3.1.6 Determinação do Número de Células Conectadas em Série

Uma bateria normalmente é composta por um número de células

idênticas conectadas em série. Os valores máximos e mínimos de tensão elétrica dos sistemas,

determinam a quantidade de células conectadas em série.

3.1.7 Tensão Nominal do Sistema

Uma célula de chumbo-ácido tem tensão nominal igual a 2V,

conseqüentemente, o número de células pode ser estimada dividindo-se a tensão nominal do

sistema por dois. Portanto para uma tensão de 12V utiliza-se 6 células, para 24V utiliza-se 12

células e assim por diante.

3.1.8 Janela de Tensão

Os equipamentos do sistema deverão sempre operar dentro do limite

de tensão em que estes funcionarão com eficiência e total capacidade. Se estes equipamentos

são expostos a tensões superiores ou inferiores às tensões especificadas, podem se danificar ou

operar impropriamente. O intervalo entre os valores mais alto (Vmax) e mais baixo (Vmin) do

sistema de tensão é chamado de janela de tensão. A magnitude desta janela tem um efeito

direto no número e capacidade das células da bateria selecionada. Uma janela estreita de

tensão, obriga uma larga capacidade da célula. Uma janela larga, permite uma capacidade

menor da célula. Dos valores máximo e mínimos de operação da carga, o menor valor máximo

de tensão (Vmax) e o maior valor mínimo de tensão (Vmin) definem janela de tensão dentro da

qual todas as cargas do sistema operarão adequadamente. Se um controlador de carga é

utilizado. Os pontos de ajustes devem ser definidos dentro desta janela de tensão. Quando é

utilizado um controlador de carga com compensação de temperatura, os pontos de ajuste

variam com a temperatura da bateria( a temperatura utilizada para compensação da tensão é

medida na bateria). As tensões associadas com os valores antecipados de extremos de

temperatura da bateria devem ser usados como parâmetros de verificação da janela de tensão.

23

3.1.9 Calculando o Número de Células Conectadas em Série

O número de células conectadas em série é função da janela de tensão

das cargas e também da recomendação de carregamento do fabricante para a célula

selecionada. O número adequado de células é determinado por processos iterativos.

Número Máximo de Células

O aspecto mais importante do cálculo do número máximo de células

conectadas em série é garantir a melhor recarga de tensão e também a mais segura. Quando o

sistema tem capacidade para a equalização das células ou carregamento com compensação de

temperatura, a associação máxima de tensão deve ser utilizada para que o dimensionamento,

não produza valores que excedam as recomendações do fabricante.

Tensão Mínima do Sistema Versus Tensão de Descarga Final

Para garantir que a bateria não será operada abaixo da tensão de

descarga final, calcula-se a tensão por célula para a qual o limite inferior de tensão do sistema

deva ser suficiente para a descarga. O valor calculado de tensão final para a célula não deve

estar abaixo do limite da taxa hora-funcional definida pelo fabricante

3.2 Modelos Elétricos Equivalentes de Baterias

Fatores que Determinam a Capacidade da Bateria

Para garantir um melhor desempenho, a energia utilizada deve ser

garantida pela capacidade da bateria. Os fatores descritos a seguir são críticos para determinar

a capacidade da bateria e devem ser considerados em qualquer modelo de bateria(CHAN,

2000):

Resistência interna

• Resistência de auto-descarga, que leva em conta as resistências em (a) Eletrólise da

água em alta tensão e (b) Perdas através do terminal em baixas tensões. Esta resistência

é bastante sensível a temperatura e inversamente proporcional à variação de

temperatura.

24

• Resistências para carga e descarga. São resistências associadas à resistência

eletrolítica, resistências das placas e à resistência do fluido. Entretanto todas essas

resistência podem ser diferentes em carga ou descarga.

• Resistência de sobrecarga e sobredescarga: Quando a bateria estiver submetida a essas

duas condições, a resistência interna será significativamente aumentada em decorrência

a difusão eletrolítica.

Tipo de Descarga:

• Descarga Contínua: acontece quando a bateria fornece continuamente energia para a

carga até o esgotamento da carga, fazendo com que a capacidade da bateria diminua

até o final.

• Descarga Intermitente: quando a bateria alimenta uma carga por um período e depois

se desconecta da carga por outro período de tempo. Quando a bateria está operando

dessa maneira intermitente, o tempo de descarga será muito maior.

Modo de descarga:

• Carga constante: Quando a bateria fornece energia para uma carga com resistência

constante, a corrente de carga diminui assim como diminui a tensão da bateria.

• Corrente constante: A corrente fornecida pela bateria é mantida cons-tante para carga,

que continuamente reduz sua resistência. O tempo de descarga nesse modo é curto

enquanto que a média da corrente é alta. A tensão da bateria cai mais rapidamente em

relação à situação de carga constante.

• Potência constante: Uma potência elétrica constante é fornecida para carga pela

bateria, de tal forma que a corrente de cargas será aumentada para compensar o

decréscimo da tensão da bateria. Este modo apresenta o menor tempo de descarga.

Taxa de Carga/Descarga:

Para prolongar a vida útil da bateria, a taxa de carga e descarga não

pode ser muito alta. Sobrecargas e sobredescargas excessivas podem reduzir sua vida.

25

3.2.1 Modelos de Bateria

A seguir, cinco modelos de bateria serão descritos de maneira

simplificada e analisadas.

Modelo de Bateria Simplificado

Segundo Chan (2000), o modelo de bateria mais utilizado é aquele

representado na Figura 3. Este modelo consiste de uma fonte de tensão ideal com tensão de

circuito aberto E0 e uma resistência interna equivalente em série ESR. A Tensão de terminal da

bateria é dada por V0.

Figura 3 - Modelo de bateria simplificado.

A tensão V0 pode ser obtida a partir da medida da tensão de circuito

aberto e ESR também pode ser encontrado desta condição de circuito aberto como também a

partir de uma medida extra, com uma carga conectada aos terminais, quando a bateria está

com sua carga total. Apesar de ser um modelo amplamente utilizado, ele não leva em

consideração as características variáveis de impedância interna da bateria a alteração do estado

de carga, concentração eletrolítica e formação de sulfato. Tal modelo é aplicável somente em

algumas simulações de circuito onde a energia fornecida pela bateria é considerada infinita ou

quando o estado da carga é considerado desprezível.

Modelo de Bateria Modificado

Cun et al. (1996), propôs um modelo de bateria aperfeiçoado baseado

na configuração dada pela Figura 3. Neste modelo, o estado da carga da bateria é levado em

E0

ESR

+

V0

-

26

consideração, fazendo que o valor de ESR não seja mais constante, e sim variável conforme o

estado da carga. Uma modo é fazer ESR=R0/Sk, onde R0 é a resistência interna inicial da

bateria, calculada quando é carregada completamente e S=1-Ah/C10, onde C10 é uma

capacidade de 10 h (em Ah) na temperatura de referência ( este valor varia com a idade da

bateria). O valor de S varia de 0 (bateria descarregada) até 1 ( carregada). O valor de k é um

coeficiente que é função da taxa de descarga, calculados com base em k1, k2 e k3. Esses

valores são coeficientes determinados por curvas fornecidas pelos fabricantes. Eles

correspondem a três taxas de descarga.

Modelo de Thevenin da bateria

Um outro modelo de bateria muito utilizado, mostrada na Figura 4, é o

chamado modelo de Thevenin da bateria, que consiste de uma tensão da bateria ideal sem

carga E0, resistência interna (R), capacitância (C0) e resistência de sobretensão (R0). O valor

de C0 representa a capacitância das placas paralelas e R0 a resistência não-linear de contato

entre as placas e eletrólitos.

Figura 4 - Modelo de Thevenin da bateria.

Uma das desvantagens do modelo de Thevenin, é que todos os

elementos são considerados como constantes, quando na verdade, esses valores são funções

das condições da bateria.

E0

R

+

V0

-

R0

C

27

Modelo Dinâmico da Bateria

Um modelo empírico da bateria que foi desenvolvido por (JAYNE,

M.G.; MORGAN, C., 1986) como também por Sims et al. (1990), para a bateria de chumbo-

ácido, é dada pela expressão

tb oc b tbke V R i

soc⎛ ⎞= − +⎜ ⎟⎝ ⎠

(7)

Onde:

tb

oc

b

tb

e =Tensão dos terminais da bateriaV =Tensão de circuito abertoR = Resistência de Terminal da bateria,Tipicamente 0,4Ωk=Constante de polarização,Tipicamente 0,1Ωi =Corrente de descarga da BateriaSOC=Estado de Carga

A vantagem deste modelo em relação aos anteriores é a consideração

das características não-lineares da resistência interna como também a tensão de circuito aber-

to representados pelo componente K/SOC.

Modelo Dinâmico de Quarta Ordem

Giglioli & Cerolo (1990) propuseram o modelo dinâmico mostrado na

Figura 5. O modelo de bateria é composto de duas partes: (a) Corrente Ip fluindo através de

Rp(reação eletrolítica), Rd (Efeito Ôhmico) e sua capacitância de fuga Cd e Rw (energia

dissipada) e sua capacitância de fuga associada Cw; (b) Corrente Is fluindo através de Rs (auto

descarga).

Embora este modelo seja sofisticado e preciso para o propósito de

simulação, ele ainda apresenta algumas desvantagens, como: (a) Um tempo considerável de

processamento computacional para atingir a alta ordem do modelo; (b) O procedimento de

modelagem é muito complicado devido a utilização de uma série de dados empíricos.

28

Figura 5 - Modelo dinâmico de quarta ordem.

Modelo de Sobrecorrente da Bateria.

A Figura 6 mostra o modelo de bateria proposto por (ROBBINS;

HAWKINS, 1994). Este modelo consiste de uma fonte de corrente variável, fontes de tensão

variáveis e um resistor e um capacitor variáveis.

Onde:

Gb – fonte de corrente variável para modelar a corrente da bateria e é definido pela

relação de Peukert: Capacidade da bateria, .

Evb – fonte de tensão variável para modelar a tensão da bateria e é definida pela re-

lação de Nernstian: Tensão da bateria, .

Erb – Fonte de tensão caracterizando a queda de tensão através da bateria, que nor-

malmente é modelada como uma resistência interna, R.

R – Resistência interna incluindo R1, R2, e R3.

R1 – Resistência de grade e das barras, que é definida pela constante A1.

R2 – Resistência do eletrolítico.

R3 – Resistência de sulfatização das placas,

Cb – Capacitância, que tem tensão definida para 1 V para a situação de de 100% para

o estado de carga e 0V, quando o estado de carga for 0%.

Vb – Sensor de corrente para tensão nula.

Rw R Rp+

Vt

Rs

Es

Ep

C

Cd

29

A1-7 são constantes e obtidas experimentalmente.

Figura 6 - Modelo de sobrecorrente da bateria.

Este modelo é uma boa representação tanto para a queda interna na

bateria quanto para as mudanças de tensão de saída referentes ao estado de carga. Entretanto

este modelo necessita de um excesso de parâmetros a serem determinados.

3.3 Energia Solar Fotovoltaica

A Energia Solar Fotovoltaica é a energia obtida através da conversão

direta da luz em eletricidade (Efeito Fotovoltaico). O Efeito Fotovoltaico, relatado por

Edmond Becquerel, em 1839, é o aparecimento de uma diferença de potencial nos extremos de

uma estrutura de material semicondutor, produzida pela absorção da luz. A célula fotovoltaica

é a unidade fundamental do processo de conversão.

Em 1876 foi concebido o primeiro aparato fotovoltaico construído a

partir de estruturas de estado sólido, e apenas em 1956 iniciou-se a produção industrial, com o

advento da microeletrônica. A corrida espacial foi o principal impulsionador da tecnologia

fotovoltaica, sendo a célula solar o meio mais adequado, pelo seu baixo peso e custo, para

fornecer a quantidade de energia necessária para longos períodos de permanência no espaço.

Vb

ERb

R

+

Cb

Gb

EVb

0V

-

30

Outro uso espacial que impulsionou o desenvolvimento das células solares foi a necessidade

de energia para satélites.

A crise do petróleo em 1973 renovou e ampliou o interesse em

aplicações terrestres. Porém, para tornar economicamente viável essa forma de conversão de

energia, seria necessário, naquele momento, reduzir em até 100 vezes o custo de produção das

células solares em relação ao daquelas células usadas em explorações espaciais. Modificou-se,

também, o perfil das empresas envolvidas no setor. Nos Estados Unidos, empresas de petróleo

resolveram diversificar seus investimentos, englobando a produção de energia a partir da

radiação solar.

Em 1978 a produção da indústria no mundo já ultrapassava a marca de

1 MW/ano. O objetivo das pesquisas americanas na década de 80 era fornecer de 1 a 5,5% de

toda a energia elétrica consumida no ano 2000 nos Estados Unidos, através da conversão

fotovoltaica.

Em 1998, a produção de células fotovoltaicas atingiu a marca de 150

MWp, sendo o silício quase que absoluto no ranking dos materiais utilizados. O silício,

segundo elemento mais abundante na crosta terrestre, tem sido explorado sob diversas formas:

monocristalino (mono-Si), policristalino (poly-Si) e amorfo (a-Si). No entanto, a busca de

materiais alternativos é intensa e concentra-se na área de filmes finos, onde o silício amorfo se

enquadra. Células de filmes finos, além de utilizarem menor quantidade de material do que as

que apresentam estruturas cristalinas, requerem uma menor quantidade de energia no seu

processo de fabricação, características que, por si só, justificam o esforço em seu

aperfeiçoamento.

O custo das células solares é, ainda hoje, um grande desafio para a

indústria e o principal empecilho para a difusão dos sistemas fotovoltaicos em larga escala. No

entanto, a tecnologia fotovoltaica está se tornando cada vez mais competitiva, tanto porque

seus custos estão decrescendo, quanto porque a avaliação dos custos das outras formas de

geração está se tornando mais real, levando em conta fatores que eram anteriormente

ignorados, como a questão dos impactos ambientais. (RAHMAN ET AL., 1988), discute a

diversidade de aplicações dos sistemas fotovoltaicos.

Hoje, com a tecnologia dos filmes finos, o custo médio aproxima-se de

US$1/Wp, aproximadamente um quarto daqueles encontrados no início dos anos 90. (KAYE,

31

1994), discute a otimização do dimensionamento dos componentes de sistemas fotovoltaicos

isolados. (ROBERTS, 1992), apresenta um guia interessante e prático para dimensionar e

instalar pequenos sistemas fotovoltaicos isolados. Um exemplo de aplicação interessante é

proposto por (MINEIRO et Al., 2004), onde apresenta o uso de um sistema fotovoltaico

contribuindo para o suprimento de energia para a rede de alimentação publica.

No Brasil, o desenvolvimento das pesquisas sobre a aplicação da

energia solar fotovoltaica, assim como de outras formas de energia alternativas e renováveis,

tem sido impulsionado, dentre outros fatores, pela necessidade de atendimento a comunidades

isoladas. Atualmente, aproximadamente 15% da população brasileira não possui acesso à

energia elétrica.

As pequenas propriedades rurais no Brasil, particularmente as

residências situadas na zona rural, em função de suas características de localização, muitas

vezes em áreas distantes das redes de distribuição de energia elétrica convencionais, aliado ao

fato de apresentarem baixa demanda, não justificam, na maioria dos casos, o investimento para

extensão da rede; neste contexto, apresentam-se como um espaço adequado para a aplicação

dos sistemas fotovoltaicos de geração de energia, os quais proporcionam uma solução local

como fonte de energia renovável, confiável, e podem promover o desenvolvimento auto-

sustentável, social e econômico das populações da zona rural, melhorando a qualidade de vida

de seus habitantes.

Além destas populações, outros núcleos populacionais esparsos e

pouco densos, típicos das regiões Centro-Oeste, Nordeste e Norte, mostram-se como espaços

para a aplicação da energia fotovoltaica.

É notável o impulso que a geração de energia elétrica por conversão

fotovoltaica vem recebendo no Brasil nos últimos anos, através de projetos privados e

governamentais, atraindo interesse de fabricantes pelo mercado brasileiro. A quantidade de

radiação incidente no Brasil é outro fator muito animador para o aproveitamento da energia

solar.

