Energias Renovveis

Departamento Regional de Rondnia

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Federao das Indstrias do Estado de RondniaPresidente do Sistema FIERO/SESI/SENAI/IELEuzbio Andr Guareschi

Diretor Superintendente do SESI/ROValdemar Camata Junior

Diretor Regional do SENAI/ROVivaldo Matos Filho

Superintendente do Instituto Euvaldo Lodi - IEL/ROValdemar Camata Junior

Diretora da Escola Centro de Formao Profissional Marechal RondonElsa Ronsoni Mendes Pereira

Ficha Catalogrfica

Editorao Eletrnica: Ervamary RobainaComposio e Montagem: Equipe Elaborao de Material Didtico

SENAI. Departamento Regional de Rondnia.Energias Renovveis / elaborado pela equipe Elaborao de Material Didtico.Impresso SENAI - RO. Porto Velho: O Departamento, 2006.95p.: il.

S474

Dezembro2006

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UTILIZAO DE MATERIAL DIDTICO.

O SENAI deseja, por meio dos diversos materiais didticos

nivelados em um contexto nacional, aguar a sua curiosidade, responder

s suas demandas de informaes e construir links entre os diversos

conhecimentos e competncias, to importantes para sua formao

profissional.

Alm dos esforos e dedicao de todo o grupo do

SENAI DR/RO na confeco de material didtico estamos tambm

utilizando as obras divulgadas no site www.senai.br/recursosdidaticos

desenvolvidas por outros Departamentos Regionais, reservados os

direitos patrimoniais e intelectuais de seus autores nos termos da Lei

n. 9610, de 19/02/1998.

Tal utilizao se deve ao fato de que tais obras vm de encontro

as nossas necessidades, bem como tm a funo de enriquecer a

qualidade dos recursos didticos fornecidos aos nossos alunos como

forma de aprimorar seus conhecimentos e competncias.

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SumrioRadiao Solar e Efeito Fotovoltaico............................................ 7Radiao Solar: Captao e Converso ........................................ 7Efeito Fotovoltaico .................................................................. 15Configuraes Bsicas............................................................. 19Sistemas Isolados ................................................................... 22Carga CC sem Armazenamento ................................................ 22Carga CC com Armazenamento ................................................ 23Carga CA sem Armazenamento ................................................ 24Carga CA com Armazenamento ................................................ 24Mdulo Fotovoltaico ................................................................ 25Clula Fotovoltaica ................................................................. 26Silcio (Si) Monocristalino ......................................................... 26Silcio (Si) Multicristalino .......................................................... 26Filmes Finos ........................................................................... 27Clulas com Concentrao ....................................................... 28Caractersticas Construtivas dos Mdulos .................................. 28Geometria das Clulas ............................................................. 28Encapsulamento das clulas de silcio cristalino .......................... 29Caractersticas Eltricas dos Mdulos........................................ 29Voltagem de circuito aberto e corrente de curto-circuito .............. 30Curva caracterstica IxV .......................................................... 30Arranjo do Mdulos ................................................................. 33Dispositivos fotovoltaicos conectados em srie .......................... 33Dispositivos fotovoltaicos conectados em paralelo ...................... 34Fatores que afetam as caractersticas dos mdulos ..................... 34Intensidade Luminosa .............................................................. 35Temperaturas das Clulas ........................................................ 35Baterias ................................................................................. 37Terminologia .......................................................................... 41Auto-descarga ........................................................................ 41Bateria .................................................................................. 41Capacidade ............................................................................ 41Carga .................................................................................... 43

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Clula .................................................................................... 43Ciclo ..................................................................................... 43Densidade e energia ................................................................ 43Descarga ............................................................................... 43Eficincia ............................................................................... 44Eletrodo ................................................................................. 44Eletrlito ................................................................................ 44Estratificao ......................................................................... 44Equalizao ............................................................................ 45Estado de Carga ..................................................................... 45Flutuao............................................................................... 45Gaseificao .......................................................................... 45Grade .................................................................................... 45Material ativo ......................................................................... 46Placa ..................................................................................... 46Polarizao ............................................................................ 46Profundidade de descarga ........................................................ 46Separador .............................................................................. 46Sobrecarga ............................................................................ 47Sulfatao ............................................................................. 47Taxa de carga ........................................................................ 47Taxa de descarga ................................................................... 48Tenso de circuito aberto ........................................................ 48Tenso de corte...................................................................... 48Tenso de final de carga .......................................................... 48Terminais............................................................................... 48Vida til ................................................................................. 48Baterias Recarregveis ............................................................ 50Profundidade de descarga, vida cclica e temperatura .................. 51Tcnica e modo de operao do controle de carga ...................... 52Manuteno peridica do carregamento .................................... 53Baterias Chumbo-cido ........................................................... 53Baterias abertas com liga de baixo-antimnio nas placas positivas 57Baterias sem manuteno com liga de clcio nas placas positivas. 58Baterias Seladas ..................................................................... 58Efeito da temperatura .............................................................. 59Sulfatao ............................................................................. 60

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Baterias Nquel-Cdmio............................................................ 65Controladores de Carga ........................................................... 68Tipos de Controladores de Carga .............................................. 70Set points ajustveis ............................................................... 73Proteo contra corrente reversa .............................................. 74Desconexo da carga (LVD) ..................................................... 74Compensao trmica ............................................................. 75Alarmes e indicaes visuais .................................................... 76Desvio da energia do arranjo .................................................... 76Controladores de Carga Baseados em Tenso ............................. 77Caractersticas Ideais para Uso em Sistemas Fotovoltaicos .......... 78Inversores .............................................................................. 79Tipos de Inversores ................................................................. 81Caractersticas dos Inversores .................................................. 81Forma de onda ....................................................................... 81Eficincia na converso de potncia .......................................... 82Potncia nominal de sada ........................................................ 86Taxa de utilizao ................................................................... 86Tenso de entrada .................................................................. 86Tenso de sada...................................................................... 86Capacidade de surto................................................................ 86Regulao de tenso ............................................................... 87Freqncia ............................................................................. 87Protees .............................................................................. 87Modularidade ......................................................................... 88Fator de potncia .................................................................... 88Consumo de potncia sem carga .............................................. 88(consumo permanente ou auto-consumo) ................................... 88Conversores CC-CC................................................................. 88Seguidor do Ponto de Mxima Potncia (MPPT) ........................... 90Referncias: ........................................................................... 93

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Radiao Solar e Efeito Fotovoltaico

A Terra recebe anualmente 1,5 x 1018 kWh de energia solar, oque corresponde a 10.000 vezes o consumo mundial de energia nesteperodo. Este fato vem indicar que alm de ser responsvel pelamanuteno da vida na Terra, a radiao solar constitui-se numainesgotvel fonte energtica, havendo um enorme potencial deutilizao por meio de sistemas de captao e converso em outraforma de energia (trmica, eltrica, etc.).

Uma das possveis formas de converso da energia solar conseguida atravs do efeito fotovoltaico que ocorre em dispositivosconhecidos como clulas fotovoltaicas. Estas clulas so componentesoptoeletrnicos que convertem diretamente a radiao solar emeletricidade. So basicamente constitudas de materiaissemicondutores, sendo o silcio o material mais empregado.

Radiao Solar: Captao e Converso

O nosso planeta, em seu movimento anual em torno do Sol,descreve em trajetria elptica um plano que inclinado deaproximadamente 23,5 com relao ao plano equatorial. Estainclinao responsvel pela variao da elevao do Sol no horizonteem relao mesma hora, ao longo dos dias, dando origem s estaesdo ano e dificultando os clculos da posio do Sol para umadeterminada data, como pode ser visto na figura 01.

A posio angular do Sol, ao meio dia solar, em relao ao planodo Equador (Norte positivo) chamada de Declinao Solar (). Estengulo, que pode ser visto na figura 01, varia, de acordo com o dia doano, dentro dos seguintes limites:

-23,45 d d 23,45

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A soma da declinao com a latitude local determina a trajetriado movimento aparente do Sol para um determinado dia em uma dadalocalidade na Terra.

As relaes geomtricas entre os raios solares, que variam deacordo com o movimento aparente do Sol, e a superfcie terrestre, sodescritas atravs de vrios ngulos (ver Figura 02), que so definidosa seguir:

ngulo de incidncia (): ngulo formado entre os raios doSol e a normal superfcie de captao.

ngulo Azimutal da Superfcie (aw): ngulo entre a projeoda normal superfcie no plano horizonte e a direo Norte-Sul. O deslocamento angular tomado a partir do Norte.

-180 d aw d 180

Obs: Positivo quando a projeo se encontrar esquerda donorte e negativo quando se encontrar direita.

ngulo Azimutal do Sol (as): ngulo entre a projeo doraio solar no plano horizontal e a direo Norte-Sul. Obedece mesma conveno acima.

ngulo Solar (): ngulo compreendido entre o raio solar ea projeo do mesmo sobre um plano horizontal.

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Figura 01 - rbita da Terra em torno do Sol, com seu eixo N-S inclinado deum ngulo de 23,5.(Fonte: Photovoltaic System Technology An European Handbook)

Figura 01

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(a) Ilustrao dos ngulos e as.(b) Coordenadas de orientao da superfcie, aw e ,e o ngulo .

Inclinao (): ngulo entre o plano da superfcie emquesto e a horizontal.

Outros ngulos de igual importncia, que no esto representadosna Figura 2.1.2 so:

ngulo Horrio do Sol ou Hora Angular (): deslocamentoangular leste-oeste do Sol, a partir do meridiano local, e devidoao movimento de rotao da Terra. Assim, cada horacorresponde a um deslocamento de 15. Adota-se comoconveno valores positivos da manh, com zero s 12:00hs.

ngulo Zenital (z): ngulo formado entre os raios solares e a vertical ( Znite).

Figura 02

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A radiao solar radiao eletromagntica que se propagaa uma velocidade de 300.000km/s, podendo-se observar aspectosondulatrios e corpusculares. Em termos de comprimentos de onda, aradiao solar ocupa a faixa espectral de 0,1 m a 5 m, tendo umamxima densidade espectral em 0,5 m, que a luz verde.

atravs da teoria ondulatria, que so definidas, para osdiversos meios materiais, as propriedades na faixa solar de absoro ereflexo e, na faixa de 0,75 a 100 m (correspondente ao infravermelho),as propriedades de absoro, reflexo e emisso ( ver Figura 03.)