O primeiro sistema fotovoltaico interligado à rede pública no Brasil foi

projetado e montado pela Universidade Federal de Santa Catarina, com o objetivo de coleta e

avaliação de dados. O sistema tem potência de 2 kWp e sua produção equivale ao consumo de

uma família de quatro pessoas e está funcionando sem problemas desde 1997.

32

Outra experiência inovadora acontece em Ipatinga-MG, que utiliza a

energia solar na iluminação pública. O projeto experimental foi instalado num trecho de 400

metros, a um custo de R$ 51 mil.

3.3.1 Componentes de um Sistema Solar Fotovoltaico

Segundo o Grupo de Trabalho de Energia Solar do CRESESB/RJ, em

sua publicação “Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos” (CRESESB, 1999), os

componentes necessários em um sistema completo podem variar dependendo da aplicação e

das características das cargas a serem alimentadas; entretanto, na maioria dos sistemas, os

componentes necessários são os seguintes:

• Módulo Fotovoltaico é a unidade básica de todo o sistema. O módulo é composto de

células solares conectadas em arranjos produzindo tensão e corrente suficientes para a

utilização da energia. O número de células conectadas em um módulo e seu arranjo,

que pode ser série e/ou paralelo, depende da tensão de utilização e da corrente elétrica

desejada. Uma vez tendo a configuração desejada, o conjunto é encapsulado com

material especial que o protege de possíveis danos externos.

• Bateria é um dispositivo conveniente e eficiente para o armazenamento da energia

elétrica gerada a partir dos módulos fotovoltaicos, haja vista que o sistema não gera

energia durante a noite e, neste período, há a necessidade de consumir-se energia que

tenha sido gerada durante o período de insolação.

• Controlador de Carga é um componente eletrônico incluído na maioria dos Sistemas

Fotovoltaicos com os objetivos básicos de facilitar a máxima transferência de energia

do arranjo fotovoltaico para a bateria ou banco de baterias e protegê-las contra cargas e

descargas excessivas, aumentando, conseqüentemente, a sua vida útil.

• Inversor é o dispositivo necessário para alimentação de cargas em corrente alternada.

A geração do sistema fotovoltaico, assim como a energia fornecida pelas baterias, é em

corrente contínua, mas alguns tipos de carga necessitam da corrente alternada para

operarem. Nestes casos, o inversor converte a energia contínua em alternada.

33

• Equipamentos Complementares são todos os sistemas de conexão elétrica (fiação) e

outros dispositivos utilizados no aprimoramento do funcionamento geral, como por

exemplo, os mecanismos de "tracking" (rastreamento solar).

3.3.2 Eficiência do silício e de outros materiais

A energia irradiada do Sol atinge a superfície da Terra a uma razão

média de 1000W/m2, sendo que a eficiência dos módulos solares comerciais atualmente chega

aos 14%. Isto quer dizer que um painel com área de células equivalente a 1 m2 que tenha esta

eficiência pode produzir 140W de potência elétrica sob a luz do Sol. Diversos fatores podem

influenciar na potência final entregue pelo módulo; dentre eles temperatura, condições

climáticas, ângulo de incidência dos raios solares, etc. (CERAGIOLI, P. C., 1997).

Fiorentino (2000), medindo sistemas já instalados, concluiu que

eficiência média dos sistemas foi aproximadamente 11% menor que a eficiência nominal, mas

satisfatória, considerando que a acumulação de poeira sobre os módulos diminui a radiação

incidente sobre as células fotovoltaicas, implicando na redução de geração de eletricidade.

De acordo com (SUZUKI, C.K. ; PEREIRA, J.T.V. , 2000), a célula

monocristalina, que é produzida a partir de um monocristal de silício, apresenta a maior

eficiência de conversão fotovoltaica chegando na atualidade a um valor máximo de 22,7%,

sendo os valores típicos dentro do intervalo de 12 a 15% (em laboratório chega a 24%).

Valores típicos de eficiência para células de silício policristalino e amorfo são, 11 a 14% e 6 a

7%, respectivamente.

De acordo com o Plano Nacional de Energias Renováveis Biomassa

(1996), outras tecnologias de filme fino são mais eficazes hoje em dia. As células CIS (Copper

Indium Diselenide) e as CdTe (Telureto de Cádmio) apresentam em laboratório rendimentos de

16,9% e 15,8%, respectivamente, bem superiores ao silício amorfo, e são igualmente

promissoras em custos.

Conforme o Manual de Engenharia (CRESESB, 1999), a USP está

desenvolvendo um método mais eficiente e barato de converter energia solar em eletricidade,

utilizando na célula um produto químico, um corante especial que permite substituir o silício

por dióxido de titânio. Além de ser mais barata e de fabricação limpa, a nova célula apresentou

34

nos testes de laboratório rendimento superior a 50%, segundo o padrão científico usado para

este fim, IPCE. É um resultado altíssimo para uma célula solar comparada com as células

normais de silício.

3.3.3 Características elétricas dos módulos fotovoltaicos:

As principais características elétricas dos módulos fotovoltaicos são

Tensão de Circuito Aberto (Voc), Corrente de Curto Circuito (Isc), Potência Máxima (PM),

Tensão de Potência Máxima (VMP), Corrente de Potência Máxima (IMP) (CRESESB, 1999).

A condição padrão (STC – Standard Test Conditions) para se obter as

curvas características dos módulos é definida a partir de uma radiação de 1000W/m2 e uma

temperatura de 25ºC na célula (porque a eficiência da célula é reduzida com o aumento da

temperatura).

Em função do formato da curva I x V da célula(módulo) fotovoltaico,

existe um ponto de potência máxima que pode ser gerada. É desejável que o módulo opere

sempre bem próximo possível desta condição. A potência nominal (Wp) de um módulo

fotovoltaico é o produto VMP x IMP medidos nas condições padrão (STC).

3.3.4 Sistemas fotovoltaicos de geração de energia elétrica

A principal aplicação que se vislumbra para o pequeno sistema de

geração de energia elétrica sob estudo é a utilização deste no meio rural, onde a rede

convencional não chega e os investimentos para sua expansão não se justificam

economicamente.

Nestas localidades, os sistemas utilizados são isolados, isto é, atendem

a uma determinada carga utilizando exclusivamente a energia solar fotovoltaica. Sua

configuração básica compreende, além do painel fotovoltaico, a unidade de controle e a

unidade de armazenamento de energia, conforme esquematizado na Figura 8. A ordem de

grandeza da potência fotovoltaica instalada neste tipo de sistema varia tipicamente de centenas

de Wp a unidades de kWp.

35

Figura 7 - Configuração Básica de um Sistema Fotovoltaico Isolado.

Diversas variações da configuração básica podem ser encontradas,

dependendo do tipo de carga a ser alimentada e/ou da necessidade de armazenamento de

energia.

Na Figura 8 apresenta-se uma variação da configuração básica, na qual

cargas em CA e em CC são alimentadas, com armazenamento de energia utilizando banco de

baterias e controlador de carga.

Figura 8 - Configuração Sistema Fotovoltaico de Geração de Energia Elétrica.

3.3.5 Radiação Solar – Posicionamento do Sol

O Sol fornece anualmente para a atmosfera terrestre 1.5x1018 kWh de

energia, o que corresponde a 10.000 vezes o consumo mundial de energia neste período. Este

36

fato vem indicar que, além de ser responsável pela manutenção da vida na Terra, a radiação

solar constitui-se numa inesgotável fonte energética, havendo um enorme potencial de

utilização por meio de sistemas de captação e conversão em outra forma de energia (térmica,

elétrica, etc.).

O nosso planeta, em seu movimento anual em torno do Sol, descreve

em trajetória elíptica um plano que é inclinado de aproximadamente 23,5° com relação ao

plano equatorial. Esta inclinação é responsável pela variação da elevação do Sol no horizonte

em relação à mesma hora, ao longo dos dias, dando origem às estações do ano e dificultando

os cálculos da posição do Sol para uma determinada data. A posição angular do Sol, ao meio

dia solar, em relação ao plano do Equador (Norte positivo) é chamada Declinação Solar (δ).

Este ângulo varia de acordo com o dia do ano, dentro dos seguintes limites (Figura 9):

-23,45° ≤ δ ≤ 23,45°

A soma da declinação com a latitude local determina a trajetória do

movimento aparente do Sol para um determinado dia em uma dada localidade na Terra.

A radiação solar que atinge o topo da atmosfera terrestre provém da

região da fotosfera solar que é uma camada tênue com aproximadamente 300 km de espessura

e temperatura superficial da ordem de 5800ºK. Porém, esta radiação não se apresenta como

um modelo de regularidade, pois há a influência das camadas externas do Sol (cromosfera e

coroa), com pontos quentes e frios, erupções cromosféricas, etc.

Apesar disto, pode-se definir um valor médio para o nível de radiação

solar incidente normalmente sobre uma superfície situada no topo da atmosfera. Dados

recentes da WMO (World Meteorological Organization) indicam um valor médio de 1367

W/m2 para a radiação extraterrestre. Expressões matemáticas permitem o cálculo, a partir da

“Constante Solar”, da radiação extraterrestre ao longo do ano, fazendo a correção pela órbita

elíptica.

37

Pólo SulEquador

Movimento deTranslação

21/09Equinócio de

Primavera

Trópico deCapricórnio 23,5S

21/06Solstício de

Inverno

23,5

Polares

21/03Equinócio de

Outono

Equador

SOL DeclinaçãoSolar δ

DeclinaçãoSolar δ

21/12Solstício de Verão

Equador

Movimento deRotação

Pólo Norte

Figura 9 - Definição do ângulo de declinação (δ).

A instalação de painéis em suportes fixos, com inclinação definida

pela latitude do local de instalação e face voltada para o Norte geográfico, tem se apresentado

como a solução mais usual, levando-se em conta que a incidência diária dos raios solares sobre

a superfície terrestre inicia-se a Leste (pela manhã) e encerra-se a Oeste (no final da tarde);

este tipo de instalação permite que o ângulo de incidência dos raios solares varie ao longo do

dia e ao longo do ano, não garantindo uma absorção máxima da energia solar em todos os

momentos do dia e do ano.

A radiação anual efetiva incidente sobre a superfície do painéis

fotovoltaicos depende da inclinação e orientação destes e ficam determinados através do

ângulo (α) e o ângulo de inclinação em relação a horizontal (β), conforme pode ser visto na

Figura 10. O ângulo (θs) representa o ângulo entre o feixe de radiação direta que incide no

plano e a reta normal ao mesmo.

38

S

Zênite

Normal

Norte

β

βΘ

SOL

α

PlacasFotovoltaicas

Figura 10 - Definição dos ângulos de posicionamento α e θs.

3.3.6 Dispositivos de Posicionamento Solar (“Tracking”)

Um sistema de rastreamento solar, em uma definição simples, fazer

com que os painéis acompanhem a trajetória do sol, tendo como objetivo principal, otimizar a

eficiência da conversão da energia solar em elétrica, procurando obter sempre a incidência

perpendicular dos raios solares.

Um conjunto de sistema posicionador automático foi proposto por

Vorobiev, P. Y. et Al. (2004), no qual os autores apresentam uma análise teórica e prática de

um sistema com painéis fotovoltaicos bifaciais, com concentrador, sem rastreamento solar e

outro sistema sem concentrador, mas com rastreamento automático; neste trabalho os

39

pesquisadores relataram aumentos entre 30% e 40% na coleta de energia solar somente com o

rastreamento, e aumentos de 50% a 60% com o acréscimo de refletores na parte posterior dos

painéis.

O trabalho de Piao et al. (2005) relata os resultados alcançados com o

uso de rastreamento solar em um sistema de 150Wp, no qual as perdas devido à incidência não

perpendicular dos raios solares sobre o painel fotovoltaico são minimizadas; discute ainda

outros dois principais métodos de obter a máxima conversão da energia solar em eletricidade,

a saber, o aumento do rendimento da própria célula solar, com uso de materiais e técnicas de

arranjo do silício mais eficientes e também a inclusão de um algorítmo de controle do tipo

MPPT (Maximum Power Point Tracking) no qual extrai-se sempre a maior potência elétrica

instantânea do painel solar, independente da condição de operação, ou seja, ajusta-se a carga

que é conectada de modo a obter-se a máxima potência, através do uso de um conversor

eletrônico de potência de alta eficiência (ENSLIN, 1990).

Ainda em Piao. et al. (2005), a idéia inicial de construir-se um sistema

de posicionamento automático que trabalhasse em dois eixos foi apresentada, na qual um

motor é responsável pela movimentação do conjunto pelo ângulo de elevação e outro motor

movimenta o conjunto controlando o ângulo de Azimute. Sensores para determinar se a

energia solar incidente justificava a movimentação do conjunto foram acrescentados, de modo

a impedir movimentos desnecessários, os quais causariam maior consumo de energia do que

ganho na geração. De acordo com os resultados apresentados o ganho global do sistema

desenvolvido com rastreamento foi da ordem de 21%.

Bastante encorajadores foram os resultados apresentados por Ito et al.

(2003), ao demonstrar, através de simulações, o potencial energético fotovoltaico dos desertos,

considerando a possibilidade de instalarem-se Sistemas Fotovoltaicos de Altíssima Escala

(Very Large Scale PV Systems) para geração de energia elétrica na ordem de 100MW, e

comparando os custos de sistemas fixos com sistemas que utilizam rastreamento solar. Como

conclusão, os pesquisadores apresentaram preços da ordem de 10 centavos de dólar (0,10

USD) por kWh para geração com sistemas fixos e 8 centavos de dólar (0,08 USD) por kWh

para geração com sistemas de rastreamento automático, resultando numa economia de 20% no

custo total de produção da energia elétrica com o uso destes sistemas.

40

Seguindo a linha de aproveitamentos fotovoltaicos com

posicionadores automáticos, este trabalho utilizou a montagem experimental desenvolvida por

Alves(2008), para implementar o estudo das baterias.

A metodologia utilizada para o movimento do painel baseou-se no

cálculo dos ângulos Terra-Sol, conforme descrito por Stine, W. B. & Geyer,M, (2001):

determina-se analiticamente a posição do Sol, sem o uso de sensores. Devido à orbita elíptica

da Terra em torno do Sol, à inclinação de seu eixo polar e à rotação da mesma sobre este eixo,

a hora apresentada pelos relógios locais (LCT) nem sempre coincide com a hora solar (ts); a

Equação 8 faz esta correção, com o resultado em horas.

DLCEOTLCTts −−+=60

(8)

Na equação 8, o parâmetro D indica se os relógios locais apresentam

horário de economia de energia (“horário de verão”) e o parâmetro LC (Local Correction) é

calculado pela Equação 9 e indica a correção de horário dentro de um mesmo fuso, sendo sua

unidade hora [h]. O parâmetro EOT (Equation Of Time) faz a correção entre um dia terrestre

médio (24h) e um dia solar médio (dia sideral = 23h 56’ 4,09053”), podendo ser calculado

pela Equação 10, com o resultado obtido em minutos [min].

( )

15

⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=localhoráriofusodo

meridianodolongitudelocallongitude

LC (9)

)2(228,9)2cos(648,3)(416,7)cos(258,0 xsenxxsenxEOT −−−= (10)

A variável x que aparece na Equação 10 representa um ângulo em

graus calculado a partir do dia do ano (N), o qual inicia-se em 1 no dia 01 de janeiro e tem

valor 365 no dia 31 de dezembro (Equação 11).

242,365

)1(360 −=

Nx (11)

Conhecido o valor exato da hora solar, determina-se o ângulo de

azimute (ω), que varia ao longo do dia aproximadamente 1º a cada 4 minutos. O cálculo do

ângulo de azimute é realizado segundo a Equação 12, sendo que a unidade do resultado obtido

é graus.

)12(15 −= Stω (12)

41

Para determinação do ângulo de inclinação do painel, calcula-se o

ângulo de declinação (δ), utilizando-se a Equação 13 e o parâmetro N, anteriormente descrito.

[ ])173(98563,0cos39795,0 −−= Nsenδ (13)

A inclinação do painel é dada pela soma do ângulo de declinação com

a latitude do local. O CLP calcula os ângulos δ e ω, e envia os pulsos necessários para que os

motores de passo se movimentem e coloquem o painel móvel com a superfície em posição

normal aos raios de Sol incidentes. A Figura 12, mostra o fluxograma que representa a lógica

empregada na programação do CLP para o posicionamento automático, desenvolvido por

Alves, 2008. A Figura 11 detalha os componentes deste sistema.