Por outro lado, pela teoria corpuscular ou fotnica, atravs damecnica quntica, determinada a potncia emissiva espectral docorpo negro em termos de sua temperatura e do ndice de refrao domeio em que est imerso. A converso direta da energia solar emeletricidade tambm explicada por esta teoria. Nesta visocorpuscular, a potncia de um feixe luminoso descrita como o fluxode ftons com energia unitria hf, onde f a freqncia da ondaeletromagntica associada e h a Constante de Planck (6,62 x 10-34Js)A energia solar incidente no meio material pode ser refletida, transmitidae absorvida.

A parcela absorvida d origem, conforme o meio material, aosprocessos de fotoconverso e termoconverso, conforme indicado nafigura 04.

Figura 03.

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Radiao Solar em Nvel do Solo

De toda a radiao solar que chegar s camadas superiores daatmosfera, apenas um frao atinge a superfcie terrestre, devido reflexo e absorvio dos raios solares pela atmosfera. Esta fraoque atinge o solo constituda por um componente direta( ou de feixe ) e por uma componte difusa.

Notadamente, se a superfcie reptora estiver inclinada comrelao horizontal, haver uma terceira componente refletida peloambiente do entorno (solo, vegetao, obstculos, terrrenos rochososetc.) O coeficiente de reflexo desta superfcie denominado de albedo.

Antes de atinger o solo, as caractersticas da radiao solar(Intensidade, distribuio espectral e angular) so afetadas por interaocom a atmosfera devido aos efeitos de absoro e espalhamento. Estasmodificaes so dependentes da espessura da camada atmosfrica,tambm identificada por um coeficiente denomidado Massa de Ar

Figura 03 - Distribuio espectral da radiao solar.(Fonte: Photovaltic System Tecnology Na European Handbook)

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Figura 04 Trajetria dos raios de sol na atmosfera e definio docoeficiente de Massa de Ar (AM).(Fonte: Photovoltaic System Design Course Manual )

Observa-se que aumente a componente diereta da radiaosolar pode ser submetida a um processo de concentrao dos raiosatravs de espelhos parablicos, lentes etc. Consegue-se atravs daconcentrao, uma reduo substancial da superfcie absorvedora solare um aumento considervel de sua temperatura

Figura 04.

(AM), e, portanto do ngulo zenital do sol, da distancia Terra- Sol e dascondies atmosferiacas e metereologicas ( ver figura 05 ).

Devido a alternncia de dias e noites, das estaes do ano eperodos de passagens de nuvens e chuvosos, o recurso energticosolar apresenta grande variabilidade, induzido, conforme o caso, seleo de um sistema apropriado de estocagem para a energiaresultante do processo de converso.

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figura 05.

Figura 05. Processos de converso da energia solar

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Efeito Fotovoltaico

Existem na natureza materiais classificados comosemicondutores, que se caracterizam por possurem uma banda devalncia totalmente preenchida por eltrons e uma banda de conduototalmente vazia temperaturas muito baixas.

A separao entre as duas bandas de energia permitida dossemicondutores (gap de energia) da origem de I e V, o que osdiferencia dos isolantes onde o gap de vrios e Vs. Isso faz com queos semicondutores apresentem vrias caractersticas interessantes.Uma delas o aumento de sua condutividade com a temperatura,devido excitao trmica de portadores da banda de valncia para abanda de conduo. Uma propriedade fundamental para as clulasfotovoltaicas a possibilidade de ftons, na faixa do visvel, com energiasuperior ao gap do material, excitarem eltrons banda de conduo.Este efeito, que pode ser observado em semicondutores puros, tambmchamados de intrnseco a, no garante por si s o funcionamento declulas fotovoltaicas. Para obt-las necessrio uma estruturaapropriada para que os eltrons excitados possam ser coletados,gerando uma corrente til.

O semicondutor mais usado o silcio. Seus tomos secaracterizam por possurem quatro eltrons de ligao que se ligamaos vizinhos, formando uma rede cristalina. Ao adicionarem-se tomoscom cinco eltrons de ligao, como o fsforo, por exemplo, haverum eltron em excesso que no poder ser emparelhado e que ficarsobrando, fracamente ligado a seu tomo de origem. Isto faz comque, com pouca energia trmica, este eltron se livre, indo para abanda de conduo. Diz-se assim, que o fsforo um dopante doadorde eltrons e denomina-se dopante n ou impureza n.

Se, por outro lado, introduzem-se tomos com apenas trseltrons de ligao, como o caso do boro, haver uma falta de umeltron para satisfazer as ligaes com os tomos de silcio da rede.Esta falta de eltron denominada lacuna ou buraco e ocorre que,com pouca energia trmica, um eltron de um stio vizinho pode passara esta posio, fazendo com que o buraco se desloque. Diz-se, portanto,que o boro um aceitador de eltrons ou um dopante p.

temperatura ambiente, existe energia trmica suficiente para

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que praticamente todos os eltrons em excesso dos tomos de fsforoestejam livres, bem como que os buracos criados pelos tomos deboro possam de deslocar.

Se, partindo de um silcio puro, forem introduzidos tomos deboro em uma metade e de fsforo na outra, ser formado o que sechama juno pn, vide figura 06. O que ocorre nesta juno que oseltrons livres do lado n passam ao lado p onde encontram os buracosque os capturam; isto faz com que haja um acmulo de eltrons nolado p, tornando-o negativamente carregado e uma reduo de eltronsdo lado n, que o torna eletricamente positivo. Estas cargas aprisionadasdo origem a um campo eltrico permanente que dificulta a passagemde mais eltrons do lado n para o lado p; este processo alcana umequilbrio quando o campo eltrico forma uma barreira capaz de barraros eltrons livres remanescentes no lado n. A figura 06. mostra avariao do campo eltrico na direo perpendicular juno pn.

Se uma juno pn, como a da Figura 06., for exposta a ftonscom energia maior que o gap, ocorrer a gerao de pares, eltron-lacuna; se isto acontecer na regio onde o campo eltrico diferentede zero, as cargas sero aceleradas, gerando assim, uma correnteatravs da juno; este deslocamento de cargas d origem a umadiferena de potencial ao qual chamamos de Efeito Fotovoltaico. Se asduas extremidades do pedao de silcio forem conectadas por umfio, haver uma circulao de eltrons. Esta a base do funcionamentodas clulas fotovoltaicas.

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figura 06.

Figura 06. (a) juno pn ilustrando regio onde ocorre o acmulo de cargas.(b) Campo eltrico resultante da transferncia de cargas atravs da juno pn.

Resta a questo de quais so os fatores limitantes neste processode converso de energia da luz em energia eltrica. O primeiro limitador,ao se tentar transformar a luz do Sol em eletricidade, o espectro desua radiao. Como foi visto, ele se espalha numa ampla faixa e apenasa parcela como o comprimento de onda inferior a aproximadamente1m capaz de excitar os eltrons em clulas de silcio (figura 07.).

Outro fator o de que cada fton s consegue excitar um eltron.Portanto, para ftons com energia superior energia do gap, haverum excesso de energia que ser convertida em calor. Por fim, mesmopara os eltrons excitados, existe uma probabilidade de que estes nosejam coletados, e no contribuam para a corrente. A tecnologia de

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Figura 07.

Figura 07. Converso de energia luminosa numa clula de Sil cio.(Fonte: Universidade de Berlim EMI/SES)

A figura 08. apresenta a comparao entre as eficinciasatingidas em laboratrios e comercialmente pelos diferentes materiaisutilizados para as tecnologias que j atingiram o estgio comercial.Dentre os materiais utilizados temos o telureto de cdimio (CdTE),cobre (ndio, glio).(enxofre, selnio) grupo de clulas CIGS, silcioamorfo (aSi) e cristais (Si-crist).

fabricao de clulas fotovoltaicas tenta reduzir ao mximo este ltimoefeito. Para clulas de silcio, o limite terico de converso de radiaosolar em eletricidade de 27%.

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Figura 08.

Figura 08. Tipo de materiais utilizados suas respectivas eficincias.(Fonte: Dernik et al. 1993)

Configuraes Bsicas

Sistemas Fotovoltaicos (SF) podem ser classificados em trscategorias principais: isolados, hbridos ou conectados rede. Autilizao de cada uma dessas opes depender da aplicao e/ou dadisponibilidade de recursos energticos. Cada um deles poder ser decomplexidade varivel dependendo da aplicao em questo e dasrestries especficas de cada projeto. Isto pode ser facilmentevisualizado, por exemplo, quando se considera a utilizao de umsistema hbrido Diesel-fotovoltaico. Neste caso, o percentual de cadaum, que pode ir de 0 a 100%, depender de fatores como, investimentoinicial, custo de manuteno, dificuldade de obteno do combustvel,poluio do ar e sonora do Diesel, rea ocupada pelo SistemaFotovoltaico, curva de carga, etc.

Sistemas autnomos, no conectados rede eltrica, podem ouno apresentar fontes de energia complementar gerao fotovoltaica.Quando a configurao no se restringe gerao fotovoltaica, temos

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Figura 09.

Figura 09. Configurao bsica de Sistema Fotovoltaico

os sistemas hbridos. Se o sistema puramente fotovoltaico, ento ele chamado de sistema isolado.

Sistemas autnomos, isolados ou hbridos, em geral, necessitamde algum tipo de armazenamento. O armazenamento pode ser embaterias, quando se deseja utilizar aparelhos eltricos nos perodos emque no h gerao fotovoltaica, ou outras formas de energia. Numsistema de bombeamento de gua, onde esta armazenada em tanqueselevados, a energia solar estar armazenada em forma de energiapotencial gravitacional. Sistemas de irrigao so um exemplo desistema autnomo sem armazenamento, pois toda gua bombeada imediatamente usada. Alm das baterias e energia gravitacionalmencionadas acima, existem outras formas de armazenar a energiagerada como a produo de hidrognio, ar comprimido, flying wheel,etc.

A figura 09. mostra um esquema de um Sistema Fotovoltaico bsico.

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Conforme mencionado anteriormente, chamam-se sistemashbridos aqueles em que, estando desconectados da rede eltrica, existemais de uma forma de gerao de energia, como por exemplo, geradorDiesel, turbinas elicas e mdulos fotovoltaicos. Estes sistemas somais complexos e necessitam de algum tipo de controle capaz deintegrar os vrios geradores, de forma a otimizar a operao para ousurio. Existem vrias configuraes possveis, assim como estratgiasde uso de cada fonte de energia. A figura 10. apresenta uma destaspossibilidades.

Em geral, utilizam-se sistemas hbridos para o atendimento acargas de corrente alternada (CA) necessitando-se, portanto, de uminversor, dispositivo que transforma a corrente contnua (CC) emcorrente alternada (CA). Devido maior complexidade e multiplicidadede opes e o constante aperfeioamento dessas unidades, a formade otimizao desses sistemas ainda hoje tema de estudos. Estemanual no se aprofunda neste assunto, devendo o interessado buscaroutras fontes de consulta.

Figura 10. Exemplo de sistema hbrido

figura 10.

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Sistemas Isolados

Dentre os sistemas isolados existem muitas configuraes possveis.A seguir, apresentam-se estas possibilidades, indicando-se exemplosde aplicaes mais comuns.

Carga CC sem Armazenamento

Neste caso, a energia eltrica usada no momento da geraopor equipamentos que operam em corrente contnua. Um exemplo desteuso em sistemas de bombeamento de gua com bombas com motorde corrente contnua. Em alguns casos, o sistema pode incorporar umseguidor do ponto de mxima potncia, de forma a otimizar ofuncionamento da bomba. A figura 12. mostra um esquema de sistemadeste tipo.

Sistemas conectados rede so aqueles em que a potnciagerada pelo arranjo fotovoltaico entregue rede eltrica. Para tanto indispensvel que se utilize um inversor que deve satisfazer asexigncias de qualidade e segurana para que no degrade a qualidadedo sistema no qual se interliga o arranjo fotovoltaico. A figura 11.mostra um esquema de um Sistema Fotovoltaico conectado rede.

Figura 11. Sistema conectado rede.

Figura 11

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Figura 12. Sistema isolado com carga CC sem armazenamento.

Carga CC com Armazenamento

Este no o caso em que se deseja usar equipamentos eltricos,em corrente contnua, independente de haver ou no geraofotovoltaica simultnea. Para que isto seja possvel, a energia eltricadeve ser armazenada em baterias. Exemplos comuns so iluminao,rdio, televiso, sistemas de comunicao, etc.

comum o uso de controlador de carga de forma a proteger asbaterias de danos por sobrecarga ou descarga profunda. Na figura 13pode ser visto o esquema de um sistema deste tipo.

Os controladores podem ser dispensados em duas situaes:quando capacidade de armazenamento grande em comparao coma gerao quando os mdulos fotovoltaicos apresentam uma curvaIxV (vide informaes adicionais apresentadas na seo 4.1) tal que acorrente seja baixa na tenso de carga plena das baterias. No ltimocaso, haver um desperdcio de energia quando as baterias estiveremprximas da carga plena. Alm disso, importante levar emconsiderao os impactos do no uso do controlador na proteo dabateria por sobredescarga.

Os avanos recentes da tecnologia de baterias tm exigido umcontrole cada vez melhor do processo de carga e descarga, tornando ouso dos controladores mais necessrio e recomendvel.

Figura 12.

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Figura 14. Sistema isolado sem armazenamento para alimentao de cargas CA.

Carga CA com Armazenamento

Para alimentao de equipamentos que operem em correntealternada necessrio que se utilize um inversor. comum sistemasdeste tipo incorporarem um seguidor do ponto de mxima potncia,que pode estar embutido no prprio inversor . Um caso tpico de

Figura 13. Sistema isolado com armazenamento e cargas CC.

Carga CA sem Armazenamento

Da mesma forma como apresentado para cargas CC, pode-se usarequipamentos que operem em corrente alternada sem o uso de baterias,bastando, para tanto, a introduo de um inversor entre o arranjofotovoltaico e o equipamento a ser usado figura 14. Um exemplo desteuso quando se deseja utilizar bombas com motores convencionaisem Sistema Fotovoltaicos.

Figura 13

Figura 14

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Figura 15. Sistema isolado com armazenamento e seguidor do ponto de mxima potnciapara alimentao de cargas CA.

aplicao destes sistemas no atendimento de residncias isoladasque faam uso de eletrodomsticos convencionais. Um exemplo desistema que utiliza esta configurao pode ser visto na figura 15.

Figura 15

Mdulo Fotovoltaico

O mdulo fotovoltaico a unidade bsica de todo o sistema. Omdulo o composto por clulas conectadas em arranjos produzindotenso e corrente suficientes para a utilizao de energia.

indispensvel o agrupamento em mdulos j que uma clulafornece pouca energia eltrica, em uma tenso em torno de 0,4 Voltsno ponto de mxima potncia, conforme explicado nas pginasseguintes. A densidade de corrente da ordem de 30 mA/cm2.Adicionalmente a clula apresenta espessura muito reduzida,necessitando de proteo contra esforos mecnicos e fatoresambientais.

O nmero de clulas conectadas em um mdulo e seu arranjo,que pode ser srie e/ou paralelo, depende da tenso de utilizao e dacorrente eltrica desejada. Deve ser dada cuidadosa ateno s clulasa serem reunidas, devido s suas caractersticas eltricas.

A incompatibilidade destas caractersticas leva a mdulos ruins,porque as clulas de maior fotocorrente e fotovoltagem dissipam seu

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excesso de potncia nas clulas de desempenho inferior. Emconsequnia, a eficincia global do mdulo fotovoltagem reduzida.

Clula Fotovoltaica

A converso da energia solar em energia eltrica obtidautilizando-se material semicondutor como elemento transformador,conhecido como clula fotovoltaica ou clula solar.

Os semicondutores mais apropriados converso da luz solarso os mais sensveis, ou melhor, aqueles que geram o maior produtocorrente-tenso para a luz visvel, j que a maior parcela de energiafornecida pelos raios do Sol est dentro da faixa visvel do espectro.

Existe todo um processo para que o material semicondutor setransforme realmente em uma clula fotovoltaica. O que ocorre, deuma maneira geral, que o semicondutor deve passar por uma etapade purificao e, em seguida, por uma etapa de dopagem, atravs daintroduo de impurezas, dosadas na quantidade certa. Os principaistipos de clulas fotovoltaicas so apresentados a seguir.

Silcio (Si) Monocristalino

Este material basicamente o mesmo utilizado na fabricao decircuitos integrados para microeletrnica. As clulas so formadas emfatias de um nico grande cristal, previamente crescido e enfatiado. Agrande experincia na sua fabricao e pureza do material garantealta confiabilidade do produto e altas eficincias. Enquanto o limiteterico de converso da luz solar em energia eltrica, para estatecnologia de 27%, valores nas faixas de 12 a 16% so encontradosem produtos comerciais. Devido s quantidades de material utilizado e energia envolvida na sua fabricao, esta tecnologia apresenta sriasbarreiras para reduo de custos, mesmo em grandes escalas deproduo.

Silcio (Si) Multicristalino

Tambm chamado de Silcio (Si) Policristalino; estas clulas sofabricadas a partir do mesmo material que, ao invs de formar umnico grande cristal, solidificado em forma de um bloco composto de

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muitos pequenos cristais. A partir deste bloco so obtidas fatias efabricadas as clulas. A presena de interfaces entre os vrios cristaisreduz um ouo a eficincia destas clulas. Na prtica os produtosdisponveis alcanam eficincias muito prximas das oferecidas emclulas monocristalinas. Neste caso, a quantidade de material por clula basicamente o mesmo do caso anterior, entretanto, a energianecessria para produzi-las significativamente reduzida.

Filmes Finos

No intuito de buscar formas alternativas de se fabricar clulasfotovoltaicas, muito trabalho de pesquisa tem sido realizado. Um dosprincipais campos de investigao o de clulas de filmes finos.O objetivo geral obter uma tcnica atravs da qual seja possvelproduzir clulas fotovoltaicas confiveis, utilizando pouco materialsemicondutor, obtido de forma passvel de produo em larga,resultando em custo mais baixo do produto e conseqentemente daenergia gerada.

Estes estudos tm se dirigido a diferentes materiaissemicondutores e tcnicas de deposio destes em camadas finascom espessura de poucos mcrons. Entre os materiais mais estudadosesto o silcio amorfo hidrogenado (a-Si:H), o disseleneto de cobre endio (CIS) e o telureto de cdmio (CdTe).

O silcio amorfo responsvel pelo maior volume de produtosnesta rea embora outros j sejam disponveis. No claro hoje qualdas tecnologias em estudo ter maior sucesso no futuro. O que sepode dizer que todas tm potencialidade de gerar produtos de baixocusto se produzidos em grande escala. Por outro lado, todas tm aindaobstculos a serem vencidos antes que possam alcanar uma plenamaturidade industrial e atingir o nvel de confiana das clulascristalinas.

Para o silcio amorfo, estes obstculos esto relacionadosprincipalmente com a estabilidade do material, efeito Staebler-Wronski.No entanto, este efeito tem sido minimizado atravs da adoo declulas com mltiplas camadas.

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Caractersticas Construtivas dos Mdulos

As clulas fotovoltaicas de silcio so encapsuladas em mdulos.O empacotamento feito para que fiquem protegidas das intempries,principalmente da umidade do ar.

Cada clula solar, como j foi citado anteriormente, gera,aproximadamente, 0,4 Volts em seu ponto de mxima potncia.Tenses mais altas so produzidas quando vrias clulas so conectadasem srie no mdulo.

Para carregar baterias de 12v, mdulos fotovoltaicos devemproduzir aproximadamente 16V devido ao efeito da temperatura e sperdas que ocorrem nos cabos e diodos de bloqueio. Dessa forma osmdulos, atualmente em operao, contm entre 28 e 40 clulas desilcio cristalino. O dispositivo de filme fino produz tenso mais alta doque a forma cristalina, podendo os mdulos possuir menos do que 28clulas. Devido ao processo de produo, baseado em depsito dematerial em um substrato, os mdulos de filme fino apresentamfronteiras mais tnues para as clulas, por essa razo, mais difceis dese visualizar. Tambm apresentam tamanhos e formas livres, podendoadaptar-se a superfcies como telhas, janelas, etc.

Geometria das Clulas

importante considerar a geometria das clulas, j que elasdevem ocupar o mximo de rea possvel do mdulo. Atualmenteexistem clulas quadradas e redondas em operao. As quadradasocupam melhor espao nos mdulos, enquanto que as redondas tm a

Clulas com Concentrao

Uma possibilidade alternativa o uso de lentes concentradorasacopladas a clulas de alta eficincia. Para este uso o prprio silciocristalino e o arseneto de glio (GaAs) tm sido utilizados na fabricaodestas clulas. A questo aqui como conseguir sistemas simples eeficientes de focalizao de luz e de seguimento do Sol, uma vez queapenas os raios diretos do Sol podem ser concentrados sobre odispositivo.

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vantagem de no sofrerem perda de material, devido forma cilndricade crescimento do silcio mono-cristalino.