Figura 11 – Diagrama do sistema experimental (ALVES ET AL., 2008).

42

Figura 12 – Fluxograma do Programa de controle de aquisição de dados do sistema de posicionamento automático proposto por Alves (2008).

Considerando-se ainda o trabalho desenvolvido por Alves (2008) como

referência, apresenta-se os resultados obtidos, utilizando a mesma configuração de sistema

fotovoltaico utilizado no presente trabalho.

43

A Tabela 1 resume as médias apuradas durante o período de coleta de

dados, entre fevereiro e julho de 2008. Estes resultados foram obtidos a partir da soma dos

valores da energia gerada diariamente dentro de cada mês, dividida pelo número de dias de

amostragem, o que resultou na Média Diária de Energia Gerada para cada um dos dois painéis.

Tabela 1 – Dados médios de geração de energia elétrica por ambos os painéis. (Fonte: Alves, 2008)

Mês Média Diária

da Energia Gerada (Painel Fixo – Wh)

Média Diária da Energia Gerada

(Painel Móvel – Wh)

Média do Ganho na Geração

(Móvel/Fixo – % )

Fev/2008 125,0197 196,0899 56,8471

Mar/2008 119,2039 197,2418 65,4659

Abr/2008 95,2888 149,0618 56,4317

Mai/2008 143,2470 217,2234 51,6426

Jun/2008 111,2681 156,3569 40,5226

Jul/2008 141,2527 208,6112 47,6866

Média 122,6 187,4 53,1

A comparação entre os valores médios gerados resultou na Média do

Ganho na Geração, valor apresentado em porcentagem, por ser comparativo. Para completar

este conjunto de dados, preencheu-se uma última linha referente às médias de cada coluna, o

que permitiu que se calculasse a Média do Ganho na Geração para todo o período analisado,

resultando no valor de 53%. O gráfico da Figura 13 ilustra os resultados da Tabela 1.

44

FEV MAR ABR MAI JUN JUL0

50

100

150

200

250

Meses do Ano

Ene

rgia

Ger

ada

[ Wh

]

Ganho Medio (%)

Painel Fixo

Painel Movel

Figura 13 – Dados médios de geração de energia e ganho do sistema móvel. (Fonte: Alves, 2008)

3.4 Controlador de Carga.

Uma vez que o objetivo principal do trabalho é a análise do

comportamento das baterias em sistemas distintos, é fundamental ressaltar e comentar os

aspectos de funcionamento, de um componente crucial para este estudo, o controlador de

carga das baterias.

De acordo com CRESESB (1999), controladores de carga são

incluídos na maioria dos Sistemas Fotovoltaicos, com os objetivos básicos de facilitar a

45

máxima transferência de energia do arranjo fotovoltaico para a bateria ou banco de baterias e

protegê-las contra cargas e descargas excessivas, aumentando, conseqüentemente, a sua vida

útil. Denominações do tipo "Gerenciador de Carga", "Regulador de Carga" ou "Regulador de

Tensão" também são comuns e referem-se a controladores de carga com diferentes níveis de

sofisticação. Controladores de carga são componentes críticos em Sistemas Fotovoltaicos

isolados pois, caso venham a falhar, a bateria ou a carga poderão sofrer danos irreversíveis.

Eles devem ser projetados considerando-se as especificidades dos diversos tipos de bateria,

uma vez que um controlador projetado para uma bateria chumbo-ácido selada pode não

carregar eficientemente uma bateria chumbo-antimônio não-selada; da mesma forma,

controladores projetados para baterias chumbo-ácido podem não ser adequados para as níquel-

cádmio e assim por diante.

Pequenos sistemas de cargas estáveis e contínuas podem ser projetados

para operarem sem um controlador de carga, desde que a tensão entregue pelo arranjo seja

compatível com a tensão da bateria. No entanto, como ocorre na grande maioria dos casos, o

controlador é indispensável e sua utilização permite uma otimização no dimensionamento do

banco de baterias e um maior nível de proteção contra um aumento excessivo de consumo ou

uma possível intervenção do usuário.

Os controladores devem desconectar o arranjo fotovoltaico quando a

bateria atinge carga plena e interromper o fornecimento de energia quando o estado de carga

da bateria atinge um nível mínimo de segurança. Alguns controladores também monitoram o

desempenho do Sistema Fotovoltaico (tal como corrente e tensão de carregamento da bateria

ou da carga) e acionam alarmes, quando ocorre algum problema. Para melhorar o desempenho

do controlador de carga, pode-se ainda acoplar a ele um sensor de temperatura de forma a

compensar o efeito da variação da temperatura nos parâmetros das baterias.

O controlador de carga deve permitir o ajuste dos seus parâmetros e a

escolha do método de controle para adaptá-los aos diferentes tipos de baterias. Se isso não for

possível, ele deve ser claramente identificado e vendido para um tipo específico de bateria.

Existem vários tipos de controladores de carga disponíveis. Alguns

determinam o estado de carga da bateria integrando a corrente que está entrando ou saindo, ao

longo do tempo. Outros, simplesmente medem a pressão dentro da bateria para determinar o

seu estado de carga. Porém, o tipo mais comum estima o estado de carga medindo a tensão nos

46

seus terminais. Desta forma, para evitar sobrecargas ou descargas excessivas, basta manter a

tensão da bateria entre dois valores limites (máximo e mínimo).

No momento de se especificar um controlador de carga, primeiro é

importante saber o tipo de bateria a ser utilizada e o regime de operação do sistema. A seguir,

determina-se tensão e corrente de operação do sistema. Para valores elevados de corrente de

operação, o custo do controlador aumentará significativamente e a disponibilidade no mercado

reduzirá. E importante selecionar um controlador com as mínimas características necessárias.

Características desnecessárias adicionam complexidade ao sistema, aumentam o custo e

diminuem a confiabilidade.

Baterias e controladores de carga possuem uma relação extremamente

íntima e é quase impossível entender a operação dos controladores se não possuir algum

conhecimento sobre baterias.

3.4.1 Tipos de Controladores de Carga

Como já foi citado anteriormente, os controladores podem diferir

quanto à grandeza utilizada para o controle. Carga (integração temporal da corrente na

bateria), tensão e densidade do eletrólito são as mais utilizadas.

Outro fator de distinção é a forma que o controlador utiliza para

desconectar o painel fotovoltaico da bateria quando esta apresenta carga plena. Sob este

aspecto, podemos classificá-los como “shunt” ou série. Ambos podem ser efetivamente

usados, sendo que cada um pode incorporar um número de variações que alteram o

desempenho básico e aplicabilidade.

A Figura 14 e a Figura 15 mostram os circuitos para o regulador tipo

shunt e tipo série, respectivamente. Ambos apresentam a função opcional para LVD (ponto de

desconexão da carga). O regulador “shunt” geralmente consome menos energia do que o

regulador série e, por isso, é mais comumente utilizado.

Um regulador “shunt” utiliza um dispositivo de estado sólido ou um

relé eletromecânico, que desliga ou reduz o fluxo de corrente para a bateria quando ela está

completamente carregada. Assim, parte da corrente gerada pelo arranjo é desviada através de

um dispositivo em paralelo com a bateria e apenas uma pequena quantidade desta corrente,

continua carregando a bateria.

47

Figura 14 – Regulador shunt com LVD opcional.

Figura 15 – Regulador série com LVD opcional.

A fração de corrente a desviar depende do limite de tensão

estabelecido para a bateria. O regulador shunt ótimo se comporta como uma carga variável de

forma que a tensão na saída do arranjo é mantida constante

Um componente necessário no regulador shunt é um diodo de

bloqueio, que deve ser ligado em série entre o elemento de chaveamento e a bateria, a fim de

mantê-la protegida de curto-circuito quando a corrente do arranjo é desviada. Controladores

tipo shunt são, normalmente, projetados para aplicações com correntes menores que 20

Ampères, devido às altas limitações de chaveamento.

Um regulador série pode usar um relé eletromecânico ou uma chave de

estado sólido, que desconecta o arranjo fotovoltaico quando a bateria está completamente

carregada.

Um diodo de bloqueio pode não ser necessário em um regulador série.

A maioria dos sistemas de baixa tensão (dependendo dos componentes escolhidos) não

48

apresentam perdas elevadas devido às correntes reversas, durante a noite. As perdas ocorridas

pelo uso de um diodo de bloqueio podem ser mais elevadas do que as perdas causadas por

correntes reversas. Entretanto, todos os sistemas de tensões mais elevadas (maiores que 24

Volts) necessitam de diodos de bloqueio, a menos que a chave impeça o fluxo de corrente para

o arranjo fotovoltaico.

A estratégia de controle adotada também é um fator de diferenciação

entre controladores de carga. A estratégia de controle dos controladores de carga comerciais

mais utilizados está baseada na tensão instantânea nos terminais da bateria, que é comparada a

dois limites. Para baterias chumbo-ácido, a 25°C, no limite superior (2,3 a 2,5 Volts por

célula) a bateria será desconectada do arranjo por considerar-se que, ao atingir este ponto, ela

está completamente carregada. No limite inferior (1,9 a 2,1 Volts por célula) a carga será

desconectada da bateria, pois neste ponto considera-se que a bateria esteja descarregada na

máxima profundidade. Pelo fato da tensão da bateria ser dependente da corrente instantânea,

os limites de desconexão são ligeiramente diferentes dos de reconexão para evitar oscilações.

Os parâmetros para especificação dos controladores de carga são

obtidos da demanda de energia e das curvas características das baterias, como as de carga e

descarga.

3.4.2 Detalhamento das Características e Funções

Os valores de corrente máxima, que deve ser maior do que a maxima

corrente de curto-circuito esperada para o arranjo fotovoltaico, e tensão de operação do

sistema são o mínimo necessário para se especificar um controlador. Outras características

desejáveis, mas nem sempre disponíveis nos modelos mais comuns, são:

• Estratégias de controle especiais

• Set points ajustáveis

• Proteção contra corrente reversa

• Desconexão da carga (proteção contra descargas excessivas)

• Compensação térmica

• Alarmes e indicações visuais

• Desvio da energia do arranjo

• Baixo consumo próprio

49

• Proteção contra inversão de polaridade

• Terminais exclusivos para modificação de tensão das baterias

A combinação dos métodos de controle e dos “set points” para regular

o fluxo de corrente para a bateria, a compensação de temperatura ou corrente para estes

métodos e a distância entre os set points determinam a eficácia de um controlador, instalado

em um Sistema Fotovoltaico.

Set points

É a denominação usual para os valores dos parâmetros que definem a

operação do controlador de carga e que devem ser determinados para a especificação do

mesmo. A determinação dos “set points” do controlador é bastante complexa, uma vez que a

bateria é um componente pouco compreendido e geralmente os dados fornecidos pelos

fabricantes são imprecisos.

A possibilidade de ajuste dos “set points” permite ao usuário otimizar

a relação entre controlador e bateria.

Em geral, para cada parâmetro relacionado com a tensão nos terminais

da bateria, existe uma histerese associada, ou seja, existem valores para ativar ou desativar

uma determinada função. Se os pontos "liga/desliga" de um controlador de carga forem

colocados muito próximos, um ciclo repetitivo poderá ocorrer. Isto acontece porque, no

momento em que o fornecimento de energia é interrompido, a tensão da bateria aumenta

rapidamente de 15 a 20%. Da mesma forma, quando o arranjo é desconectado, a tensão da

bateria cai de 10 a 15%. Assim, é importante considerar estas diferenças, no momento de

estabelecer os set points do controlador.

Proteção contra corrente reversa

A maioria dos controladores incluem um mecanismo que impede o

fluxo de corrente da bateria para o arranjo fotovoltaico durante a noite, quando a tensão de

circuito aberto do arranjo é inferior à tensão da bateria. Esta função é implementada, em geral,

através de um diodo de bloqueio. Neste caso, deve-se verificar a redução de tensão através do

controlador, de forma a assegurar que a tensão gerada pelo arranjo fotovoltaico seja suficiente

para manter as baterias completamente carregadas.

50

Um diodo de bloqueio pode não ser necessário nos sistemas de baixa

tensão, pois estes não experimentam perdas elevadas devido às correntes reversas, durante a

noite. As perdas ocorridas pelo uso de um diodo de bloqueio podem ser mais elevadas do que

as perdas causadas por correntes reversas. Entretanto, todos os sistemas de tensões mais

elevadas (maiores que 24 volts) necessitam de diodos de bloqueio.

Desconexão da carga (LVD)

Alguns controladores de carga evitam que a bateria tenha um

descarregamento excessivo. Com a opção de desconexão, as cargas que estão sendo

alimentadas pelo Sistema Fotovoltaico podem ser desconectadas para proteger a bateria. Para

baterias de ciclo profundo ou baterias níquel-cádmio, esta função pode não ser necessária.

Entretanto, deve-se incluí-Ia quando utilizam-se baterias de ciclo raso e a capacidade da

bateria é pequena se comparada com o consumo.

Dependendo do tipo de controlador, a desconexão pode ser realizada

desligando-se as cargas temporariamente ou ativando indicação luminosa ou alarmes para

alertar o usuário do sistema quanto à baixa tensão nas baterias. 0 usuário, então, desconecta ou

desliga as cargas até que as baterias sejam recarregadas. Outros controladores de carga podem

ainda acionar algum tipo de suprimento de energia auxiliar para recarregar as baterias ou

alimentar as cargas.

O ponto de desconexão da carga é muitas vezes chamado de LVD,

abreviatura da expressão em inglês Low Voltage Disconnect.

Alguns LVD's são incluídos especialmente para iluminação de

controle. Quando um LVD for usado, deve-se tomar as precauções necessárias para não

exceder o valor de corrente da chave (estado sólido ou relé), pois isto danificará a unidade.

Um exemplo seria a alta corrente de partida de uma lâmpada de vapor de sódio baixa pressão

ou de um motor. Alguns LVD's incorporam um temporizador de 5 a 10 segundos a fim de que

eles não desconectem uma carga devido a uma redução temporária de tensão da bateria

quando utiliza-se uma carga com alta corrente de pico.

Em projetos especiais, os controladores de carga poderão ser

conectados em paralelo para trabalharem com correntes mais elevadas geradas pelo arranjo

fotovoltaico. Entretanto, os projetos dimensionados com este objetivo deverão ser estudados

com maiores cuidados.

51

Valores típicos de profundidade de descarga utilizados para LVD são,

para baterias de ciclo raso, de 20 a 40% e, para as de ciclo profundo, em torno de 80%. Estes

valores permitem, em geral, uma boa relação custo-benefício mas dependem fortemente de

especificidades de cada aplicação (comportamento da carga, características da bateria, vida

útil esperada, entre outras).

Compensação térmica

As características de carregamento das baterias mudam com a variação

da temperatura. A compensação térmica faz-se mais necessária quando a faixa de temperatura

de operação das baterias excede ± 5°C em tomo da temperatura ambiente ( 25°C ). Se a

concentração do eletrólito foi ajustada para temperatura ambiente local e a variação da

temperatura das baterias é pequena, a compensação pode não ser necessária.

Alguns controladores possuem um sensor de temperatura preso

próximo à bateria que permite mudar os “set points”, de acordo com a temperatura (-6 a -4mV

/ célula / °C, para baterias chumbo-ácido). Para uma bateria chumbo-ácido de 12 Volts de

tensão nominal temos, aproximadamente, uma variação de -30mV/ °C. Assim uma variação de

10°C acarreta uma mudança de 0,3 Volts na tensão da bateria. Este valor equivale a uma

variação da ordem de 20%, justificando a necessidade de compensação térmica dos “set

points”.

O sensor deve ter um bom contato térmico com o lado de uma das

baterias, no centro do banco. O sensor nunca deve ser imerso no eletrólito da bateria ou

conectado ao seu terminal.

Alarmes e indicações visuais

Muitos controladores de carga têm um LED (Diodo Emissor de Luz)

que é aceso quando as baterias estão completamente carregadas. Alguns, têm outro LED para

mostrar quando o arranjo fotovoltaico está carregando as baterias. Outro LED pode mostrar

quando o estado de carga da bateria está muito baixo.

Algumas vezes um voltímetro é usado para indicar a tensão da bateria,

mostrando o seu estado de carga aproximado. Em sistemas grandes justifica-se uma

monitoração mais precisa. Para tanto, um amperímetro pode informar a corrente que flui da

bateria. Ele funciona como um "velocímetro" descrevendo como a energia está sendo usada

pela carga.

52

Outro uso para um amperímetro é mostrar a corrente que flui dos

módulos para as baterias. Desta vez, ele mostra o fluxo de energia que está sendo armazenado

para uso futuro. Com um radiômetro pode-se medir a insolação (radiação solar incidente) que

está atingindo o arranjo; desta forma, é possível medir o quanto de energia está disponível e

estimar o desempenho do sistema.

Com instrumentos de medição e LED's descrevendo o desempenho do

sistema, a localização de falhas e operações de manutenção se tornam mais fáceis. Os

instrumentos de medição devem estar ligados apenas quando uma leitura está sendo realizada.

Por outro lado, os LED's devem estar ligados continuamente.

Desvio da energia do arranjo

Alguns controladores de carga têm a capacidade de desviar a energia

de um arranjo fotovoltaico para uma carga não crítica, quando as baterias estão completamente

carregadas. Isto é importante uma vez que este excesso de energia seria perdido.

3.4.3 Controladores de Carga Baseados em Tensão

Como já foi citado, este tipo de controlador é o que mais se utiliza

atualmente, embora conforme será descrito nesta seção, apresente uma série de inconvenientes

para a sua utilização eficiente.

Todas as decisões são tomadas com base no valor instantâneo da

tensão nos terminais da bateria. Estes controladores possuem parâmetros básicos idênticos,

variando somente os valores aferidos em suas calibrações. Variam, fundamentalmente, quanto

ao nível de sofisticação, qualidade e funções disponíveis. Os dados dos fabricantes geralmente

fornecem os limites de aplicação do controlador, tais como correntes de carga e do arranjo

fotovoltaico, temperaturas de operação, perdas, valores aferidos. Em alguns casos, os valores

aferidos podem variar de acordo com a temperatura ou com a oscilação da corrente da bateria,

ou através de ajustes realizados pelo próprio usuário.

A Tabela 2 apresenta um exemplo de especificações do fabricante para

um controlador de carga de 12 Volts, sem as opções de compensação de temperatura e

corrente. Os parâmetros "Término de Carregamento" e "Reinicio de Carregamento" estão

associados à proteção contra sobrecarga enquanto que "Tensão de Desconexão" e

"Reconexão" se referem à proteção contra sobredescarga.

53

Tabela 2 – Especificações para um controlador de carga baseado em tensão.(Fonte: CRESESB, 1999)

Tensões Nominais (Volts)

Parâmetros

Unidades 6 12 24 36 48

Máx. Tensão de Circuito

Aberto do Arranjo Volts 22 22 44 66 88

Queda de Tensão Volts 0,55 0,55 0,55 0,90 0,90

Término do Carregamento Volts 7,1 ± 0,1 14,3±0,2 28,6 ± 0,4 42,9 ± 0,6 57,2 + 0,8

Reinicio do Carregamentos Volts 6,6 ± 0,2 13,2±0,3 26,4 ± 0,6 39,6 ± 0,9 52,8 ± 1,2

Consumo de Corrente Milampères 10 10 10 10 10

Faixa da Temperatura de

Operação °C -20 a 50 -20 a 50 -20 a 50 -20 a 50 -20 a 50

Faixa da Temperatura de

Armazenamento °C -55 a 85 -55 a 85 -55 a 85 -55 a 85 -55 a 85

Tensão de Desconexão Volts 5,8 ± 0,2 11,5±0,2 23,0 ± 0,4 34,5 ± 0,6 46,0 ± 0,8

Reconexão Volts 6,5+0,2 13,0±0,2 26,0 ± 0,4 39,0 ± 0,6 52,0 ± 0,8

A relação entre estado de carga e as quantidades físicas acessíveis

(tensão, concentração do eletrólito etc.) e sua dependência de parâmetros externos, em

especial a temperatura, não é bem entendida. Pode-se verificar que o estado de carga,

resultante do produto do tempo com a taxa de carga, tem uma relação bastante complexa com

a tensão e a corrente de carregamento (taxa de carga). A tensão varia muito lentamente na

faixa de 30 a 80% do estado de carga. Assim, se a descarga da bateria deve ser limitada

precisamente, por exemplo, em 40%, será difícil determinar um único valor de tensão que

represente este estado de carga. Isto se torna ainda mais difícil, se forem considerados os

54

efeitos de envelhecimento, temperatura, taxa de descarga etc. Controladores que apresentam

opções de compensação de temperatura e de corrente precisam de informações detalhadas da

bateria a ser utilizada, tais como, o valor da resistência interna e coeficiente de variação da

tensão com a temperatura. Variações bruscas de corrente também resultam em modificações

na tensão da bateria difíceis de modelar.

Outro problema para os Sistemas Fotovoltaicos, é determinar o ajuste

da tensão de desconexão (LVD). Se a decisão recair em ter uma pequena profundidade de

descarga (10 a 20%), provavelmente a vida útil da bateria se prolongará porém,

freqüentemente o controlador poderá interromper a energia que está alimentando a carga sem

que haja uma necessidade real. Por outro lado, se uma profundidade de descarga maior (30 a

50%) for permitida, então poderá haver redução da vida da bateria.

3.4.4 Características Ideais para Uso em Sistemas Fotovoltaicos

Um controlador ideal para a aplicação fotovoltaica deve, além de

satisfazer os objetivos básicos apresentados, gerenciar a carga de acordo com a

disponibilidade de energia solar, necessitando para tal, possuir uma informação confiável do

estado de carga da bateria em um dado instante. Deve evitar penalizar o usuário ao mesmo

tempo em que busca satisfazer os requisitos de operação das baterias como, por exemplo,

evitando que baterias chumbo-ácido permaneçam descarregadas por longos períodos.

A maioria dos controladores de carga atualmente disponíveis no

mercado, são dispositivos analógicos convencionais que, por vários motivos, não atendem às

reais necessidades dos usuários.

Estão em desenvolvimento pesquisas que têm como objetivo obter um

controlador de carga "inteligente", capaz de implementar as funções de proteção contra carga e

descarga excessivas, mantendo independência com relação ao modelo de bateria em questão.

Estas pesquisas apontam que um circuito microprocessado (capaz de medir, em tempo real, o

fluxo de corrente que entra e sai da bateria), poderia calcular a carga correspondente em

Ampères-hora e, conseqüentemente, conhecer o estado de carga da bateria, a qualquer

momento. 0 maior desafio para esta tecnologia é a variação da eficiência da bateria em função

do estado de carga e da temperatura. Observa-se que quando a bateria está operando próximo

do estado de carga de 100%, a eficiência cai acentuadamente. A possibilidade de acúmulo de

55

erro durante a integração tem sido cuidadosamente examinada, havendo sugestões de formas

de contornar este problema.

Atualmente, já existem fabricantes que comercializam controladores

de carga "inteligentes" com esta tecnologia, destinados a aplicação em baterias portáteis de

baixa potência (em geral, níquel-cádmio) que alimentam equipamentos tais como

computadores portáteis (laptops), telefones celulares e afins.

Espera-se que os resultados destas pesquisas levem a nova tecnologia

que possibilite projetar controladores de carga mais eficientes, de forma a prolongar a vida útil

das baterias e aumentar a confiabilidade dos sistemas de armazenamento de energia.

56

4 MATERIAS E MÉTODOS

Com o objetivo de analisar o comportamento das baterias em

condições reais de funcionamento, foram utilizados os recursos disponíveis nos laboratórios

do Departamento de Engenharia Elétrica de Unesp – Campus de Bauru. Além desses recursos

já disponíveis, foram adquiridos equipamentos e materiais através deste projeto de pesquisa

aprovado pela FAPESP, com o objetivo da montagem de um laboratório de campo.

A descrição dos equipamentos utilizados existentes ou adquiridos será

relatada logo a seguir. Inicialmente é importante descrever a solução encontrada para a análise

do comportamento das baterias em condições reais de funcionamento.

4.1 Laboratório de Campo

Este foi construído com recursos e mão de obra própria, cedidos pela

Faculdade de Engenharia de Bauru, e é constituído de uma base de concreto cercada com

alambrado, de dimensões aproximadas de 12m X 6m, como pode ser visto na Figura 16 ,

estrategicamente localizado próximo aos laboratórios didáticos e de pesquisa do Departamento

de Engenharia Elétrica, com a finalidade de facilitar a coleta de dados e o transporte de

57

equipamentos para dentro e para fora do laboratório de pesquisa; além disso, foi construído em

local que oferecesse segurança, para evitar furto dos equipamentos adquiridos, além,

logicamente, de receber insolação direta durante a maior parte do dia e do ano.

Figura 16 – Laboratório de campo.

Neste espaço foram instalados dois armários de aço, vistos em detalhe

na Figura 17, conseguidos como sucata, reformados e pintados, dotados de cadeados, os quais

abrigam internamente os controladores de carga, baterias, Controlador Lógico Programável,

inversores e as cargas de teste. Sobre estes armários, foram instalados os painéis fotovoltaicos,

fixo e móvel. Nesta montagem baseada em um trabalho desenvolvido por Alves(2008),

utilizaram-se dois painéis fotovoltaicos idênticos, de silício monocristalino, com potência de

50Wp, cada um alimentando uma carga dinâmica. Para sustentação do painel fixo utilizou-se

um suporte mecânico padrão (com possibilidade de ajuste manual da inclinação) e para o

painel móvel desenvolveu-se um suporte com ajustes de inclinação e azimute, adequado para

58

receber os motores e as engrenagens de redução de velocidade. Um Controlador Lógico

Programável (CLP) é o responsável pelos cálculos da posição aparente do Sol, pela geração e

envio de pulsos à placa de acionamento e controle dos motores, e pela coleta e armazenamento

dos dados (tensão, corrente, irradiância, temperatura).

Figura 17 – Armários.

Para aquisição do valor da corrente de carga e descarga da bateria,

foram utilizados resistores tipo shunt, para a corrente da carga foram utilizados sensores de

efeito Hall e para a medida da irradiância foram utilizados sensores de radiação global

colocados junto ao plano dos painéis, assim como sensores de temperatura para coleta deste

parâmetro junto à superfície dos mesmos. Além destes dados, foram também coletadas

temperatura ambiente e irradiância no plano horizontal.

59

Aplicado a estes dois sistemas fotovoltaicos, foi desenvolvido este

trabalho, com o objetivo de levantar as características elétricas, como tensão na bateria,

corrente de carga e descarga e corrente na carga. Para este objetivo foram montados em cada

um dos painéis sistemas de aquisição e controle.

4.1.1 Composição do sistema experimental

O sistema, basicamente foi composto dos seguintes elementos:

• Dois módulos fotovoltaicos idênticos, de silício monocristalino, modelo SE 50 do

fabricante Shell Solar com as seguintes características nominais (tolerâncias de +/–

10%):

• Tensão de Circuito Aberto (VOC) = 21,3 V

• Corrente de Curto-Circuito (ISCC) = 3,4 A

• Tensão de Potência Máxima ( MPV ) = 16,7 V

• Corrente de Potência Máxima ( MPI ) = 3,0 A

• Potência Máxima (PM) = 50 Wp

• Dois transdutores de tensão, com entrada nominal na faixa de 0-15 Vcc e saída de 0 -

20 mAcc, mostrada no lado direito da Figura 18.

• Dois Transdutores de corrente, com entrada nominal na faixa de 0-25 Acc e saída de

4 – 20 mAcc, mostrada no lado esquerdo da Figura 18.

• Duas cargas dinâmicas eletrônicas, que serão descritas detalhadamente a seguir,

ligadas em cada sistema.

• Dois controladores lógicos programáveis, dotados de módulos de expansão, para

aquisição dos parâmetros elétricos em sua portas analógicas.

• Dois controladores de carga/descarga da bateria, com capacidade nominal de 12 A,

conforme pode e ser visto na Figura 19.

• Duas baterias de chumbo-ácido, reguladas por válvulas, 12V e 7,2Ah

60

Figura 18 – Transdutores de tensão e corrente

Figura 19 – Controlador de Carga e Descarga

61

A Figura 20, mostra um diagrama representando a montagem utilizada

para a aquisição dos parâmetros utilizados para essa pesquisa.

Figura 20 – Esquema do sistema de aquisição

Utilizando esta estrutura em duplicata, levantou-se os parâmetros de

corrente de carga e descarga na bateria, tensão nos seus terminais, como também, a corrente de

na carga dinâmica, sempre com o objetivo de comparar comportamento da bateria no sistema

fixo convencional, com a bateria ligada em um sistema de posicionamento automático. Estes

resultados são apresentados e discutidos no próximo capítulo. A Figura 21, mostra o

fluxograma que representa á lógica de programação utilizada no CLP, para aquisição dos

parâmetros elétricos utilizados para o objeto de análise deste trabalho.

62

Figura 21 – Fluxograma do Programa de aquisição de dados .

4.2 Definição da carga.

Com o objetivo de avaliar um comportamento real, desenvolveu-se

uma carga que atendesse às especificações exigidas pela presente pesquisa. No início da

montagem em laboratório foram utilizadas cargas resistivas, na forma de lâmpadas

63

incandescentes. Porém, esse tipo de carga mostrou-se limitada, para explorar o comportamento

da bateria em condições variadas de utilização.

Procurando por uma solução que atendesse aos objetivos dessa análise,

projetou-se uma carga dinâmica eletrônica, que permiti-se simular as condições reais de

funcionamento. A seguir descrevemos as características dessa carga.

A carga eletrônica foi desenvolvida para drenar corrente de maneira

automática, conforme programação solicitada pelo controlador CLP. A tensão prevista para o

terminal de carga é de 14V

A potência nominal da carga eletrônica é 450W, para uma corrente

máxima de 15 Ampères, em situação limite de operação, considerando-se tensão máxima de

14V e corrente de 15A por módulo.

O projeto foi desenvolvido dentro de parâmetros de temperatura

suportados pelos transistores de potência, os quais, quando em operação, não devem exceder

em suas carcaças à temperatura de 80ºC; para tanto, é imprescindível a instalação de sistema

de refrigeração do ar ambiente, com dutos de ventilação forçada sobre os dissipadores de

potência, garantindo o limite de temperatura especificado.

4.2.1 Diagrama em Blocos

Apresenta-se na Figura 22 um diagrama em blocos de um módulo de

potência da carga eletrônica. A carga foi projetada para trabalhar em regime estático de

solicitação de corrente; o que significa que, a cada incremento de corrente solicitado pelo

CLP, haverá um tempo de acomodação das características da mesma, que poderá ser maior ou

menor dependendo do nível de potência. Nos testes realizados, como o aumento ou a

diminuição de corrente sempre ocorreram de maneira gradual (lenta), este tempo de

acomodação não foi determinante para qualquer alteração nos resultados de ensaios, haja vista

que o sistema de controle trabalha em malha fechada, com sensor de corrente de efeito Hall,

medindo e corrigindo qualquer pequena variação na corrente da carga.

64

Figura 22 - Diagrama em Blocos de um Módulo de Potência.

Identificam-se, no diagrama, os seguintes blocos, com suas funções:

• ATUADOR: é composto pelos transistores de potência, responsáveis por drenar

corrente do alternador durante os testes.

• SENSOR DE CORRENTE: é um resistor de baixo valor, com boa estabilidade

térmica, com a função de fornecer ao circuito de realimentação uma amostra da

corrente que está sendo drenada do alternador.

• AMPLIFICADOR: amplifica o sinal proveniente do sensor de corrente para níveis

compatíveis com o sinal de controle, vindo do CLP.

• AMPLIFICADOR DE DIFERENÇA: é o circuito que fecha a malha de realimentação,

comparando o sinal de controle (vindo do CLP) ao sinal amplificado do sensor de

corrente e determinando o nível do sinal que acionará a potência.

AMPLIFICADORDE DIFERENÇA

ATUADOR(Transistores de

Potência)

ALARME DE SOBRECORRENTE

(com memória e buffer de saída)

AMPLIFI- CADOR

SINAL

(+)

SENSOR DE CORRENTE

(–)

(+)

SAÍDA

65

• ALARME DE SOBRECORRENTE: monitora a corrente drenada, e em caso de

sobrecorrente, desarma o módulo, envia um sinal de alarme ao CLP e memoriza a

situação de falha, até que o sistema seja desligado e religado ou seja rearmado por

intervenção do operador.