Encapsulamento das clulas de silcio cristalino

Antes de serem encapsuladas, as clulas de um mdulo devemser conectadas em srie atravs de tiras de metal, soldadas na parede trs de uma clula e na frontal da seguinte. So conectadas duastiras em cada clula com a funo de segurana, caso ocorrainterrupo da corrente em uma delas. Estas duas tiras so conhecidascomo conexes redundantes.

Os materiais plsticos mais utilizados para o encapsulamentodas clulas so o E.V.A e o Tedlar que fornecem proteo permanente.O lado frontal radiao solar incidente coberto, normalmente, porvidro temperado, ou plstico, ambos transparentes, ou ainda, resinade silicone, os quais so bastante resistentes, promovendo rigidezmecnica e protegendo as clulas fotovoltaicas. A regio posterior radiao solar incidente coberta por camadas de materiais tais como:folha de alumnio, plstico Tedlar e vidro. Estas camadas fornecemproteo para a parte de trs dos mdulos.

Finalmente uma estrutura metlica auto-portante permite umamontagem rpida dos mdulos. Utilizando-se geralmente, estrutura dealumnio anodizado.

Caractersticas Eltricas dos Mdulos

Geralmente, a potncia dos mdulos dada pela potncia depico expressa na unidade (Wp)1. Entretanto, nem sempre este omelhor caminho para a comparao entre diferentes tipos de mdulos.

Em certos casos, o que realmente importa como um mdulopode carregar uma bateria mais rapidamente. Isto decidido pelacorrente que o mdulo pode gerar sob diferentes condies. Assimsendo, os parmetros ou caractersticas eltricas de um mduloprecisam ser entendidos para que se possa selecionar o tipo de mduloapropriado para cada sistema em particular.

1 A especificao da potncia do mdulo fotovoltaico dada em Wp (Watt pico), associada s condies padro de testes(STC Standard Test Condit ions ): radiao solar de 1kW/m2, temperatura de clula 25C e Massa de Ar 1,5

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Voltagem de circuito aberto e corrente de curto-circuito

Quando um mdulo est posicionado na direo do sol, a tensopode ser medida entre os terminais positivo e negativo atravs de umvoltmetro. Se no houver, ainda, nenhuma conexo de qualquerequipamento ao mdulo, a corrente no flui; ento esta medida denominada tenso de circuito aberto (Voc).

A corrente deve ser medida por um ampermetro; e ainda semas conexes de qualquer equipamento, se ligarmos os terminais de ummdulo diretamente, haver uma corrente fluindo denominada correntede curto-circuito (Isc); neste caso a tenso zero.

Curva caracterstica IxV

Quando um acessrio conectado, as medidas de corrente etenso podem ser plotadas em um grfico. De acordo com as mudanasde condies da carga, novos valores de corrente e tenso so medidos,os quais podem ser representados no mesmo grfico. Juntando todosos pontos, gera-se uma linha denominada curva caracterstica IxV( figura 16.). Normalmente estas curvas esto associadas s condiesem que foram obtidas (intensidade da radiao, temperatura, etc.).

Figura 16. curva caracterstica IxV tpica de uma clula de silcio monocristalino,normalizada pela corrente de curto-circuito.

(Fonte: Photovoltaic System Design Course manual)

Figura 16

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Para cada ponto na curva IxV, o produto corrente-tensorepresenta a potncia gerada para aquela condio de operao. Afigura 17 mostra que, para uma clula fotovoltaica, econseqentemente, para o mdulo, existe somente uma tenso (ecorrespondente corrente) para a qual a potncia mxima pode serextrada. importante ressaltar que no existe gerao de potnciapra as condies de circuito aberto e curto-circuito, j que tenso oucorrente so zero, respectivamente.

O ponto de potncia mxima corresponde, ento, ao produto datenso de potncia mxima (Vmp) e corrente de potncia mxima (Imp).Os valores Pm, Vmp, Imp, Voc e Isc so os cinco parmetros queespecificam o produto sob dadas condies de radiao, temperaturade operao e massa de ar.

A figura 18 mostra a curva caracterstica IxV superposta curva de potncia para anlise dos parmetros.

O fator de forma (FF) uma grandeza que expressa quanto acurva caracterstica se aproxima de um retngulo no diagrama IxV.Quanto melhor a qualidade das clualas no mdulo mais prxima daforma retangular ser sua curva IxV. A definio do FF apresentadana Figura abaixo:

Figura 17 - Curva tpica de potncia versus tenso para a clula de silcio monocristalinoda (Fonte: Florida Solar Energy Center, Photovoltaic System Design Course Manual)

Figura 17

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Figura 18 - Parmetros de potncia mxima.(Fonte: Photovoltaic System Design Course Manual)

Figura 18

Conhecida ento a curva caracterstica IxV de uma clula ouum mdulo pode-se calcular:

Potncia mxima Pm = Imp x Vmp Eficincia = (Imp x Vmp) / (A x Ic) Fator de Forma FF = (Imp x Vmp) / (Isc x Voc)

Onde: Ic = luz incidente Potncia luminosa incidente (W/m2)

A = rea til do mdulo (m2)

Figura 19

Fator de Forma: definio.(fonte: Photovoltaic System Design Course Manual)

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Arranjo do Mdulos

Os mdulos, assim como as clulas em um mdulo, podem serconectados em ligaes srie e/ou paralelo, dependendo da potncia etenso desejadas.

Dispositivos fotovoltaicos conectados em srie

A conexo em srie dos dispositivos fotovoltaicos feita de umterminal positivo de um mdulo a um terminal negativo de outro, eassim por diante.

Quando a ligao srie (isto idntico para clulas, mdulos epainis) as tenses so adicionadas e a corrente no afetada, ouseja:

V = V1 + V2 +....+ VnI = I1 = I2 = .... = InObs.:

Ao assumir-se as correntes individuais iguais, significaconsiderar-se mdulos idnticos sob as mesmas condies de radiaoe temperatura. Isto em geral no totalmente verdade mas pode muitasvezes, ser uma boa aproximao, desde que alguns cuidados na seleodos mdulos e sua disposio sejam observados

O efeito da conexo em srie est ilustrado na Figura a seguiratravs da curva caracterstica IxV.

Curvas IxV para a conexo em srie de dois dispositivosfotovoltaicos.(Fonte: Photovoltaic System Desifn Course Manual)

Figura 20

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Dispositivos fotovoltaicos conectados em paralelo

Dispositivos conectados em paralelo compreendem ligaes determinais positivos juntos e terminais negativos juntos.

A conexo em paralelo causa a adio das correntes enquantoeu a tenso continua a mesma. Ou seja:

I = I1 + I2 + .... + InV = V1 = V2 =....= Vn

Obs.:Os comentrios feitos para as conexes em srie tambm

se aplicam aqui, para a igualdade das tenses.

A Figura abaixo ilustra o efeito da adio das correntes emdispositivos conectados em paralelo, atravs da curvacaracterstica IxV.

Curvas IxV para a conexo em paralelo de dois dispositivosfotovoltaicos.(Fonte: Photovoltaic System Design Course Manual)

Figura 21

Fatores que afetam as caractersticas dos mdulos

O desempenho dos mdulos fotovoltaicos fundamentalmenteinfluenciado pela intensidade luminosa e temperatura das clulas.

A condio padro para plotagem das curvas caractersticas etestes dos mdulos definida para a radiao de 1000 W/m2 (radiao

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recebida na superfcie da terra em dia claro, ao meio dia), e temperaturade 25C na clula (a eficincia da clula reduzida com o aumento datemperatura).

Intensidade Luminosa

Como mostra a figura da pagina seguinte, a corrente geradapelo mdulo aumenta linearmente com o aumento da intensidadeluminosa.

importante ressaltar, conforme visto no captulo 1, que o solpossui movimento aparente no cu de acordo com a hora do dia e como dia do ano. Para receber maior intensidade luminosa necessrioacompanhamento destes movimentos. Entretanto, os mdulos,normalmente, so instalados em posio fixa, devido ao elevado custodos equipamentos que permitem sua movimentao(seguidores ou trackers). Dessa forma, fundamental determinar amelhor inclinao para cada regio em funo da latitude local e dascaractersticas da demanda.

Temperaturas das Clulas

A incidncia de um nvel de insolao e a variao da temperaturaambiente implicam uma variao de temperatura nas clulas quecompem os mdulos. A figura 4.1.8 mostra curvas IxV para diversastemperaturas de clula, deixando claro a influncia quando se comparaos joelhos das curvas. O aumento do nvel de insolao aumenta atemperatura da clula e conseqentemente tende a reduzir a eficinciado mdulo. Isto se deve ao fato de que a tenso diminuisignificativamente com o aumento da temperatura enquanto que acorrente sofre uma elevao muito pequena, quase desprezvel. Osmdulos de silcio amorfo apresentam uma menor influncia datemperatura na potncia de pico, embora tambm sofram reduo noseu desempenho.

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Efeito causado pela variao da intensidade da luz na curva caractersticaIxV para um mdulo fotovoltaico

Figura 22

Efeito causado pela temperatura da clula na curva caracterstica IxV (para 1000 W/m2)em um mdulo fotovoltaico de silcio cristalino.

Figura 23

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Baterias

Baterias so conhecidas por serem uma conveniente e eficienteforma de armazenamento de energia. Quando uma bateria estconectada a um circuito eltrico, h fluxo de corrente devido a umatransformao eletroqumica no seu interior, ou seja, h produo decorrente contnua atravs da converso de energia qumica em energiaeltrica.

A mais simples unidade de operao de uma bateria chamadade clula eletroqumica ou, simplesmente, clula. Uma bateria podeser composta de apenas uma clula ou do arranjo eltrico de diversas.

Baterias podem ser classificadas em recarregveis e no-recarregveis dependendo do tipo de clula de que so compostas.Existem dois tipos bsicos de clulas: primrias e secundrias.

As clulas primrias compem as baterias que podem serutilizadas apenas uma vez (no-recarregveis). Quando as clulasprimrias descarregam-se completamente sua vida til termina e elasso inutilizadas. As baterias no-recarregveis ou primrias sogeralmente utilizadas como fontes de energia de baixa potncia, emaplicaes tais como relgios de pulso, aparelhos de memria digital,calculadoras e muitos outros aparelhos portteis. possvel encontrarbaterias compostas por clulas primrias que admitem recargas leves,aumentando sua vida til.

As clulas secundrias compem as baterias recarregveis, ouseja, aquelas que podem ser carregadas com o auxlio de uma fonte detenso ou corrente e reutilizadas vrias vezes. So comumentechamadas de acumuladores ou baterias de armazenamento e soteis na maioria das aplicaes por longos perodos, como por exemplo,em Sistemas Fotovoltaicos.

Para cada tipo de clula existem diversas tecnologias deconstruo e diversas possibilidades de composio (materiaisenvolvidos). As Tabelas 4.2.1 e 4.2.2 mostram, de forma comparativa,diversos tipos de baterias recarregveis destacando tecnologias,densidade de potncia, custo, etc. Atualmente, as bateriaschumbo-cido e nquel-cdmio so as mais utilizadas e sero descritascom mais detalhes a seguir. Tecnologias como nquel-ferro, sdio-

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enxfre e nquel-hidrognio so muito promissoras. Para o casoespecfico de Sistemas Fotovoltaicos as baterias chumbo-cidorespondem pela quase totalidade dos sistemas j instalados e tem-sedado preferncia s abertas para sistemas grandes e as selada parasistemas pequenos

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Tabela 01 Estado atual de desenvolvimento e disponibilidade dosprincipais tipos de baterias secundrias.(Fonte: Photovoltaic SysteamTechnology Na European Handbook)

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Tabela 02. Caractersticas tcnicas das baterias secundrias.(Fonte: Photovoltaic System Technology Na European Handbook)

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Terminologia

A seguir apresentada uma terminologia com os principais termosrelativos a baterias.

Auto-descarga

Num processo espontneo, todas as baterias descarregamgradualmente, atravs de processos qumicos internos, quando noesto em uso. A este processo d-se o nome de auto-descarga.

A taxa de auto-descarga normalmente especificada como umapercentagem da capacidade nominal que perdida a cada ms.

As baterias de chumbo-cido tm como caracterstica uma altataxa de auto-descarga. Quando no esto sendo utilizadas, podemperder de 5 a 30% por ms de sua capacidade, dependendo datemperatura e composio qumica da clula. Comparativamente, afaixa mdia de auto-descarga das baterias de nquel-cdmio de 3 a6% ao ms.

Bateria

A palavra bateria refere-se a um grupo de clulas conectadaseletricamente em srie e/ou paralelo para produzir uma tenso e/oucorrente mais elevada do que pode ser obtida por uma nica clula.Uma bateria pode tambm ser constituda por uma nica clula casoesta se constitua num sistema de armazenamento eletroqumicocompleto.

Capacidade

Embora a capacidade de uma bateria seja normalmente definidacomo a quantidade de Ampres-hora que pode ser retirada da mesmaquando esta apresenta carga plena, pode, tambm, expressarcapacidade em termos de energia (Watt-hora ou kilo Watt-hora).

Capacidade Nominal uma estimativa conservadora dofabricante do nmero total de Ampres-hora que pode ser retirado deuma clula ou bateria nova para os valores especificados de corrente

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de descarga, temperatura e tenso de corte.

Capacidade Instalada o total de mperes-hora que pode serretirado de uma clula ou bateria nova sob um conjunto especfico decondies operacionais, incluindo a taxa de descarga, temperatura, etenso de corte.

Capacidade Disponvel o total de mperes-hora que podeser retirado de uma clula ou bateria sob um conjunto especfico decondies operacionais, incluindo a taxa de descarga, temperatura,estado inicial de carga, idade e tenso de corte.

Capacidade de Energia o nmero total de Watts-hora quepode ser retirado de uma clula ou bateria totalmente carregada.

Teoricamente, uma bateria de 200 Ah deve ser capaz de fornecercorrente de 200 A durante 1 hora, ou 50 A por 4 horas, ou 4 A por 50horas, ou ainda, 1 A por 200 horas. Um fator que

influencia na capacidade da bateria a velocidade de carga oudescarga. Quanto mais lento for o descarregamento, ligeiramente maiorser a sua disponibilidade de carga e vice-versa. Os fabricantesnormalmente fornecem a capacidade para cada regime de descarga.

Outro fator que influencia na capacidade a temperatura deoperao da bateria. As baterias so projetadas para trabalharem a25C. Assim, temperaturas mais baixas reduzem significativamentesua capacidade e temperaturas mais altas resultam em uma capacidadeligeiramente maior acarretando, contudo, aumento da perda de gua ediminuio do nmero de ciclos, durante a vida til da bateria.Durante o processo de carga, a reao inversa ocorre consumindoenergia.

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Carga

Converso de energia eltrica em potencial eletroqumico nointerior da clula.

Clula

a unidade eletroqumica bsica de uma bateria e possui umatenso caracterstica que depende dos materiais nela contidos. Umaclula uma combinao de dois eletrodos e do eletrlito. Quandouma clula est descarregando, ocorrem reaes qumicas entre omaterial ativo de cada eletrodo e o eletrlito, que produzem eletricidade.

A polaridade dos eletrodos indica o sinal da carga que elespossuem. essencial que os eletrodos, positivo e negativo no setoquem. Caso isto ocorra, um curto-circuito ser causado e a cluladescarregar rapidamente.

Quando todo o material ativo nos dois eletrodos convertido, aclula est completamente descarregada. Durante o carregamento oprocesso revertido; ocorre a converso do material ativo para o estadoinicial.

Ciclo

A seqncia carga-descarga de uma bateria at umadeterminada profundidade de descarga chamada de ciclo.

Densidade e energia

Energia nominal (capacidade de energia) normalizada pelo volumeou pelo peso da clula ou bateria.

Descarga

Processo de retirada de corrente de uma clula ou bateria atravsda converso de potencial eletroqumico em energia eltrica, no interiorda clula. Quando a descarga ultrapassa 50% da capacidade da bateria,ela chamada de Descarga Profunda.

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Eficincia

Relao entre a sada til e a entrada. Existem trs formas de seexpressar a eficincia de uma bateria:

Eficincia Coulmbica ou de mpere-hora (Ah) relao entre aquantidade de Ah retirada de uma clula durante a descarga e aquantidade necessria para restaurar o estado de carga inicial. calculada atravs da razo entre a integral da corrente ao longo dotempo de descarga e carga.

Eficincia de Tenso relao entre a tenso mdia durante adescarga de uma clula ou bateria e da tenso mdia durante a carganecessria para restaurar a capacidade inicial.

Eficincia de Energia ou de Watt-hora (Wh) relao entre aenergia retirada da bateria durante o processo de descarga e a energianecessria para restaurar o estado de carga inicial.

Eletrodo

Os eletrodos fornecem suporte estrutural para o material ativoe transportam corrente para o topo dos terminais. Embora haja reversode polaridade durante os processos de carga e descarga chama-se,normalmente, de catodo, o terminal positivo, e de anodo, o negativo.

Eletrlito

Meio que proporciona o mecanismo de transporte de ons entreos eletrodos positivo e negativo. Em algumas clulas, tal como as dotipo chumbo-cido, o eletrlito pode tambm participar diretamentenas reaes eletroqumicas de carga e descarga.

Estratificao

Diviso do eletrlito em camadas de diferentes densidades,apresentando, como conseqncia, a reduo da capacidade da bateriaecorroso da parte inferior dos eletrodos.

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Equalizao

Processo em que se busca igualar o estado de carga das clulasque compem uma bateria. Para as baterias chumbo-cido esteprocesso dimensionado para levar todas as clulas carga plena.Alguns tipos de baterias requerem uma descarga total durante oprocesso de equalizao.

Estado de Carga

Capacidade disponvel em uma bateria ou clula expressa comoporcentagem da capacidade nominal. Por exemplo, se 25 Ah foramretirados de uma bateria de capacidade nominal de 100 Ahcompletamente carregada, o novo estado de carga 75%. o valorcomplementar da profundidade de descarga.

Flutuao

Processo de carga que busca manter as baterias ou clulas comum estado de carga prximo carga plena, evitando que as mesmaspermaneam por longos perodos com estado parcial de carga. Esteprocesso importante para as baterias chumbo-cido sendo dispensvelpara as de nquel-cdmio.

Gaseificao

Gerao de gs em um ou mais eletrodos de uma clula. Agaseificao resulta de ao local (auto-descarga) ou da eletrlise dagua no eletrlito durante o processo de carga. Est relacionada com asobrecarga e aumenta para elevadas temperaturas de operao.

Grade

Estrutura condutora que suporta o material ativo de uma placa,mas que no participa quimicamente da reao de carga/descarga.

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Material ativo

Constituinte de uma clula que participa diretamente da reaoeletroqumica de carga e descarga.

Placa

Montagem do material ativo e, em alguns casos, uma grade de suporte.As placas formam os eletrodos positivos e negativos de uma clula.

Polarizao

Desvio da tenso de circuito aberto, causada pelo fluxo decorrente em uma clula eletroqumica. Pode ser de ativao ou deconcentrao.

Profundidade de descarga

A profundidade de descarga indica, em termos percentuais,quanto da capacidade nominal da bateria foi retirada a partir do estadode plena carga. Por exemplo, a remoo de 25 Ah de uma bateria decapacidade nominal de 100 Ah resulta em uma profundidade dedescarga de 25%. o valor complementar do estado de carga.

Sob certas condies, tais como taxas de descarga inferiores que foi utilizada para especificar a bateria, a profundidade de descargapode exceder os 100%.

Segundo alguns fabricantes de baterias de nquel-cdmio, estaspodem ser totalmente descarregadas e recarregadas sem sofreremalterao no seu desempenho. J as de chumbo-cido possuem severasrestries quanto a descargas profundas.

Separador

Material eletricamente isolante, microporoso e permevel ao fluxode ons, usado para evitar o contato direto entre as placas que formama clula.

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Sobrecarga

quando continua-se fornecendo corrente em uma clula apsa mesma ter atingido a carga plena. A sobrecarga no aumenta adisponibilidade de energia na clula ou bateria e pode resultar nagaseificao ou no sobreaquecimento da mesma, ambos possuindoreflexos na vida til do dispositivo. Esta situao implica perda degua.

Sulfatao

Formao de cristais de sulfato de chumbo nas placas de umabateria chumbo-cido. Pode ser causada por deixar-se este tipo debateria descarregada por prolongados perodos de tempo e pode causar,por exemplo, o aumento da resistncia interna.

Taxa de carga

Valor de corrente aplicado a uma clula ou bateria durante oprocesso de carga. Esta taxa normalizada em relao capacidadenominal da clula ou bateria. Por exemplo, uma bateria de 500 Ah decapacidade nominal um intervalo de carga de 10 horas tem sua taxade carga expressa da sguinte forma:

A eficincia de Ah de muitas baterias inferior a 100%, portanto,o tempo necessrio para recarreg-las completamente a partir de umaprofundidade de descarga de 100% maior que o indicado para a suadescarga com a mesma taxa.