4.2.2 Circuito Eletrônico

Apresenta-se na Figura 23 o circuito eletrônico completo de um

módulo de potência da carga eletrônica.

Figura 23 - Circuito Eletrônico de um Módulo de Potência.

66

4.2.3 Descrição de Funcionamento

O funcionamento da carga eletrônica baseia-se na capacidade dos

transistores de potência consumirem no coletor uma corrente que é proporcional à corrente de

base, amplificada. Deste modo, o conjunto formado por Q1, Q2, Q3, Q4 e Q5, é o atuador e

recebe na base uma corrente proveniente de Q6, que amplificada, representa a corrente que é

consumida do alternador sob teste. Os resistores R3, R4, R5, R6 e R7 têm por função equalizar

as correntes nos emissores dos transistores Q1 a Q5, evitando que diferenças em seus ganhos

provoquem uma queima ‘em cascata’ dos mesmos, por excesso de potência.

O resistor RS1 é o sensor de corrente, sobre o qual mede-se uma tensão

proporcional à soma das correntes dos emissores de Q1 a Q6, que é a corrente total drenada do

alternador. A tensão amostrada é enviada ao amplificador U1D através da rede de avanço RC

formada por R16 e C3, cuja função é reduzir o tempo de resposta de malha fechada, evitando

oscilações no sistema de realimentação.

O sinal amostrado é amplificado no amplificador formado por U1D, R8,

R9, R10 e R11, sendo que R11 é um potenciômetro que permite um ajuste fino do ganho no

instante da instalação do módulo. O sinal amplificado é enviado ao amplificador de diferença

e ao alarme de sobrecorrente.

No amplificador de diferença, formado por U1A, R1, R2, R12 e R13, a

amostra do sinal de saída, amplificada, é comparada com a tensão do sinal de controle

(VCLP), e a diferença entre as mesmas gera o sinal de erro que é aplicado à base do transistor

Q6; caso o sinal do CLP seja aumentado, há um aumento na diferença e um conseqüente

aumento na tensão de erro, o que irá gerar aumento na corrente drenada pelo atuador. Caso a

tensão VCLP diminua, o processo inverso ocorre.

O alarme de sobrecorrente é formado por um comparador e um buffer.

O comparador é formado por U1C, R14, R15, D1 e D2. Caso ocorra um aumento na corrente de

carga acima de 16,5A (15A + 10%), a saída do comparador inverte-se e o diodo D2 passa a

conduzir, levando a entrada não-inversora do amplificador de diferença a nível zero, o que

desliga o atuador. Para evitar um rearme automático do sistema, ou uma situação de operação

instável, quando a saída do comparador inverte-se, D1 também conduz, mantendo a saída do

67

comparador em nível baixo, mesmo que a condição de sobrecorrente deixe de existir, em vista

do atuador ter sido desligado. Esta memória do alarme pode ser desativada abrindo-se

temporariamente o jumper J3, ou desligando e religando a fonte de alimentação de +/-15Vcc.

De acordo com esses parâmetros foram confeccionadas as placas de

circuito impresso e a montagem dos componentes, para a utilização como carga dinâmica para

as baterias. A possibilidade de variar a corrente e analisar o comportamento da bateria nessas

condições, permite avaliar as respostas em todas as situações de operação. Isto permite

analisar a bateria submetida em condições reais de operação

A Figura 24 mostra a foto da carga dinâmica montada para utilização

na parte experimental deste trabalho.

Figura 24 – Carga Eletrônica Dinãmica.

68

Com o objetivo de analisar o comportamento das baterias submetidas a

condições de funcionamento próximas a situação real, definiu-se uma curva de demanda de

carga para tal estudo. A Figura 25, mostra três curvas de carga, sendo possível, de acordo com

a conveniência, ajustá-la para qualquer valor ou forma, apenas variando a tensão de controle

VCLP, indicada na Figura 23. Pode-se observar a grande vantagem da utilização deste

dispositivo usado como carga. Na verdade pode-se representar uma vasta gama de

comportamentos diferentes.

Figura 25 – Exemplo de curvas da carga dinâmica.

Para alcançar os objetivos previstos para o desenvolvimento deste

trabalho, foram seguidas algumas etapas, as quais serão descritas detalhadamente, a seguir.

4.3 Simulação Computacional

Com objetivo de compreender o funcionamento de baterias, utilizou-se

o expediente de simular o comportamento das baterias em ambiente computacional. O texto a

seguir mostra o procedimento adotado para essa análise computacional.

69

4.3.1 Modelo de Baterias Chumbo-Ácido

Baterias de Chumbo-Ácido são bastante difíceis de modelar

computacionalmente, devido a sua complexidade e comportamento não-linear do sistema.

Uma série de trabalhos de simulação e modelagem foram analisados, tais como os

apresentados por Min Chen & Rincon-Mora (2006), Salameh Et Al. (1992), Chan (2000), e

Robbins & Hawkins (1994). A análise detalhada destes trabalhos contribuiu

significativamente para a compreensão do funcionamento e comportamento da bateria.

Finalmente para o presente trabalho, adotou-se o modelo baseado nas

equações descritas por LASNIER (1990) como também em CASTANER & SILVESTRE

(2003). Tal escolha baseia-se no fato desse modelo ter sido desenvolvido e utilizado em

aplicações ligadas a sistemas fotovoltaicos, como também aliar a condição de relativa

simplicidade de modelagem.

Os parâmetros de entrada são:

• Estado de Carga Inicial – SOC1 (%) : indicando a carga disponível no início do sistema

(tempo=0s).

• Estado de Carga Máximo – SOCm (Wh) : máxima capacidade da bateria.

• Número de Células de 2V conectadas em série – ns (adimensional).

• Taxa de Carga/Descarga (eficiência) da Bateria – k (adimensional) : depende das

características intrínsecas da bateria.

• Taxa de Auto-Descarga da Bateria D (h-1) : depende das características empíricas da

bateria.

Para a análise foi restringida a operação em dois modos : Carga e

Descarga. Desprezando os processos de “Overcharge” e “Undercharge”, os quais implicam

significativamente na vida útil da bateria e suas respectivas manutenções. Relembrando que os

modelos são baseados nas equações de Lasnier e Tang).

Para início da análise utiliza-se o modelo representado pela Figura 26.

70

Figura 26 – Modelo simplificado de bateria de chumbo-ácido.

Em modo de carga utilizaremos a equação 14 para representar a tensão

V1 e equação 15 representa o cálculo de R1

1V = Vch = (2 + 0,148. )nsβ (14)

1m

0.1309 nsR = Rch = 0,758 + .1,06 - SOCβ

⎛ ⎞⎡ ⎤⎜ ⎟⎢ ⎥

⎣ ⎦ ⎝ ⎠ (15)

Onde

m

SOCSOC

β = (16)

Na relação apresentada pela equação 16, SOCm, representa o máximo

valor para o estado de carga da bateria, enquanto o valor de SOC representa o estado de carga

da bateria em um dado momento, calculado internamente pelo modelo, ambos valores com

unidade em Wh. A tensão na bateria é dada pela equação 17.

bat dch bat dchV = V + I .R (17)

Quando a bateria estiver no modo de descarga, as equações 18 e 19,

representam respectivamente, V1 e R1.

1 dchV = V = (1,926 + 0,124. ).nsβ (18)

1 dchm

0.1037 nsR = R = 0,19 + . - 0,14 SOCβ

⎛ ⎞⎡ ⎤⎜ ⎟⎢ ⎥

⎣ ⎦ ⎝ ⎠ (19)

71

E nesse caso, a tensão de terminal da bateria, quando em modo de

descarga, é representada pela equação 20

bat dch bat dchV = V + I .R , 0batI < (20)

A Figura 27, mostra o esquema elétrico equivalente, para o modelo de

bateria adotado. A Figura 28, mostra o esquema completa, incluindo o bloco que contém o

esquema elétrico do modelo proposto. Para efeito prático, tal modelo pode ser utilizado numa

ferramenta computacional conhecida como Orcad Pspice.

A seguir, apresenta-se a metodologia de funcionamento do sistema. O

controle do sistema será feito através do sentido da corrente Ibat (valores nominais positivos ou

negativos):

Para Ibat > 0

• Há o fornecimento de energia da fonte para o sistema de baterias. Ou seja, o

carregamento da bateria.

• Haverá o fechamento das chaves Wch e Wch2 e abertura das chaves Wdch e Wdch2.

• Ibat irá percorrer o sentido do nó 2 ao terminal negativo de Vch.

Para Ibat < 0

• Há o fornecimento de energia da bateria para a carga. Ou seja, o descarregamento da

bateria.

• Haverá o fechamento das chaves Wdch e Wdch2 e abertura das chaves Wch e Wch2.

• Ibat irá percorrer o sentido do terminal negativo de Vdch ao nó 2.

72

Figura 27 – Modelo da bateria no PSPICE.

73

Figura 28 – Esquema completo do Modelo.

É necessário antes de qualquer coisa, ilustrar as diferenças e

similaridades entre o SOCn(t) (estado de carga normalizado) e o SOC(t).

O SOC(t) é a energia armazenada, o estado de carga, em Wh em um

dado instante. Já o SOCn(t) ilustra uma porcentagem da carga total armazenada.

O estado da carga da num dada instante é representado pela expressão

mostrada na equação 21.

n mSOC(t) = SOC (t) x SOC (21)

Figura 27

74

O próximo passo foi desenvolver as equações para carga e descarga do

modelo da bateria e com o auxílio do ambiente de trabalho Matlab, versão 6.5, criaram-se

rotinas baseadas nesse desenvolvimento matemático,

Considerando por este modelo, na forma de uma equação diferencial ,

como descrita na equação 22 , que rege a evolução do SOC(t), é dada por:

( )1.( ) ( ) ( )3600 3600

batkV ISOC t dt SOC t DSOC tdt

+ −= − (22)

Pela definição matemática da derivada:

f(t + dt) - f(t) df(t) = dt dt

(23)

A partir das equações 22 e 23, pode-se escrever a expressão

1 bat(kV I )dSOC(t) DSOC(t) = - dt 3600 3600

(24)

Em seguida, substitui-se V1 na equação 24, para cada caso, seja de

carregamento ou descarregamento da bateria.

Inicialmente para a situação de carregamento (Ibat > 0), temos as

seguintes expressões:

1 chV = V = (2 + 0,148 )nsβ (25)

m

SOC(t)= SOC

β (26)

bat m(k.I ).(2 + 0,148.SOC(t)/SOC )nsdSOC(t) D.SOC(t) = - dt 3600 3600

(27)

logo,

75

bat bat

m

2.k.I .ns 0,148. k.I .ns.SOC(t)dSOC(t) DSOC(t) = + - dt 3600 3600.SOC 3600

(28)

Aplicando a Transformada de Laplace em ambos os membros da

equação:

bat bat

m

2.k.I .ns 0,148. k.I .ns.SOC(t)dSOC(t) DSOC(t)L = Ldt 3600 3600.SOC 3600

⎡ ⎤⎡ ⎤ + −⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦ (29)

bat bat2.k.I .ns 0.148. k.I .ns.SOC(s) D.SOC(s)s.SOC(s) - SOC(t = 0) = + -3600 3600.SOCm 3600

(30)

bat bat1 m

2.k.I .ns 0.148. k.I .ns.SOC(s) D.SOC(s)s.SOC(s) - SOC .SOC = + -3600 3600.SOCm 3600

(31)

Isolando SOC(s):

bat

m

3600SOC(s)= 0,148. k.I .ns Ds-3600.SOC 3600

+ (32)

Finalmente, aplicando a transformada inversa de Laplace:

.0.148. k.Ibat.ns D t

3600.SOCm 3600bat1 m

2.k.I .nsSOC(t)= SOC .SOC .e3600

⎛ ⎞−⎜ ⎟⎝ ⎠⎛ ⎞+⎜ ⎟

⎝ ⎠ (33)

Finalizando para a situação de descarregamento (Ibat < 0), temos as

seguintes expressões:

1 dchV = V = (1,926 + 0,124. )nsβ (34)

m

SOC(t)= SOC

β (35)

bat m(k.I ).(1,926 + 0,124.SOC(t)/SOC )nsdSOC(t) D.SOC(t) = - dt 3600 3600

(36)

76

logo,

bat bat

m

1,926.k.I .ns 0,124. k.I .ns.SOC(t)dSOC(t) DSOC(t) = + - dt 3600 3600.SOC 3600

(37)

Aplicando a Transformada de Laplace em ambos os lados da equação:

bat bat

m

1,926.k.I .ns 0,124. k.I .ns.SOC(t)dSOC(t) DSOC(t)L = Ldt 3600 3600.SOC 3600

⎡ ⎤⎡ ⎤ + −⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦ (38)

bat bat1,926.k.I .ns 0,124. k.I .ns.SOC(s) D.SOC(s)s.SOC(s) - SOC(t=0) = + -3600 3600.SOCm 3600

(39)

bat bat1 m

1,926.k.I .ns 0,124. k.I .ns.SOC(s) D.SOC(s)s.SOC(s) - SOC .SOC = + -3600 3600.SOCm 3600

(40)

Isolando SOC(s):

bat

1 m

bat

m

1,926.k.I .ns SOC .SOC3600SOC(s)= 0,124. k.I .ns Ds-3600.SOC 3600

+

+ (41)

Finalmente, aplicando a transformada inversa de Laplace:

.0.124. k.Ibat.ns D t

3600.SOCm 3600bat1 m

1,926.k.I .nsSOC(t)= SOC .SOC .e3600

⎛ ⎞−⎜ ⎟⎝ ⎠⎛ ⎞+⎜ ⎟

⎝ ⎠ (42)

Com base no desenvolvimento das expressões (33) e (42), foram

desenvolvidos alguns projetos para analisar o comportamento em algumas condições

diferentes

PROJETO 01 – CARGA DA BATERIA

77

Projetando um modelo com os seguintes parâmetros de entrada para

uma bateria em processo de carregamento:

• ns = 12

• SOC1 = 0.45 (45%)

• SOCm = 1200 Wh

• k = 0.8

• D = 0.001 h-1

• Ibat = 2 (A)

O Quadro 1 mostra a implementação em rotina do Matlab, Hanselman

& Littlefield, (2000), para o modelo proposto.

Obtém-se então o seguinte gráfico, mostrado pela Figura 29 da

evolução de SOC(t).

Analisando o gráfico obtido pode-se concluir que o tempo necessário

para que haja o carregamento da bateria é relativamente alto. Para atingir um valor de 83,33%

do valor máximo (ou seja, 1000Wh) o tempo necessário foi de aproximadamente 1,6 x 106

segundos (~444,44 horas, ou seja, 18,52 dias). Isso ainda porque a bateria já partiu de um

valor inicial de 540Wh (0,45 x 1200Wh), e considerando que a bateria foi suprida o tempo

inteiro com um valor de corrente contínua de 2A.

Quadro 1 – Rotina no Matlab para o primeiro projeto do modelo da bateria

>>ns=12;

>>SOC1=0.45;

>>SOCm=1200;

>>k=0.8;

>>D = 0.001;

>>t=0:100:2000000

78

>>i=1:1:20001;

>>Ibat(i)=2

>>for i=1:1:20001

SOC(i)=(SOC1*SOCm+2*k*Ibat(i)*ns/3600)*exp((0.148*k*Ibat(i)*ns/(3600*SOCm)-

D/3600)*t(i));

end

>>i=1:1:20001;

>>plot(t,SOC(i))

>>grid

Figura 29 – Evolução do SOC do modelo da bateria, no modo de carga.

79

Um método eficiente para diminuir esse tempo de carregamento seria

aumentar o valor CC de Ibat e alterar os parâmetros de entrada do fabricante (k, D e SOCm).

Implementando agora o SOC normalizado (SOCn), de acordo com a

rotina apresentada no quadro 2.

Quadro 2 – Rotina no Matlab para um SOC normalizado da bateria

>>for i=1:1:20001

SOCn(i)=SOC(i)/SOCm;

end

>> i=1:1:20001;

>> plot(t,SOCn(i))

>> grid

Obtém-se então, o gráfico da evolução de SOCn(t), mostrado na Figura

30.

80

Figura 30 – Evolução do SOC normalidado, para 0 < SOCn < 1.