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Taxa de descarga

Valor de corrente durante o processo de descarga de uma clulaou bateria. Esta taxa pode ser expressa em Ampres, mas maiscomumente encontrada normalizada pela capacidade nominal da bateria(ver taxa de carga).

Tenso de circuito aberto

Tenso nos terminais de uma clula ou bateria para umdeterminado estado de carga e a uma determinada temperatura, nacondio em que no h corrente entre os terminais.

Tenso de corte

Valor de tenso em que a descarga da bateria interrompida.Pode ser especificada em funo das condies operacionais ou podeser valor determinado pelos fabricantes como tenso de final dedescarga, a partir da qual danos irreversveis podem ser causados bateria.

Tenso de final de carga

Tenso da clula ou bateria na qual o processo de carga interrompido por supor-se que a carga atingida suficiente ou que abateria ou clula esteja plenamente carregada.

Terminais

Pontos de acesso externo das baterias que permitem a suaconexo eltrica.

Vida til

A vida til de uma bateria pode ser expressa de duas formas,nmero de ciclos ou perodo de tempo , dependendo do tipo de serviopara o qual a bateria foi especificada.

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Para o primeiro caso, a vida til o nmero de ciclos, com umadeterminada profundidade de descarga, a que uma clula ou bateriapode ser submetida antes de apresentar falhas em satisfazer sespecificaes. Este mero, chamado de vida cclica, depende daprofundidade de descarga do ciclo, da corrente de descarga e datemperatura de operao.

Nas baterias de chumbo-cido, o fim de vida geralmentetomado como o instante em que a clula, estando totalmente carregada,pode fornecer apenas 80% da sua capacidade nominal. Esta perdapermanente de 20% est relacionada com a ciclagem e com a idadeda bateria.

Em cada ciclo de uma clula, pequenas quantidades de materialativo so desprendidos dos eletrodos e transferidos para os seusterminais. Uma vez que este material separou-se do eletrodo, ele nopode ser utilizado novamente, reduzindo assim, a capacidade da clula.

A capacidade de uma bateria tambm permanentementereduzida pelo seu envelhecimento, que est diretamente relacionadocom a temperatura de operao/armazenamento e forma dearmazenamento das clulas.

Procedimentos que contribuem para o aumento da vida til dabateria so: manuteno do estado de carga em bateriaschumbo-cido (equalizao e flutuao), operao em ambientes detemperatura controlada, controle sobrecargas e sobredescargas, etc.

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Baterias Recarregveis

Como j foi antecipado, baterias recarregveis so aquelas queapresentam uma constituio qumica que permite reaes reversveis.Com o auxlio de uma fonte externa, pde-se recuperar a composioqumica inicial e deixa-la pronta para um novo ciclo de operao. Deacordo com a aplicao, elas podem ser classificadas como:

Automotiva: tambm conhecidas co SLI (do ingls,starting, l ighting, ignition), so baterias projetadasfundamentalmente, para descargas rpidas com elevadas taxasde corrente e com reduzidas profundidades de descarga. Estacondio tpica na partida de motores de automveis.

Trao: indicadas para alimentar equipamentos mveiseltricos como, por exemplo, empilhadeiras, e so projetadaspara operar em regime de ciclos dirios profundos com taxa dedescarga moderada (C/6).

Estacionrias: so direcionadas tipicamente paraaplicaes em que as baterias permanecem em flutuao e sosolicitadas ocasionalmente para ciclos de carga/descarga. Estacondio tpica de sistemas back-up.

Fotovoltaicas: so projetadas para ciclos dirios rasos comtaxas de descarga reduzidas e devem suportar descargasprofundas espordicas devido a possvel ausncia de gerao(dias nublados).As baterias recarregveis tambm podem ser diferenciadasquanto forma de confinamento do eletrlito em abertas ouseladas.

As baterias abertas so aquelas que necessitam deverificao

peridica do nvel do eletrlito. Seu eletrlito lquido e livre (no confinado do separador) e, por esta razo, devem trabalhar na posiovertical.

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As baterias seladas possuem o eletrlito confinado noseparador ou sob a forma de GEL. Elas tambm so conhecidascomo sem manuteno porque no necessitam de adio degua. Os usurios ligados a aplicaes em Telecomunicaescostumam denomina-las de baterias reguladas a vlvula.Atualmente, baterias similares s abertas esto sendo vendidascomo seladas devido a artifcios que sero detalhados na prximaseo.

As principais figuras de avaliao de baterias recarregveis so:Densidade de Energia (volumtrica ou por peso), Eficincia, Capacidade,Vida Cclica, Taxa de Auto-descarga, Reciclabilidade dos Materiais eCusto.

A eficincia das baterias recarregveis depende de muitosfatores, entre os quais destacam-se: estado de carga, temperaturade operao, taxa de carga e descarga, idade.

Os fatores mais importantes que afetam o desempenho, acapacidade e a vida til de qualquer bateria recarregvel so:profundidade de descarga (por ciclo), temperatura, vida cclica, controleda carga/descarga e manuteno peridica (especialmente,recarregamento peridico no caso das chumbo-cido. A seguir, sodetalhados estes fatores.

Profundidade de descarga, vida cclica e temperatura

A profundidade de descarga e temperatura so os parmetrosmais comumente usados pelos fabricantes de clulas para estimar acapacidade de vida cclica da bateria. A figura 24 ilustra os efeitos daprofundidade de descarga e da temperatura de operao na vida cclicadas clulas secundrias.

A vida cclica est inversamente relacionada com a profundidadede descarga e temperatura. A capacidade de qualquer bateria secundriadegrada-se mais rapidamente quando a temperatura de operao dabateria e a profundidade de descarga aumentam.

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Tcnica e modo de operao do controle de carga

O carregamento uma operao crtica que afeta diretamente avida til da bateria. O objetivo principal de um sistema de controle decarga carregar a bateria eficientemente, evitando os efeitos prejudiciaisdo excessivo carregamento. As Figuras 4.2.2. e 4.2.3 mostram,respectivamente, curas tpicas de carga e descarga das clulas chumbo-cido abertas.

Curvas tpicas do efeito da profundidade de descarga e da temperaturana vida til da bateria1. (Fonte: Photovoltaic System Technology An European)

Figura 24

1 Esta curva busca apresentar o comportamento da vida til com temperaturas eprofundidades de descarga. Os valores so indicativos e tentam apenas dar uma noomdia do valor dos parmetros para as diversas baterias disponveis. Recomenda-se, noentanto, que as especificaes dos fornecedores sejam sempre consultadas para se teruma idia mais precisa dos mesmos. Estes parmetrosvariam de modelo para modelo e tecnologia para tecnologia.

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A produo dos gases oxignio e hidrognio em uma clula ocorreprincipalmente durante o carregamento, mas tambm pode ocorrerdurante uma descarga normal da bateria. As clulas chumbo-cidoabertas podem resistir a uma quantidade moderada desobredescarregamento, desde que os gases envolvidos possam escaparatravs dos furos de ventilao. Entretanto, tanto a produo deoxignio, quanto s reaes de recombinao, so exotrmicas,resultando no conseqente aumentando a temperatura da clula,aumenta tambm a taxa de degradao, tanto dos eletrodos, quantodos separadores, reduzindo a vida da bateria. Muito embora algunsproblemas sejam ocasionados pelo sobredescarregamento, este se faznecessrio para carregar totalmente as placas da clula. Porm, muitasvezes, a principal dificuldade est em como detectar o nvel de cargatotal.

Manuteno peridica do carregamento

A maioria dos Sistemas Fotovoltaicos tende a operar por vriosdias ou semanas sem adequado recarregamento das baterias, devido falta de energia solar. Acredita-se que a falta de recarregamentodurante o tempo ruim, contribui para a reduo da vida da clula,principalmente para as baterias chumbo-cido.

Baterias Chumbo-cido

As clulas chumbo-cido utilizam dixido de chumbo (PbO2) comomaterial ativo da placa (eletrodo) positiva e chumbo metlico (Pb),numa estrutura porosa altamente reativa, como material ativo da placa(eletrodo) negativa. Estas placas so imersas em uma soluo diludade cido sulfrico (H2SO4), que comporta-se como o eletrlito (mistura,em geral, de 36% de cido sulfrico e 64% de gua).

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Perfil tpico da tenso durante o carregamento de uma clula chumbo-cido aberta com vrias taxas de carga.(Fonte: Photovoltaic SystemTechnology An European Handbook)

Figura 25

Perfil tpico da tenso durante o processo de descarga de uma clulachumbo-cido aberta com vrias taxas de descarga.(Fonte: Photovoltaic System Technology An European Handbook)

Figura 26

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Durante a descarga, o cido sulfrico reage com os materiaisativos das placas, produzindo gua, que dilui o eletrlito. Durante ocarregamento, o processo revertido; o sulfato de chumbo (PbSO4) deambas as placas transformado em chumbo esponjado, dixido dechumbo (PbO2) cido sulfrico (H2SO4).

A densidade do eletrlito varia durante o processo de carga edescarga e valores tpicos so apresentados na Tabela 4.2.3. Estesvalores dependem tambm da temperatura e do tipo de bateria emquesto.

Tabela 03 Densidade do Eletrlito (valores tpicos a 25C)A reao qumica reversvel em uma bateria chumbo-cido dada por:

( descarga )( carga )PbO2 + Pb + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O

Quando a clula est completamente carregada e a maioria docido sulfrico foi convertida em chumbo e dixido de chumbo, comeaa ocorrer produo dos gases hidrognio e oxignio. Isto acontece,pois todo o material ativo das placas positivas foi completamenteutilizado, de maneira que elas no so mais capazes de converter acorrente de carga em energia eletroqumica. Neste momento, a tensoda clula torna-se maior do que a tenso de gaseificao(eletrlise cerca de 2,39 Volts por clula) e tm incio as reaes desobrecarregamento, acelerando a produo de hidrognio e oxignio(gaseificao) e a conseqente perda de gua. A equao a seguirmostra a reao qumica da eletrlise.

H2O H2 + O2Nas clulas chumbo-cido seladas, esta reao controlada para

impedir a evoluo do hidrognio e a perda de gua, pela recombinaodo oxignio, como ser detalhado a seguir.

A construo bsica de uma clula no-selada mostrada nafigura a seguir, a grade consiste de uma estrutura feita de chumbo

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metlico, que suporta o material ativo das placas e conduz correnteeltrica. O material tradicionalmente usado para as grades dechumbo uma liga de chumbo-antimnio, embora, recentemente,outras ligas, em especial ligas de chumbo-clcio, tambm tmsido utilizadas.