PROJETO 02 – DESCARGA DA BATERIA

Projetando um modelo com os seguintes parâmetros de entrada para

uma bateria em processo de descarregamento:

• ns = 12

• SOC1 = 0.45 (45%)

• SOCm = 1200 Wh

• k = 0.8

• D = 0.001 h-1

• Ibat = -2 (A)

81

O Quadro 3, contém a rotina implementada, para os parâmetros

definidos pelo projeto 02.

Quadro 3 – Rotina no Matlab para a segundo projeto da bateria

>>ns=12;

>>SOC1=0.45;

>>SOCm=1200;

>>k=0.8;

>>D = 0.001;

>> t=0:1000:7000000

>>i=1:1:7001;

>>Ibat(i)=-2

>>for i=1:1:7001

SOC(i)=(SOC1*SOCm+2*k*Ibat(i)*ns/3600)*exp((0.148*k*Ibat(i)*ns/(3600*SOCm)-

D/3600)*t(i));

end

>>i=1:1:7001;

>>plot(t,SOC(i))

>>grid

A Figura 31 mostra o gráfico da evolução de SOC(t), no modo de

descarga.

82

Figura 31 – Evolução do SOC do modelo da bateria, no modo de descarga.

Implementando agora o SOC normalizado (SOCn), de acordo com a

rotina apresentada no quadro 4.

Quadro 4 – Rotina no Matlab para um SOC normalizado da bateria

>>for i=1:1:7001

SOCn(i)=SOC(i)/SOCm;

end

>> i=1:1:7001;

>> plot(t,SOCn(i))

>> grid

Obtém-se então, o gráfico da evolução de SOCn(t), mostrado na Figura

32.

83

Figura 32 – Evolução do SOC normalizado.

Assim como no caso do carregamento, pode-se concluir que o tempo

necessário para que haja o descarregamento da bateria é relativamente alto. Para atingir um

valor de 16,67% do valor máximo (ou seja, 200Wh) o tempo necessário foi de

aproximadamente 1,0 x 106 segundos (~277,78 horas, ou seja, 11,57 dias). Isso ainda porque a

bateria já partiu de um valor inicial de 540Wh (0,45 x 1200Wh), e considerando que a bateria

foi suprida o tempo inteiro com um valor em corrente contínua de corrente de -2A.

Um método eficiente para diminuir esse tempo de descarregamento

seria aumentar o valor em corrente contínia de Ibat e alterar os parâmetros de entrada do

fabricante (k, D e SOCm).

Variando-se agora o valor de k dentro de uma faixa de 0,4 a 0,8, com

os outros valores constantes, procura-se obter uma comparação gráfica direta. Isto pode ser

vista na Figura 33.

84

Figura 33 – Evolução do SOC para diferentes valores de k.

No próximo capítulo serão mostrados os resultados da aquisição dos

parâmetros elétricos na montagem experimental proposta por este trabalho.

85

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES

A seguir serão apresentados alguns resultados que irão permitir a

análise e a melhor compreensão do comportamento do sistema de armazenamento, que

consiste de baterias de chumbo-ácido, utilizados em duas configurações distintas. A princípio,

serão sempre destacados os resultados obtidos no sistema móvel, em oposição ao sistema fixo.

A partir dessa análise, será discutida a diferença de comportamento entre ambos.

Inicialmente apresentam-se os resultados obtidos para o

comportamento de carga e descarga da bateria utilizada nesse trabalho. A Figura 34, mostra o

comportamento da bateria em situação de carga. Na linha em azul, temos o comportamento da

tensão nos terminais da bateria, obtidos através da aquisição em intervalos de 1 minuto.

Enquanto isso, a curva na cor preta, apresenta uma aproximação utilizando uma regressão não-

linear do comportamento de carga.

A seguir, na Figura 35, apresenta-se o comportamento da bateria em

processo de descarga. Da mesma forma que a Figura 34, apresentam-se duas curvas, uma

representando os valores coletados(azul)e a aproximação numérica(preto).

86

0 1 2 3 4 5 6 711.7

11.8

11.9

12

12.1

12.2

12.3

12.4

12.5

12.6

12.7

Tempo (horas)

Tens

ão (V

)

CURVA DE CARGA

Dados da amostragemAproximação numérica

Figura 34 – Curva de carga da bateria.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 410.8

11

11.2

11.4

11.6

11.8

12

12.2

12.4

Tempo (horas)

Tens

ão (V

)

CURVA DE DESCARGA

Figura 35 – Curva de descarga da bateria.

87

É importante observar que os comportamentos obtidos para carga e

descarga, condizem com o esperado para as baterias de chumbo-ácido, conforme visto na

revisão bibliográfica.

A seguir inicia-se a apresentação dos resultados coletados num

determinado dia , que denominaremos de caso 1, a Figura 36, mostra a tensão nos terminais da

bateria, ligadas a duas cargas de mesmo comportamento. O período de coleta é das 7h00 até as

19h00. A Figura 37, mostra o comportamento da bateria para o mesmo caso 1 em análise. É

possível observar nestas duas figuras, que tanto em termos de tensão elétrica, como corrente,

que a bateria ligada na configuração móvel, sempre apresenta maiores valores, quando

submetidos à mesma situação de corrente de carga, como pode ser vista na Figura 38. As

condições de radiação de temperatura para o caso 1 são apresentadas na Figura 39, e como em

todos os resultados aqui apresentados, sempre considera-se os dois sistemas, fixo e móvel. Na

Tabela 3, observa-se os valores de tensão e corrente coletados para o caso1.

6 8 10 12 14 16 18 2010

10.5

11

11.5

12

12.5

13

13.5

14

14.5

15

Tempo [hora do dia]

Tens

ão n

os te

rmin

ais

da B

ater

ia [V

]

FixoMóvel

Figura 36 – Tensão nos terminais da bateria coletada para o caso 1.

88

6 8 10 12 14 16 18 20-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Tempo [hora do dia]

Cor

rent

e da

bat

eria

[A]

FixoMóvel

Figura 37 – Corrente na bateria coletada para o caso 1.

6 8 10 12 14 16 18 20-0.5

0

0.5

1

1.5

2

Tempo [hora do dia]

Cor

rent

e[A]

FixoMóvel

Figura 38 – Corrente na Carga, coletada para o caso 1.

89

Tabela 3 – Parâmetros elétricos coletados para o caso 1.

Tempo

(h)

Fixo

Tensão

bateria(V)

Fixo

Corrente

bateria(A)

Fixo

Corrente

carga(A)

Móvel

Tensão

bateria(V)

Móvel

Corrente

bateria(A)

Móvel

Corrente

carga(A)

7:00 11,50 0,03 -0,07 11,80 0,26 0,00

7:30 11,40 0,38 -0,07 11,30 0,26 0,52

8:00 11,70 0,29 -0,07 11,20 -0,16 0,52

8:30 11,60 -0,92 0,45 12,40 0,00 0,67

9:00 12,00 -0,24 0,54 12,20 -0,36 0,54

9:30 12,20 0,01 0,54 11,90 -0,66 0,54

10:00 12,40 -1,05 0,57 12,60 -0,86 0,57

10:30 12,70 -2,06 0,57 13,10 -1,06 0,58

11:00 13,10 -1,91 0,60 13,70 -1,13 0,61

11:30 13,50 0,74 0,63 13,70 -1,11 0,61

12:00 14,10 -2,02 0,66 13,90 -1,15 0,67

12:30 13,00 -0,58 0,71 13,30 -0,47 0,72

13:00 12,70 0,00 0,77 12,80 0,20 0,79

13:30 12,70 0,00 0,85 12,70 0,16 0,85

14:00 14,50 0,97 0,98 13,70 -0,70 0,87

14:30 13,60 1,07 1,05 13,70 -1,08 0,97

15:00 13,80 1,19 1,17 13,80 -0,79 1,08

15:30 13,20 0,97 1,26 13,50 1,46 1,23

16:00 14,10 -1,07 1,36 14,30 -0,17 1,38

16:30 13,90 -1,04 1,46 14,10 0,00 1,45

17:00 13,00 -0,78 1,56 13,90 0,27 1,57

17:30 12,50 -0,63 1,66 13,90 0,38 1,68

18:00 12,30 -0,45 1,71 13,80 1,41 1,74

18:30 12,20 0,22 1,76 12,60 1,32 1,76

19:00 12,10 1,30 1,75 12,40 1,39 1,79

90

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 170

500

1000

1500

Tempo [hora do dia]

Rad

iaçã

o S

olar

[W/m

2]

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 170

20

40

60

Tempo [hora do dia]

Tem

pera

tura

[°C

]

MóvelFixo

Figura 39 – Radiação solar e Temperatura nos painéis, coletadas para o caso 1.

Continuando a discussão em cima dos resultados apresentados para o

caso 1, e com objetivo de ressaltar melhor a diferença de comportamento das baterias em

condições equivalentes de operação, mostra-se na Figura 40. É possível visualizar melhor,

que a bateria ligada ao painel fixo trabalha com um nível de tensão superior em relação a

bateria ligada no painel fixo. Na Figura 41, utiliza-se o mesmo expediente, quando são

mostrados os valores médios de corrente para as baterias ligadas nos dois sistemas. Parece

importante destacar, o comportamento da bateria no sistema fixo, que apresentou um valor

médio de corrente negativa, que significa que estava em situação de carga e que, portanto não

contribuía para alimentar a carga.

91

6 8 10 12 14 16 18 2012

12.2

12.4

12.6

12.8

13

13.2

13.4

13.6

13.8

14

Tempo [hora do dia]

Tens

ão M

édia

nos

term

inai

s da

Bat

eria

[V]

FixoMóvel

Figura 40 – Tensão Média nos terminais da bateria para o caso 1.

6 8 10 12 14 16 18 20-0.6

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

Tempo [hora do dia]

Cor

rent

e M

édia

da

bate

ria [A

]

FixoMóvel

Figura 41 – Corrente Média na bateria para o caso 1.

92

6 8 10 12 14 16 18 20-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Tempo [hora do dia]

Pot

ênci

a na

bat

eria

[W]

FixoMóvel

Figura 42 – Potência Instantânea na bateria para o caso 1.

6 8 10 12 14 16 18 20-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

Tempo [hora do dia]

Pot

ênci

a M

édia

na

bate

ria [W

]

FixoMovel

Figura 43 – Potência Média na bateria para o caso 1.

Interessante também é o resultado apresentado na Figura 42 , que

mostra o comportamento da potência instantânea na bateria. É possível notar nessa figura que

93

bateria do sistema físico opera em muitos momentos como carga. Na Figura 43, esse modo de

operação fica mais nítido, quando se apresenta a potência média dos dois sistemas. A Figura

44, mostra uma relação percentual do comportamento das baterias ligadas aos sistemas fixo e

móvel. Tomando-se os valores do fixo como referência, observa-se o ganho percentual do

móvel durante o período de operação de um dia. Com relação a corrente e potência, não é

possível fazer esse tipo de co-relação, uma vez que estes parâmetros apresentam valores

positivos e negativos, indicando a condição de carga e descarga na bateria. Entretanto, fez-se

uma análise em termos de energia. Para tanto, separou-se na Figura 45, a potência positiva das

duas baterias, ligadas no fixo e móvel. Esta potência positiva representa a situação quando a

bateria transfere a potência para a carga. Enquanto isso, observa-se na Figura 46, a potência

negativa, condição em que a bateria está consumindo potência. Para uma análise em termos de

energia, aplicou-se a integral no tempo para esses comportamentos da potência em todas as

situações. A Tabela 4, apresenta os resultados para a energia. Pode-se observar que que a

bateria móvel fornece mais energia e consome menos para as mesmas condições de

funcionamento.

6 8 10 12 14 16 18 20-10

-5

0

5

10

15

20

25

Tempo [hora do dia]

Rel

ação

da

tens

ão n

a ba

teria

Fix

o/M

óvel

[%]

Figura 44 – Relação percentual entre a tensão bateria Fixo/Móvel (Fixo como referência).

94

6 8 10 12 14 16 18 200

5

10

15

20

25

30

35

Tempo [hora do dia]

Pot

ênci

a fo

rnec

ida

pela

bat

eria

[V]

FixoMóvel

Figura 45 – Potência fornecida pela bateria.

6 8 10 12 14 16 18 20-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Tempo [hora do dia]

Pot

ênci

a co

nsum

ida

pela

bat

eria

[V]

FixoMóvel

Figura 46 – Potência consumida pela bateria.

95

Tabela 4 – Energia Gerada/Consumida nas baterias dos dois sistemas.

Fixo Móvel Diferença-Percentual de

energia Móvel/Fixo(Ref. Fixo)

Energia Gerada

(W.h) 32,70 48.62 48,66

Energia Consumida

(W.h) 102,94 63,04 -38,76

Continuando a discussão, toma-se agora um determinado dia de coleta,

que a partir de agora , considera-se como caso 2. De acordo como pode ser visto na Figura 47,

o caso 2 é um dia que foi afetado por nebulosidades, por quase todo período de coleta. Na

Tabela 5, pode ser vista uma amostra dos dados coletados para esse caso.

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 170

500

1000

1500

Tempo [hora do dia]

Rad

iaçã

o S

olar

[W/m

2]

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1710

20

30

40

50

Tempo [hora do dia]

Tem

pera

tura

[°C

]

MóvelFixo

Figura 47 – Radiação solar e Temperatura nos painéis, coletadas para o caso 2.

96


Tempo

(h)

Fixo

Tensão

bateria(V)

Fixo

Corrente

bateria(A)

Fixo

Corrente

carga(A)

Móvel

Tensão

bateria(V)

Móvel

Corrente

bateria(A)

Móvel

Corrente

carga(A)

7:00 11,60 0,16 -0,07 11,80 0,24 0,00

7:30 10,60 0,52 0,38 11,30 -0,01 0,66

8:00 11,50 0,32 -0,03 11,30 -0,01 0,56

8:30 11,50 -0,22 -0,07 11,70 0,22 -0,01

9:00 11,80 -0,53 0,54 12,20 -0,27 0,54

9:30 12,10 -0,30 0,55 12,20 -0,48 0,54

10:00 12,30 -1,11 0,57 12,60 -0,96 0,57

10:30 12,60 -2,07 0,58 13,10 -1,09 0,58

11:00 13,00 -1,94 0,60 13,70 -1,17 0,61

11:30 13,40 0,78 0,64 13,60 -1,17 0,64

12:00 13,70 -2,15 0,67 14,60 -1,54 0,66

12:30 14,30 -2,40 0,73 14,10 -1,41 0,69

13:00 13,50 0,87 0,78 13,60 1,56 0,78

13:30 13,50 0,99 0,89 13,60 1,64 0,83

14:00 12,70 0,08 0,93 12,90 0,27 0,92

14:30 14,20 -1,03 1,05 14,00 -0,35 1,05

15:00 13,10 -0,02 1,13 13,50 0,16 1,12

15:30 13,90 -0,26 1,23 14,10 0,16 1,26

16:00 12,50 0,64 1,35 12,50 0,99 1,35

16:31 13,20 -1,51 1,47 13,90 -0,43 1,50

17:00 12,30 0,71 1,56 12,40 1,08 1,56

17:30 12,10 1,50 1,67 12,20 1,62 1,68

18:00 11,90 1,50 1,71 12,00 1,59 1,73

18:30 11,60 1,51 1,76 11,70 1,52 1,77

19:00 11,20 1,56 1,77 11,40 1,40 1,79

97

Na seqüência de análise pode-se verificar na Figura 48, o

comportamento da tensão nos terminais da bateria ligada nos dois sistemas. Assim como no

caso 1, já discutido, pode-se observar que a tensão da bateria do sistema móvel, prevalece com

níveis superiores àquela ligado no painel fixo.Na Figura 49, apresenta-se o valor médio desta

tensão para as duas situações, ligadas ao painel fixo e móvel respectivamente. Assim como no

caso anterior pode-se notar que o nível médio da tensão da bateria no sistema móvel é superior

aos valores coletadas para a bateria ligada ao fixo. Com relação à corrente da bateria pode-se

observar resultados semelhantes, a Figura 50 mostra a corrente da bateria e a Figura 51 os

valores médios da corrente.

6 8 10 12 14 16 18 2010

10.5

11

11.5

12

12.5

13

13.5

14

14.5

15

Tempo [hora do dia]

Tens

ão n

os te

rmin

ais

da B

ater

ia [V

]

FixoMóvel


98

6 8 10 12 14 16 18 2012

12.5

13

13.5

Tempo [hora do dia]

Tens

ão M

édia

nos

term

inai

s da

Bat

eria

[V]

FixoMóvel


6 8 10 12 14 16 18 20-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Tempo [hora do dia]

Cor

rent

e da

bat

eria

[A]

FixoMóvel


99

6 8 10 12 14 16 18 20-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

Tempo [hora do dia]

Cor

rent

e M

édia

da

bate

ria [A

]

FixoMóvel


6 8 10 12 14 16 18 20-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

Tempo [hora do dia]

Pot

ênci

a na

bat

eria

[W]

FixoMóvel

Figura 52 – Potência na bateria para o caso 2.

100

8 10 12 14 16 18-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Tempo [hora do dia]

Pot

ênci

a M

édia

na

bate

ria [W

]

data1data2


A Figura 52, mostra o comportamento da potência para o caso 2 em

análise e a seguir na Figura 53, observa-se a potência média na bateria para os dois sistemas.

Da mesma forma como se observou no caso 1, a bateria do sistema móvel apresenta potência

superior que à do fixo. A situação se agrava, considerando-se o fato dos valores negativos,

representar a condição de carregamento da bateria. Ou seja, além de não contribuir para suprir

a carga, ainda absorve parte da energia do painel solar, que se torna única fonte alimentação

para a carga. Prosseguindo a análise, a Figura 54, mostra a relação percentual entre as tensões

fixo/móvel tomando como referência a tensão da bateria ligada ao painel fixo. A Figura 55 e a

Figura 56, mostram respectivamente os valores das potências positivas e negativas nas

baterias. Como feito anteriormente integra-se as potências para a obtenção da energia, como

pode ser visto na Tabela 6. Observa-se novamente que, a bateria do móvel produz mais

energia para a carga assim como consome menos quando isso se faz necessário.

101

6 8 10 12 14 16 18 20-5

0

5

10

15

Tempo [hora do dia]

Rel

ação

da

tens

ão n

a ba

teria

Fix

o/M

óvel

[%]


6 8 10 12 14 16 18 200

5

10

15

20

25

30

Tempo [hora do dia]

Pot

ênci

a fo

rnec

ida

pela

bat

eria

[V]

FixoMóvel


102

6 8 10 12 14 16 18 20-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Tempo [hora do dia]

Pot

ênci

a co

nsum

ida

pela

bat

eria

[V]

FixoMóvel





Energia Gerada

(W.h) 58,23 67,69 16,25

Energia Consumida

(W.h) 66,59 49,37 -25,86

A seguir será discutida uma situação diferente das anteriores, onde a

carga utilizada requeria o mesmo valor de corrente de ambas baterias. Nos dados coletados ,

em um determinado dia que chamaremos de caso 3 , a carga ligada à bateria do sistema móvel

está submetida a valores de corrente maiores que o da bateria do sistema fixo, como mostra a

Figura 57. A Tabela 7, apresenta uma amostra dos valores de tensão e corrente do caso 3. Em

seguida, apresenta-se a Figura 58, que mostra o comportamento da tensão dos terminais da

bateria nas condições descritas como caso 3. Pode-se observar que mesmo submetida a

condições mais severas, a bateria consegue manter níveis de tensão iguais ou superiores aos da

bateria ligada ao painel fixo

103

6 8 10 12 14 16 18 20-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Tempo [hora do dia]

Cor

rent

e[A

]

FixoMóvel

Figura 57 – Corrente na carga para o caso 3.

6 8 10 12 14 16 18 2010

10.5

11

11.5

12

12.5

13

13.5

14

14.5

15

Tempo [hora do dia]

Tens

ão n

os te

rmin

ais

da B

ater

ia [V

]

FixoMóvel

Figura 58 – Tensão nos terminais da bateria para o caso 3.

104

Analisando-se a Figura 59, onde se apresentam os valores médios da

tensão na bateria para as baterias ligadas nos dois sistemas. Novamente observa-se que o nível

de tensão médio é superior, mesmo quando submetida a exigências superiores pela carga. A

Figura 60, mostra os valores da corrente na bateria para as duas baterias, e a seguir a Figura

61, mostra os valores médios de corrente, onde é possível melhor observar que a bateria ligada

ao sistema móvel consegue fornecer maior corrente, mesmo com a exigência maior pela carga.

Em termos de potência para esse caso, observando a Figura 62 pode-se ver o comportamento

da potência da bateria para os dois sistemas. Para acentuar a diferença de comportamento,

coloca-se a Figura 63, com os valores médios de potência. É interessante ressaltar mais uma

vez que, apesar das duas baterias atuarem como carga, a bateria do móvel exige menos energia

apesar de estar ligada à carga com curva de demanda mais exigente.A Figura 64 , mostra as

condições de temperatura e radiação coletados no caso 3. A Figura 65 mostra a relação

percentual fixo/móvel para a tensão na bateria. A Figura 66 e Figura 67, mostram

respectivamente as potências positivas e negativas, representando a carga e descarga da

bateria. A Tabela 8, mostra resultado da energia, onde novamente observa-se uma condição

favorável para a bateria ligada no sistema móvel.

6 8 10 12 14 16 18 2012

12.5

13

13.5

Tempo [hora do dia]

Tens

ão M

édia

nos

term

inai

s da

Bat

eria

[V]

FixoMóvel


105


Tempo

(h)

Fixo

Tensão

bateria(V)

Fixo

Corrente

bateria(A)

Fixo

Corrente

carga(A)

Móvel

Tensão

bateria(V)

Móvel

Corrente

bateria(A)

Móvel

Corrente

carga(A)

7:00 11,40 0,02 -0,07 11,60 0,40 0,00

7:30 11,00 0,43 0,07 11,10 -0,01 0,54

8:00 11,50 -0,09 -0,07 11,50 -0,11 -0,01

8:30 11,80 -1,13 -0,07 12,40 -0,30 0,52

9:00 11,90 -0,23 0,54 12,10 -0,40 0,54

9:30 12,10 0,12 0,54 11,90 -0,72 0,55

10:00 12,30 -1,00 0,57 12,50 -0,95 0,57

10:30 12,60 -2,30 0,57 13,10 -1,32 0,59

11:00 12,40 -0,29 0,60 12,80 -0,20 0,60

11:30 13,10 -1,63 0,64 13,70 -1,24 0,69

12:00 13,90 -1,91 0,66 14,20 -1,58 0,84

12:30 13,50 -0,54 0,71 14,00 -0,44 0,84

13:00 13,80 -0,42 0,78 14,30 -0,30 0,96

13:30 13,20 0,06 0,84 13,40 -0,01 1,01

14:00 13,40 1,53 0,92 14,00 1,67 1,32

14:30 12,90 0,01 1,01 12,70 -0,03 1,28

15:00 13,20 -0,18 1,13 13,10 -0,11 1,44

15:30 13,60 -0,64 1,23 14,40 -0,82 1,75

16:00 14,00 -0,60 1,38 14,10 -0,38 1,88

16:30 14,10 -0,55 1,45 14,00 -0,09 1,94

17:00 13,60 -0,49 1,57 13,90 -0,01 1,99

17:30 12,60 -0,72 1,65 13,50 0,16 1,91

18:00 12,30 -0,02 1,74 13,00 1,68 1,90

18:30 12,20 1,39 1,75 12,40 1,33 2,01

19:00 11,90 1,74 1,76 12,30 1,80 1,97

106

6 8 10 12 14 16 18 20-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

Tempo [hora do dia]

Cor

rent

e da

bat

eria

[A]

FixoMóvel


6 8 10 12 14 16 18 20-0.35

-0.3

-0.25

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

Tempo [hora do dia]

Cor

rent

e M

édia

da

bate

ria [A

]

FixoMóvel


107

6 8 10 12 14 16 18 20-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Tempo [hora do dia]

Pot

ênci

a na

bat

eria

[W]

FixoMóvel

Figura 62 – Potência na bateria para o caso 3.

6 8 10 12 14 16 18 20-4.5

-4

-3.5

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

Tempo [hora do dia]

Pot

ênci

a M

édia

na

bate

ria [W

]

FixoMóvel


108

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 170

500

1000

1500

Tempo [hora do dia]

Rad

iaçã

o S

olar

[W/m

2]

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 170

20

40

60

Tempo [hora do dia]

Tem

pera

tura

[°C

]

MóvelFixo

Figura 64 – Radiação solar e Temperatura nos painéis, coletadas para o caso 3

6 8 10 12 14 16 18 20-10

-5

0

5

10

15

20

25

Tempo [hora do dia]

Rel

ação

da

tens

ão n

a ba

teria

Fix

o/M

óvel

[%]


109

6 8 10 12 14 16 18 200

5

10

15

20

25

30

35

Tempo [hora do dia]

Pot

ênci

a fo

rnec

ida

pela

bat

eria

[V]

FixoMóvel


6 8 10 12 14 16 18 20-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Tempo [hora do dia]

Pot

ênci

a co

nsum

ida

pela

bat

eria

[V]

FixoMóvel


110




Energia Gerada

(W.h) 21,45 47,66 122,20

Energia Consumida

(W.h) 77.48 54,50 -29,65

Dando continuidade a discussão deste trabalho experimental, analisam-

se agora os dados coletados de um determinado dia que chamaremos de caso 4, no qual se

dará especial atenção ao comportamento da bateria em condição de descarregamento. A

Tabela 9, apresenta uma amostra dos valores coletados para este dado caso em análise. A

Figura 68, mostra a tensão nos terminais da bateria, ao entardecer. Pode-se notar que a tensão

na bateria ligada ao painel móvel, é sempre superior áquela ligada ao fixo.

16 16.5 17 17.5 18 18.5 19 19.5 20 20.511

11.5

12

12.5

13

13.5

14

14.5

Tempo [hora do dia]

Tens

ão n

os te

rmin

ais

da B

ater

ia [V

]

FixoMóvel


111


Tempo

(h)

Fixo

Tensão

bateria(V)

Fixo

Corrente

bateria(A)

Fixo

Corrente

carga(A)

Móvel

Tensão

bateria(V)

Móvel

Corrente

bateria(A)

Móvel

Corrente

carga(A)

16:00 14,10 -1,08 1,36 14,30 -0,18 1,38

16:15 14,00 -1,04 1,40 14,10 -0,03 1,41

16:30 13,90 -1,04 1,46 14,10 -0,01 1,45

16:46 13,70 -0,94 1,52 14,00 -0,01 1,54

17:00 13,00 -0,78 1,56 13,90 0,28 1,57

17:15 12,60 -0,77 1,61 13,90 0,28 1,63

17:30 12,50 -0,64 1,66 13,90 0,38 1,68

17:45 12,40 -0,54 1,69 13,80 0,82 1,70

18:00 12,30 -0,46 1,71 13,80 1,42 1,74

18:15 12,30 -0,33 1,73 13,80 1,37 1,78

18:30 12,20 0,22 1,76 12,60 1,32 1,76

18:45 12,10 1,18 1,76 12,40 1,47 1,79

19:00 12,00 1,76 1,76 12,30 1,75 1,75

19:15 11,90 1,75 1,75 12,20 1,74 1,74

19:30 11,70 1,73 1,73 12,10 1,72 1,72

19:45 11,50 1,69 1,69 12,00 1,67 1,67

20:00 11,20 1,65 1,65 11,80 1,62 1,62

Logo a seguir, como pode ser visto na Figura 69, observa-se o

comportamento da corrente coletada para a mesma condição. E seguindo o mesmo raciocínio

empregado nos casos anteriores, apresentam-se os valores médios da tensão nos terminais da

bateria, como pode ser vistao na Figura 70, assim como o valor médio da corrente, apresentada

na Figura 71. Em ambos os casos os valores coletados da bateria ligada ao sistema móvel, são

superiores àqueles coletados para a bateria no fixo.

Em termos de potência acontece o mesmo comportamento, como visto

para a tensão e corrente. A Figura 72 mostra o comportamento da potência instantânea para o

112

caso 4, enquanto na Figura 73, apresenta-se o valor médio da potência. Novamente nota-se a

bateria no sistema móvel em condição bem mais confortável na condição de descarga.

16 16.5 17 17.5 18 18.5 19 19.5 20 20.5-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

Tempo [hora do dia]

Cor

rent

e da

bat

eria [A

]

FixoMóvel


16 16.5 17 17.5 18 18.5 19 19.5 2012

12.5

13

13.5

Tempo [hora do dia]

Tens

ão M

édia

nos

term

inai

s da

Bat

eria

[V]

FixoMóvel

Figura 70 – Tensão média na bateria coletada para o caso 4.

113

16 16.5 17 17.5 18 18.5 19 19.5 20 20.5-0.5

0

0.5

1

Tempo [hora do dia]

Cor

rent

e M

édia

da

bate

ria [A

]

FixoMóvel


16 16.5 17 17.5 18 18.5 19 19.5 20 20.5-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

Tempo [hora do dia]

Pot

ênci

a na

bat

eria

[W]

FixoMóvel

Figura 72 – Potência instantânea na bateria coletada para o caso 4.

114

16 16.5 17 17.5 18 18.5 19 19.5 20 20.5-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

Tempo [hora do dia]

Pot

ênci

a M

édia

na

bate

ria [W

]

FixoMóvel

Figura 73 – Potência média na bateria coletada para o caso 4.

A Figura 74 mostra a relação percentual da tensão na bateria para os

sistemas fixo e móvel, sempre considerando os valores do sistema fixo como referência. Nota-

se que a tensão no móvel sempre apresenta valores superiores que aquela ligada ao sistema

fixo. A Figura 75 e a Figura 76 apresentam, respectivamente, os valores da potência positiva e

negativa, coletadas para ambos os sistemas. A Tabela 10, apresenta os resultados para a

energia, e pode-se novamente observar o resultado favorável para a bateria ligada ao sistema

móvel, onde se repete o resultado obtido nos casos anteriores, que produz mais energia para

carga e consome menos quando é necessário.

115

16 16.5 17 17.5 18 18.5 19 19.5 20 20.50

2

4

6

8

10

12

14

Tempo [hora do dia]

Rel

ação

da

tens

ão n

a ba

teria

Fix

o/M

óvel

[%]


16 16.5 17 17.5 18 18.5 19 19.5 20 20.50

5

10

15

20

25

Tempo [hora do dia]

Pot

ênci

a fo

rnec

ida

pela

bat

eria

[V]

FixoMóvel


116

16 16.5 17 17.5 18 18.5 19 19.5 20 20.5-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

Tempo [hora do dia]

Pot

ênci

a co

nsum

ida

pela

bat

eria

[V]

FixoMóvel





Energia Gerada

(W.h) 32,03 53,79 67,93

Energia Consumida

(W.h) 20,02 0,26 -98,72

Para finalizar este capítulo de discussão, analisa-se o determinado dia

chamado de caso 5. Neste caso apresentam-se todas as curvas de um ciclo completo de carga e

descarga da bateria. A Tabela 11 contém uma amostra dos valores coletados para a situação de

carga da bateria, enquanto que na Tabela 12 tem-se uma amostra de valores para a situação de

descarga. Os valores de tensão, corrente, potência na bateria e corrente da carga podem ser

vistos respectivamente, na Figura 77, Figura 78, Figura 80 e Figura 79. Pode-se notar que as

condições de carga e descarga, continuam sendo mais confortáveis na bateria do sistema

117

móvel. A confirmação disso, pode ser observado nos valores médios apresentados na Figura

81, Figura 82 e Figura 83.

6 8 10 12 14 16 18 20 2210

10.5

11

11.5

12

12.5

13

13.5

14

14.5

15

Tempo [hora do dia]

Tens

ão n

os te

rmin

ais

da B

ater

ia [V

]

FixoMóvel

Figura 77 – Tensão na bateria coletada para o caso 5.

6 8 10 12 14 16 18 20 22-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Tempo [hora do dia]

Cor

rent

e da

bat

eria

[A]

FixoMóvel


118

6 8 10 12 14 16 18 20 22-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

Tempo [hora do dia]

Cor

rent

e na

car

ga [A

]

FixoMóvel

Figura 79 – Corrente na carga para o caso 5.

6 8 10 12 14 16 18 20 22-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Tempo [hora do dia]

Pot

ênci

a na

bat

eria

[W]

FixoMóvel

Figura 80 – Potência instantânea na bateria coletada para o caso 5.

119

Tabela 11 – Parâmetros elétricos coletados para a situação de carga da bateria para o caso 5.