O antimnio um componente de liga que promove a reao dedecomposio da gua (eletrlise) contida no eletrlito. A eletrlise dagua a razo pela qual, baterias convencionais devem ter guaadicionada periodicamente. Assim, com o objetivo de reduzir adecomposio da gua na bateria, durante o seu carregamento, ligasde chumbo-clcio tm sido utilizadas. A principal aplicao das gradesfeitas com ligas de chumbo-clcio tem sido utilizada. A principalaplicao das grades feitas com ligas de chumbo-clcio tem sido asbateria automotivas que em geral, so vendidas como semmanuteno.

Principais partes constituintes de uma clula eletroqumica.

Figura 27

Para impedir o contato entre as placas positivas e negativas e,consequentemente, o curto-circuito da clula, utilizam-se isolantesfinos, chamados de separadores, que podem ser feitos de vidro,plstico, madeira, amianto, borracha ou fibra de vidro, soa microporosose permitem a livre passagem do eletrlito entre as placas, ao mesmotempo que impedem o contato fsico entre elas. Os separadores tambmajudam a fixar o material ativo nas placas.

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Os tipos de bateria chumbo-cido adequadas aos SistemasFotovoltaicos, so conhecidos como baterias solares ou bateriasfotovoltaicas. Os dois tipos de baterias chumbo-cido mais comumenteutilizadas para esta aplicao, tm sido baterias abertas com liga debaixo-antimnio nas placas positivas e baterias sem manuteno comliga de clcio nas placas positivas. Mais recentemente, as bateriasseladas com eletrlito absorvido comearam a entrar tambm nestesegmento do mercado.

Baterias abertas com liga de baixo-antimnio nas placas positivas

A caracterstica principal destes tipos de baterias que elaspossuem placas positivas feitas de uma liga de chumbo e baixo-antimnio(cerca de 1 a 3%). Alm disto, so compostas por clulas no-seladas,possuem placas empastadas de mdia espessura e esto contidas emuma caixa, feita de plstico transparente para facilitar a inspeo donvel do eletrlito de cada clula e das condies fsicas das placas eseparadores.

O uso do antimnio e placas de mdia espessura aumenta a vidacclica das clulas para descargas profundas. A baixa porcentagem deantimnio reduz o efeito da gaseificao e da auto-descarga.

Uma vantagem das clulas no-selada que a bateria pode serfornecida a seco e o eletrlito pode ser adicionado no local da instalao.No caso da bateria ter sido fornecida a seco, no h possibilidade deocorrer sulfatao, resultante da auto-descarga. Alm disso, no havermaiores problemas se a bateria for virada, por engano.

Embora este tipo de bateria seja projetada para operar em ciclosprofundos, esta nunca deve ser totalmente descarregada. Precaues,como o uso de uma unidade de controle eletrnico(controlador de carga) com possibilidade de interrupo da sada decorrente (ver seo 4.3), que impede a ocorrncia de descargas abaixode um determinado valor, devem ser tomadas para evitar que istoacontea. Alternativamente, o estado de carga pode ser checado comum voltmetro, a cada dia.

O principal inconveniente de uma bateria com baixo-antimnioaberta que, apesar da pequena quantidade de manuteno, elanecessita ser feita regularmente para evitar danos permanentes.Isto envolve verificar o nvel do eletrlito e preench-lo, quando

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necessrio, com gua destilada ou deonizada.Outra desvantagem das baterias no-seladas a nvoa danifica

as partes metlicas dos contatos eltricos dos terminais.

Baterias sem manuteno com liga de clcio nas placas positivas

As baterias fotovoltaicas de baixa-manuteno (seladas) usamuma liga de chumbo-clcio nas placas positivas. Isto minimiza a taxade gaseificao a ponto de no ser necessrio preencher o eletrlitoregularmente com gua. O nico requisito de manuteno que osterminais precisam ser limpos a cada12 meses. Estas baterias nuncadevem ser viradas, pois se houver derramamento de lquido, serimpossvel realizar a sua substituio.

H duas desvantagens das baterias sem manuteno(chumbo-clcio) quando instaladas em Sistemas Fotovoltaicos. Uma a reduzida vida-cclica para ciclos profundos, quando comparadas comas placas positivas de baixo-antimnio. A outra desvantagem queelas so sempre fornecidas com eletrlito. Isto aumenta o risco dedeteriorao durante o perodo de armazenamento e/ou distribuio eo eletrlito pode ser perdido se as baterias forem viradas por engano.Ser necessrio tambm recarreg-las periodicamente enquantoestiverem armazenadas, para evitar a ocorrncia de sulfatao.

Baterias Seladas

As baterias chumbo-cido seladas so muito desejveis porqueno necessitam de nenhum tipo de manuteno, alm de no haverrisco de contato com o eletrlito.

O princpio bsico das baterias seladas usar um ciclo internode oxignio para eliminar a perda de gua, sob condies normais deoperao. As baterias seladas apresentam caractersticas especficaspara que o ciclo de oxignio ocorra. Por isso, o tamanho (capacidade)total das placas positivas ligeiramente menor do que a das placasnegativas. Assim, as placas positivas so totalmente carregadas antesque as placas negativas atinjam este estado. Isto importante paraque somente as placas positivas gaseifiquem; desta forma, apenasoxignio gasoso produzido. O oxignio gasoso produzido flui atravs

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do eletrlito para os espaos das placas negativas onde ele reage paraformar o sulfato de chumbo e gua. Alm disso, o carregamentotransforma o sulfato de chumbo em chumbo e restabelece o balanoqumico da clula. O resultado final que o oxignio fica circulando,das placas positivas para as placas negativas, durante osobrecarregamento e no perdido. Este processo s acontece com ooxignio. Isto ocorre pelo fato da clula estar limitada positivamentepara impedir as placas negativas de alcanarem o estado decarregamento total e consequentemente, produzir hidrognio, que absorvido muito lentamente. Como parte do ciclo de oxignio, devehaver um fluxo livre de gs oxignio, das placas positivas para asplacas negativas.

As clulas seladas podem resistir a uma completa descarga maiseficientemente do que os outros tipos de clula chumbo-cido.Entretanto, elas devem ser recarregadas o mais rpido possvel, paraimpedir danos permanentes.

Outra tecnologia que vem sendo explorada o uso de vlvulasde recombinao cataltica, onde o oxignio e o hidrognio provenientesda eletrlise so recombinados e transformados em gua.

As principais desvantagens das baterias seladas so: custo, curtociclo de vida para ciclos profundos e no possibilidade de seremdistribudas e/ou armazenadas sem o eletrlito. Embora tenham umabaixa taxa de auto-descarga, podem ser prejudicadas permanentementepela sulfatao, se forem mantidas sem carregamento, por longosperodos. O custo destas baterias tem sido compensado por sua maiorcapacidade til, associada possibilidade de trabalhar com valoresmaiores de profundidade de descarga.

Efeito da temperatura

Caractersticas tpicas de baterias chumbo-cido de 12 Voltsso dadas na tabela 04 para uma temperatura de 20 C. Quando atemperatura aumenta, a capacidade total tambm aumenta. Isto claramente uma vantagem, porm acarreta alguns inconvenientes taiscomo o aumento da taxa de auto-descarga, reduo do ciclo de vida esulfatao acelerada em baterias que no esto totalmente carregadas.

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Tabela 04 - Tenses caractersticas de clulas e baterias chumbo-cido.(Fonte: Solar Electricy)

As baterias no devem ser operadas continuamente acima de40C; caso contrrio ocorrer danos permanentes nas placas. Umproblema com temperaturas abaixo de 0C que o eletrlito podercongelar se a bateria estiver descarregada. Se isto ocorrer, ela nopoder operar e danos permanentes sero causados. Quando a bateriadescarrega, o cido dilui e congela uma temperatura mais alta.

Com 20% do estado de carga, o ponto de congelamento cercade -10C, em uma bateria tpica. Baterias projetadas para seremutilizadas em climas muito frios, tm uma concentrao de cido maiselevada que mantm o eletrlito em estado lquido nesta temperatura.

Em um dado estado de carga, mudanas de temperatura tambmafetam as medies do peso especfico do eletrlito e da tenso.

Sulfatao

Um problema que comumente ocorre nas clulas chumbo-cido um processo chamado sulfatao. A sulfatao a formao decristais de sulfato de chumbo nas placas das clulas. Fora das condiesnormais de operao, forma-se durante a descarga, uma fina camadade sulfato de chumbo na superfcie das placas. No incio do processo,existem muitos espaos em volta de cada pequeno cristal de sulfato

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de chumbo por onde o eletrlito pode ainda alcanar os materiais ativos(dixido de chumbo e chumbo). Entretanto, gradualmente os pequenoscristais de sulfato de chumbo juntam-se e recristalizam-se para formarcristais maiores. Este fenmeno constitui-se em problema j que oscristais maiores no so decompostos durante o recarregamento.

A sulfatao reduz permanentemente a capacidade da clula.Assim, todas as precaues devem ser tomadas para impedir a suaocorrncia. A seguir, so apresentados alguns fatores que acentuam oprocesso de sulfatao e que, portanto, devem ser evitados:

Manter a clula descarregada por longos perodos de tempo; Carregamentos baixos ou parciais prolongados; Operao contnua acima de 45C; Permitir o eletrlito torne-se fortemente concentrado.

Quando duas ou mais destas condies ocorrem ao mesmo tempo,o processo de sulfatao ainda mais acelerado. O primeiro sinal desulfatao geralmente acontece quando uma bateria parece carregarrapidamente, como indicado pela elevada tenso de carregamento.Entretanto, uma medio do peso especfico mostra que o estado decarga ainda est baixo. Manter uma lenta corrente durante ocarregamento poder minimizar os danos, mas geralmente a capacidadeda bateria se reduzir irreversivelmente.

A melhor maneira de evitar a sulfatao carregar a clularegularmente para que todo o sulfato de chumbo seja convertido. Paraaplicaes em ciclos profundos, os fabricantes recomendam que asbaterias sejam recarregadas imediatamente aps cada descargaprofunda.

Isto no possvel em sistemas solares, quando a descargaprofunda resultante do tempo nublado. Neste caso, se faz necessrioreduzir o uso de eletricidade por vrios dias ou, ento, recarregar asbaterias por intermdio de outras fontes.

A taxa de sulfatao varia para os diferentes tipos de clulas,dependendo da qualidade das placas e da sua aplicao. Os materiaisativos contm aditivos que retardam a taxa de sulfatao, mas queno podem interromp-la completamente. Em lugares onde atemperatura mdia est acima de 30C, utiliza-se um eletrlito

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tropical, que possui uma baixa concentrao de cido. A baixaconcentrao reduz os danos na estrutura da grade das placas positivas,diminuindo a taxa de sulfatao.