Tempo

(h)

Fixo

Tensão

bateria(V)

Fixo

Corrente

bateria(A)

Fixo

Corrente

carga(A)

Móvel

Tensão

bateria(V)

Móvel

Corrente

bateria(A)

Móvel

Corrente

carga(A)

7:00 11,20 0,16 -0,07 11,70 0,22 -0,01

7:30 11,20 0,01 -0,07 11,60 -0,03 -0,01

8:00 11,30 0,41 -0,07 11,30 -0,10 0,54

8:30 11,20 -0,70 0,51 12,30 -0,21 0,52

9:00 11,70 -1,27 0,53 12,70 -0,44 0,53

9:30 11,90 -0,69 0,54 12,70 -0,75 0,54

10:00 12,20 -0,91 0,57 13,00 -0,89 0,56

10:30 12,50 -1,62 0,57 13,80 -1,14 0,59

11:00 12,80 -1,46 0,60 14,30 -1,24 0,59

11:30 13,20 -1,37 0,63 14,00 -1,20 0,67

12:00 13,80 -1,57 0,67 13,70 -1,10 0,67

12:30 13,50 -1,63 0,67 14,00 1,40 0,75

13:00 13,40 1,10 0,76 13,60 1,45 0,79

13:30 14,00 -1,58 0,89 14,10 -1,10 0,83

14:00 12,60 0,27 0,94 12,60 0,25 0,93

14:30 12,80 0,55 1,04 13,00 0,66 1,01

15:00 14,40 -1,21 1,13 14,30 -0,55 1,14

15:30 13,30 0,62 1,26 13,50 0,91 1,25

16:00 14,10 1,61 1,38 13,70 -0,29 1,36

120

16 16.5 17 17.5 18 18.5 19 19.5 2012

12.5

13

13.5

Tempo [hora do dia]

Tens

ão M

édia

nos

term

inai

s da

Bat

eria

[V]

FixoMóvel

Figura 81 – Tensão média na bateria coletada para o caso 5.

6 8 10 12 14 16 18 20 220.1

0.15

0.2

0.25

Tempo [hora do dia]

Cor

rent

e M

édia

da

bate

ria [A

]

FixoMovel

Figura 82 – Corrente média na bateria coletada para o caso 5.

121

Tabela 12 – Parâmetros elétricos coletados para a situação de descarga da bateria para o caso 5.

Tempo

Fixo

Tensão

bateria

Fixo

Corrente

bateria

Fixo

Corrente

carga

Móvel

Tensão

bateria

Móvel

Corrente

bateria

Móvel

Corrente

carga

16:00 14,10 1,61 1,38 13,70 -0,29 1,36

16:15 13,00 -0,28 1,39 13,40 -0,01 1,45

16:30 13,60 -1,00 1,47 14,30 -0,33 1,49

16:45 13,70 -0,82 1,50 14,30 -0,11 1,51

17:00 12,40 1,36 1,60 12,40 1,52 1,56

17:15 12,80 -0,96 1,59 13,60 -0,04 1,62

17:30 12,50 -0,72 1,66 13,80 0,16 1,68

17:45 12,40 -0,73 1,67 13,50 0,22 1,72

18:00 12,30 0,04 1,72 13,50 0,86 1,73

18:15 12,20 1,36 1,74 12,40 1,52 1,76

18:30 12,10 0,32 1,76 12,70 1,14 1,78

18:45 12,10 1,50 1,76 12,30 1,23 1,79

19:00 11,90 1,78 1,78 12,20 1,77 1,77

19:15 11,80 1,77 1,77 12,10 1,76 1,76

19:30 11,60 1,76 1,76 12,00 1,74 1,74

19:45 11,40 1,69 1,69 11,80 1,68 1,68

20:00 11,20 1,66 1,66 11,70 1,64 1,64

20:10 10,90 1,60 1,60 11,70 1,58 1,58

20:20 11,40 -0,06 -0,06 11,60 1,57 1,57

20:30 11,40 -0,07 -0,07 11,40 1,51 1,51

20:40 11,50 -0,07 -0,07 11,20 1,45 1,45

20:50 11,10 0,68 0,68 10,10 1,13 1,14

122

6 8 10 12 14 16 18 20 22

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

Tempo [hora do dia]

Pot

ênci

a M

édia

na

bate

ria [W

]

FixoMóvel

Figura 83 – Potência média na bateria coletada para o caso 5.

A Figura 84 apresenta o comportamento percentual da tensão nas

baterias ligadas aos sistemas fixo e móvel. Nota-se mais uma vez a prevalência dos valores

obtidos na bateria do móvel. A Figura 85 e a Figura 86 mostram respectivamente as potências

positiva e negativa, referentes ao funcionamento das baterias nas mesmas condições de carga.

A partir da integração no tempo dessas potências, obtem-se os valores de energia para as dois

sistemas. A, mostra os resultados da energia para as duas baterias, onde são apresentadas as

situações quando a bateria efetivamente fornece energia para o sistema e quando ela precisa

receber energia do painel fotovoltaico. Como pode ser observado nesses resultados, a bateria

do sistema móvel, produz mais energia e consome menos , nas mesmas condições de

operação.

123

6 8 10 12 14 16 18 20 22-10

-5

0

5

10

15

20

Tempo [hora do dia]

Rel

ação

da

tens

ão n

a ba

teria

Fix

o/M

óvel

[%]


6 8 10 12 14 16 18 20 220

5

10

15

20

25

30

35

Tempo [hora do dia]

Pot

ênci

a fo

rnec

ida

pela

bat

eria

[V]

FixoMóvel


124

6 8 10 12 14 16 18 20 22-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Tempo [hora do dia]

Pot

ência

cons

umida

pela b

ater

ia [V

]

FixoMóvel





Energia Gerada

(W.h) 88,69 95,13 7,26

Energia Consumida

(W.h) 87,43 65,36 -25,25

Um outro aspecto importante a ser ressaltado nesse trabalho é o

comportamento da corrente observado nesse trabalho. De acordo com os resultados obtidos

por Alves (2008), verifica-se que o comportamento da corrente produzida no painel solar, tem

uma forma bastante similar ao da radiação solar, como podem ser visto na Figura 87 e na

Figura 88. Essas figuras apresentam os dados coletados em dois dias distintos, sendo que a

Figura 88 mostra um dia sem interferências de nuvens e o mostrado pela Figura 87, um dia

como mais nebulosidades. Além de mostrar nessas duas figuras o comportamento das

correntes e radiações nos dois sistemas, fixo e móvel, foram adicionados à curva da relação da

radiação pela corrente, onde se observa um comportamento praticamente constante durante um

125

dia inteiro de coleta. Além disso, traça-se um gráfico de valor médio para essa relação

radiação/corrente para ambas as situações.

Esse tipo de comportamento foi sempre observado, nos dados

coletados e apresentados por Alves (2008), mostrando como o comportamento da radiação

solar influencia na conversão de corrente do painel solar.

Em seqüência, são apresentados alguns resultados, comparando as

correntes dos painéis solares e as correntes nas baterias utilizadas nesse estudo.

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 170

2

4

Tempo [hora do dia]

Cor

rent

e [A

]

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 170

500

1000

1500

Tempo [hora do dia]Rad

iaçã

o S

olar

[W/m

2]

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 170

5000

10000

Tempo [hora do dia]Raz

ão R

ad [W

/m2]

/I [A

]

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17300

350

400

450

Tempo [hora do dia]Méd

ia R

ad [W

/m2]

/I [A

]

Figura 87 – Características das correntes nos painéis e radiação solar(Fonte: Alves, 2008).

126

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 170

2

4

Tempo [hora do dia]

Cor

rent

e [A

]

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 170

500

1000

Tempo [hora do dia]

Rad

iaçã

o S

olar

[W/m

2]

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 170

1000

2000

Tempo [hora do dia]Raz

ão R

ad [W

/m2]

/I [A

]

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17315

320

325

330

Tempo [hora do dia]Méd

ia R

ad [W

/m2]

/I [A

]

MóvelFixo

Figura 88 – Características das correntes nos painéis e radiação solar. (Fonte: Alves, 2008)

A seguir apresenta-se a Figura 89 e a Figura 90, que mostram

respectivamente a corrente no painel solar e a radiação solar, e a correntes comparadas da

bateria e do painel solar. Esse comportamento refere-se a um dia com alta nebulosidade e

chuvoso. O valor negativo da corrente representa a situação de carga para a bateria. A mesma

explicação cabe para a Figura 91 e Figura 92, só que para um dia ensolarado e sem

nebulosidade.

127

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 170

500

1000

1500

Tempo [hora do dia]

Rad

iaçã

o S

olar

[W/m

2]

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17-2

0

2

4

Tempo [hora do dia]

Cor

rent

e no

Pai

nel [

A]

Figura 89 – Radiação e correntes coletadas em dia com alta .nebulosidade

6 8 10 12 14 16 18 20 22-3

-2

-1

0

1

2

3

4

Tempo [hora do dia]

Cor

rent

es n

a ba

teria

e n

o pa

inel

[A]

BateriaPainel

Figura 90 – Comparação das correntes no painel solar e na bateria

128

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 170

500

1000

Tempo [hora do dia]

Rad

iaçã

o S

olar

[W/m

2]

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17-1

0

1

2

3

Tempo [hora do dia]

Cor

rent

e no

Pai

nel [

A]

Figura 91 – Radiação e correntes coletadas em dia com alta .nebulosidade

6 8 10 12 14 16 18-3

-2

-1

0

1

2

3

Tempo [hora do dia]

Cor

rent

es n

a ba

teria

e n

o pa

inel

[A]

BateriaPainel

Figura 92 – Comparação das correntes no painel solar e na bateria

129

Finalizando essa discussão, apresenta-se na Tabela 14, os valores

médios obtidos para todos os dados coletados nessa montagem. Em termos de tensão nos

terminais na bateria, os valores coletados apontam que a tensão na bateria ligada ao sistema

móvel uma tensão 8,38% superior à ligada ao sistema fixo. Com relação a potência entregue

pela bateria a carga, tem-se que no caso do sistema fixo uma potência 16,5% menor que

aquela suprida pela bateria ligado ao sistema móvel.

Para a análise de energia, é importante destacar que , quando a bateria

efetivamente funcionou como um gerador, a bateria do sistema móvel forneceu 36% mais

energia que o caso fixo. Já para a situação que a bateria se comportava como uma carga, ou

seja consumia energia, a bateria ligada ao sistema fixo demandou 32,83% menos que aquela

ligada ao sistema fixo.

Tabela 14 – Valores médios obtidos e calculados neste trabalho.

Energia

Gerada

(W.h)

Energia

consumida

(W.h)

Potência

Média

(W)

Tensão Média

Bateria

(V)

Painel Fixo 50,02 71,33 3,38 12,29

Painel Móvel 68,05 47,91 2,90 13,32

Na Tabela 15, apresenta-se os valores da energia gerada/consumida

nos dois sistemas como também a radiação solar média nos painéis dos dois sistemas

relacionados com as condições de nebulosidade. Com base na análise do banco de dados

coletados , procurou-se separar em três situações distintas de nebulosidade, alta, média e baixa

nebulosidade. A situação de alta, aconteceu em dias nublados e chuvosos, no casa de média

nebulosidade, considerou-se os dias com a presença de nuvens em determinados momentos

mas com vários períodos sem essa interferência. A última condição se refere a dias em que

pouca ou nenhuma perturbação interferiu na captação da energia solar.

130

Tabela 15 – Relação da energia e radiação média com a nebulosidade para ambos painéis.

Energia

Gerada

(W.h)

Energia

consumida

(W.h)

NebulosidadeRadiação Média

(W/m2)

Painel Fixo 58,23 67,69 Baixa 370.25

Painel Móvel 66,59 49,37 Baixa 552.44

Painel Fixo 73,40 61,34 Média 490.83

Painel Móvel 103,54 42,32 Média 722.12

Painel Fixo 80,02 54,33 Alta 555,61

Painel Móvel 114,89 34,62 Alta 837,65

131

6 CONCLUSÕES

A idéia deste trabalho teve origem na disposição de um grupo, liderado

pelo Professor Dr. José Angelo Cagnon para desenvolver pesquisa, para utilização de energia

renovável para geração de energia elétrica. O primeiro fruto desta iniciativa foi o

desenvolvimento de um sistema de rastreamento automático do sol, barato e eficiente.

O presente trabalho, propôs a análise do comportamento da bateria

ligada ao sistema móvel em comparação ao sistema convencional fixo. A expectativa inicial,

era de comprovar mais uma vantagem ao referido sistema móvel.

É de amplo conhecimento, que a bateria de um sistema Fotovoltaico, é

uma parte integrante fundamental, principalmente por suprir energia em condições

metereológicas desfavoráveis e também na situação da ausência total de insolação.

Por sua importância, é fundamental que este componente trabalhe nas

condições mais favoráveis possíveis, para garantir o melhor suprimento de energia, como

também aumentar sua vida útil.

132

As condições para alcançar esses objetivos foram colocadas na parte

introdutória deste trabalho, onde ressalta-se que a tensão de operação da bateria, corrente de

carga e descarga da bateria são fatores determinantes para manter a boa saúde da bateria

A proposta do desenvolvimento de uma carga eletrônica dinâmica

demonstrou ser bastante acertada, uma vez que foi possível obter resultados em situações bem

próximas de uma utilização real do sistema proposto.

No capítulo 5, do trabalho foram apresentados os resultados obtidos.

Procurou-se demonstrar por meio de gráficos e tabelas, as condições de operação , sempre

comparando a bateria do sistema móvel com relação ao fixo.

Pode-se observar ao final da apresentação desses resultados, que a

bateria do sistema móvel é capaz de dispor 36% mais energia para a carga, do que aquela

ligada ao sistema fixo. Enquanto que a mesma consome cerca de 32% a menos quando em

condição de carga. Este comportamento é uma condição extremamente positiva para a bateria,

porque preserva um melhor estado de carga (SOC).

Resultados similares, sempre a favor da bateria ligada ao sistema

móvel, também foram encontrados para os outros parâmetros elétricos, tais como a potência e

tensão nos terminais da bateria.

Através também dos resultados colhidos, também foi possível

distinguir as situações de funcionamento da bateria em condições distintas de interfências

naturais , como nuvens e chuva, na captação da energia solar como também no funcionamento

de todo o sistema.

No caso dos dias de baixa nebulosidade, a bateria ligada ao painel

móvel forneceu 14,4% mais energia que àquela ligada ao fixo. Na mesma situação quando

precisou ser carregada consumiu 27,1% a menos quando ligado ao móvel em relação a ligada

ao fixo.

No caso dos dias de média nebulosidade, a bateria ligada ao painel

móvel forneceu 41,1% mais energia que àquela ligada ao fixo. Na mesma situação quando

precisou ser carregada consumiu 31,0% a menos quando ligado ao móvel em relação a ligada

ao fixo.

E finalmente, nessa mesma linha de análise, no caso dos dias de baixa

nebulosidade, a bateria ligada ao painel móvel forneceu 43,6% mais energia que àquela ligada

133

ao fixo. Na mesma situação quando precisou ser carregada consumiu 36,3% a menos quando

ligado ao móvel em relação a ligada ao fixo.

Com base nesses resultados é possível visualizar as condições de

operações dos dois sistemas propostos em situações bastantes distintas e reais.

Resultados similares, sempre a favor da bateria ligada ao sistema

móvel, também foram encontrados para os outros parâmetros elétricos, tais como a potência e

tensão nos terminais da bateria

Portanto, a análise destes resultados apresentados, comprovam a

expectativa inicial, que o sistema de posicionamento automático permite que a bateria trabalhe

em condições mais favoráveis do que aquela ligada ao sistema fixo .

Dessa forma, é possível que a bateria atenda melhor a situações

metereológicas adversas, como também no aumento da sua vida útil.

Com base no conhecimento obtido neste trabalho, enumero a seguir

algumas sugestões para novos trabalhos nessa linha de pesquisa desenvolvida:

Utilização de baterias de capacidades distintas de corrente.

Substituição por outros tipos de bateria e posterior análise.

Utilização de sistema de posicionamento autônomos gerenciados por PIC.

Desenvolvimento de um projeto de bateria mais adequado à aplicações

fotovoltaicas.

Aplicação de redes neurais nos bancos de dados obtidos.

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7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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