Baterias Nquel-Cdmio

As baterias nquel-cdmio tm estrutura fsica similar schumbo-cido. S que ao invs de placas de chumbo, utilizam-sehidrxido de nquel para as placas positivas, e xido de cdmio para asplacas negativas. O eletrlito hidrxido de potssio, que um lcali,to prejudicial quanto o cido sulfrico das clulas chumbo-cido.

A Tabela abaixo apresenta caractersticas tpicas para as clulasde nquel-cdmio. Estas baterias podem sobreviver ao congelamento eao degelo sem sofrerem nenhuma alterao no seu desempenho.Temperaturas elevadas tm menor efeito do que em baterias chumbo-cido.

Tabela 05 Tenses caractersticas de clulas e baterias de nquel-cdmio.(Fonte: Solar Electricity)

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As baterias no devem ser operadas continuamente acima de40C; caso contrrio ocorrer danos permanentes nas placas. Umproblema com temperaturas abaixo de 0C que o eletrlito podercongelar se a bateria estiver descarregada. Se isto ocorrer, ela nopoder operar e danos permanentes sero causados. Quando a bateriadescarrega, o cido dilui e congela uma temperatura mais alta.

Com 20% do estado de carga, o ponto de congelamento cercade -10C, em uma bateria tpica. Baterias projetadas para seremutilizadas em climas muito frios, tm uma concentrao de cido maiselevada que mantm o eletrlito em estado lquido nesta temperatura.

Em um dado estado de carga, mudanas de temperatura tambmafetam as medies do peso especfico do eletrlito e da tenso.

Sulfatao

Um problema que comumente ocorre nas clulas chumbo-cido um processo chamado sulfatao. A sulfatao a formao decristais de sulfato de chumbo nas placas das clulas. Fora das condiesnormais de operao, forma-se durante a descarga, uma fina camadade sulfato de chumbo na superfcie das placas. No incio do processo,existem muitos espaos em volta de cada pequeno cristal de sulfatode chumbo por onde o eletrlito pode ainda alcanar os materiais ativos(dixido de chumbo e chumbo). Entretanto, gradualmente os pequenoscristais de sulfato de chumbo juntam-se e recristalizam-se para formarcristais maiores. Este fenmeno constitui-se em problema j que oscristais maiores no so decompostos durante o recarregamento.

A sulfatao reduz permanentemente a capacidade da clula.Assim, todas as precaues devem ser tomadas para impedir a suaocorrncia. A seguir, so apresentados alguns fatores que acentuam oprocesso de sulfatao e que, portanto, devem ser evitados:

Manter a clula descarregada por longos perodos de tempo; Carregamentos baixos ou parciais prolongados; Operao contnua acima de 45C; Permitir o eletrlito torne-se fortemente concentrado.

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Quando duas ou mais destas condies ocorrem ao mesmo tempo,o processo de sulfatao ainda mais acelerado. O primeiro sinal desulfatao geralmente acontece quando uma bateria parece carregarrapidamente, como indicado pela elevada tenso de carregamento.Entretanto, uma medio do peso especfico mostra que o estado decarga ainda est baixo. Manter uma lenta corrente durante ocarregamento poder minimizar os danos, mas geralmente a capacidadeda bateria se reduzir irreversivelmente.

A melhor maneira de evitar a sulfatao carregar a clularegularmente para que todo o sulfato de chumbo seja convertido. Paraaplicaes em ciclos profundos, os fabricantes recomendam que asbaterias sejam recarregadas imediatamente aps cada descargaprofunda.

Isto no possvel em sistemas solares, quando a descargaprofunda resultante do tempo nublado. Neste caso, se faz necessrioreduzir o uso de eletricidade por vrios dias ou, ento, recarregar asbaterias por intermdio de outras fontes.

A taxa de sulfatao varia para os diferentes tipos de clulas,dependendo da qualidade das placas e da sua aplicao. Os materiaisativos contm aditivos que retardam a taxa de sulfatao, mas queno podem interromp-la completamente. Em lugares onde atemperatura mdia est acima de 30C, utiliza-se um eletrlitotropical, que possui uma baixa concentrao de cido. A baixaconcentrao reduz os danos na estrutura da grade das placas positivas,diminuindo a taxa de sulfatao.

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Baterias Nquel-Cdmio

As baterias nquel-cdmio tm estrutura fsica similar schumbo-cido. S que ao invs de placas de chumbo, utilizam-sehidrxido de nquel para as placas positivas, e xido de cdmio para asplacas negativas. O eletrlito hidrxido de potssio, que um lcali,to prejudicial quanto o cido sulfrico das clulas chumbo-cido.

A Tabela 6. apresenta caractersticas tpicas para as clulasde nquel-cdmio. Estas baterias podem sobreviver ao congelamento eao degelo sem sofrerem nenhuma alterao no seu desempenho.Temperaturas elevadas tm menor efeito do que em bateriaschumbo-cido.

Tabela 06. Tenses caractersticas de clulas e baterias de nquel-cdmio.(Fonte: Solar Electricity)

As baterias de nquel-cdmio so menos afetadas por sobrecargas,podem ser totalmente descarregadas, no esto sujeitas sulfataoe seu carregamento no sofre influncia da temperatura.

Embora o custo inicial destas baterias seja mais alto do que aschumbo-cido/clcio (o metal cdmio raro, txico e, portanto, difcilde manusear e a construo das suas placas mais complica), seusbaixos custos de manuteno e vida mais longa fazem com que estassejam a escolha mais adequada para muitas instalaes fotovoltaicas,desde que o sistema esteja situado em local remoto e perigoso. Quandoseus custos so comparados em funo da sua capacidade disponvel

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durante seu ciclo de vida, as baterias nquel-cdmio podem ser maisbaratas.

Outra diferena para as clulas chumbo-cido que as clulasde nquel-cdmio podem sofrer ciclos profundos e ser deixadasdescarregadas, sem causar qualquer prejuzo s placas.

Uma desvantagem das clulas nquel-cdmio quando comparadascom as chumbo-cido que os meios de medio do estado de cargano so simples. Isto deve-se ao fato de existir muito pouca variaoda tenso e do peso especfico do eletrlito, durante a descarga. Destaforma, no h possibilidade de indicao do momento em que a bateriaencontra-se completamente descarregada, o que um inconvenientepara os usurios. Uma soluo usar uma unidade de controlesofisticada que revela a carga em Ampres-hora, calculando-aautomaticamente, atravs de medies contnuas do fluxo de corrente.Outra soluo seria ainda, ter uma bateria reserva, completamentecarregada, mantida em standby.

Efeito da temperatura

Baterias abertas podem ser utilizadas para uma extensa faixade temperatura, ou seja, de -25 a 45C. O eletrlito congela abaixo dolimite inferior de temperatura, mas nenhum dano causado.

Para otimizar a utilizao de uma clula selada, importantemanter a temperatura da clula bem abaixo de 45C em todos osmomentos, especialmente durante o sobrecarregamento, quando calor produzido pela clula. Acima de 45C, o separador degrada-selentamente e eventualmente as placas se tocam. Isto significa que aclula curto-circuitada internamente e no pode ser reutilizada. Outroproblema com temperaturas elevadas causado pelo fato do eletrlitosecar lentamente. Clulas seladas para aplicao em temperaturaselevadas tm um melhor separador e selo para resistir a temperaturasacima de 65C.

As especificaes de tenso e capacidade so geralmente dadaspara 20C. Para temperaturas mais altas ou mais baixas, as tensesso ligeiramente diferentes. No h mudana na capacidade com atemperatura, exceto abaixo de -20C, quando a capacidade comeaa cair devido ao congelamento do eletrlito.

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Abaixo de 5C a absoro do oxignio lenta. Assim, a corrente desobrecarregamento para as clulas seladas deve ser menor do que C/10 para evitar a produo de hidrognio.

Caractersticas Ideais para Uso em Sistemas Fotovoltaicos

A operao de uma bateria, usada em um Sistema SolarFotovoltaico, deve atender a dois tipos de ciclos:

Ciclos rasos a cada dia; Ciclos profundos por vrios dias (tempo nublado) ou semanas

(durante o inverno)

Os ciclos profundos ocorrem quando o carregamento no suficiente para repor a quantidade de carga usada pelos aparelhosdurante todo o dia. Por isso, o estado de carga depois de cada ciclodirio ligeiramente reduzido e, se isto ocorrer por um perodo devrios dias, levar a um ciclo profundo. Quando o tempo melhora ou osdias prolongam-se, h um carregamento extra, aumentando o estadode carga depois de cada ciclo dirio.

As caractersticas mencionadas a seguir devem ser observadaspara que as baterias tenham um bom desempenho quando instaladasem um sistema solar fotovoltaico:

Elevada vida cclica para descargas profundas; Necessidade de pouca ou nenhuma manuteno; Elevada eficincia de carregamento; Baixa taxa de auto-descarga; Confiabilidade; Mnima mudana no desempenho quando trabalhando fora

da faixa de temperatura de operao.

Outros fatores que tambm devem ser considerados, no momentode escolher a bateria adequada para esta aplicao, so:

Disponibilidade dos fornecedores;

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Distncia, durao e custo do transporte para o local; Custo da capacidade til para um ciclo; Custo da capacidade til para o ciclo de vida; Necessidade de manuteno durante o armazenamento; Peso; Densidade de energia; Disponibilidade e custo das unidades de controle, se

necessrio.

Estes fatores podem variar bastante para os vrios tipos debateria e dependem das caractersticas locais. A escolha da bateriaenvolve o conveniente balanceamento de todos os fatores mencionados.

Embora, dentre os modelos disponveis no mercado, as bateriaschumbo-cido sejam as mais utilizadas atualmente em SistemasFotovoltaicos, as nquel-cdmio so as que apresentam caractersticasmais prximas das ideais. As baterias nquel-cdmio no apresentam ,por exemplo, problemas de ciclos profundos ou de sulfatao e, portanto,podem ser deixadas completamente descarregadas. Entretanto, oelevado custo tem limitado o seu uso, em pequenos sistemas.

Baterias automotivas so projetadas para curtos perodos derpida descarga, sem danific-las. Este o motivo pelo qual elas noso apropriadas pra Sistemas Fotovoltaicos. Isto, no entanto, no suficiente para que se deixe de us-las j que estas apresentam comoatrativo o seu baixo custo. Em qualquer situao, indispensvelconhecer as caractersticas eltric