monografia_solar

IVSON RIBEIRO DA SILVA

IMPLANTAO DO CURSO DE ENERGIA SOLAR NO SENAI DE PERNAMBUCO

Monografia apresentada ao Departamento de Engenharia da Universidade Federal de Lavras, como parte das exigncias do Curso de Ps-Graduao Lato Sensu em Fontes Alternativas de Energia para a obteno do ttulo de especialista em Fontes Alternativas de Energia.

Orientador Prof. Carlos Alberto Alvarenga

LAVRAS

MINAS GERAIS - BRASIL

2006

IVSON RIBEIRO DA SILVA

IMPLANTAO DO CURSO DE ENERGIA SOLAR NO SENAI DE PERNAMBUCO

Monografia apresentada ao Departamento de da Universidade Federal de Lavras, como parte das exigncias do Curso de Ps-Graduao Lato Sensu em Fontes Alternativas de Energia para a obteno do ttulo de especialista em Fontes Alternativas de Energia.

APROVADA em_____de___________de_________

Prof._______________________________________

Prof._______________________________________

Prof._______________________________________

UFLA

Carlos Alberto Alvarenga

LAVRAS

MINAS GERAIS - BRASIL

Dedico este trabalho as pessoas que ajudaram a concluir o meu curso,

em especial a meus pais, minha irm e a minha futura esposa Flvia.

AGRADECIMENTOS

Dedico este trabalho ao Professor Carlos Alberto Alvarenga, pelo incentivo e ateno dispensada durante a elaborao deste trabalho.

Ao professor do SENAI/PE Marcos Andr de Almeida da Silva, pela colaborao.

RESUMO

O presente trabalho focaliza a implantao do curso Energia Solar

Sistemas

Fotovoltaicos, no SENAI/PE, criado atravs da parceria com Wrth Solergy, tendo como justificativa, escassez de profissionais que atuem nesta rea. Tambm sugerimos este tema como adicional ao contedo da unidade curricular Sistema de Energia dos cursos tcnicos em Eletrotcnica, Eletrnica e Telecomunicaes, por se tratar no apenas da preocupao mundial, como tambm, de estabelecer a tais cursos temas transversais como produo de energia, topologias das junes PN e a instalao de sistemas auto-sustentveis para sistemas de telecomunicaes. A nossa regio Nordeste, por se ter presena do sol praticamente o ano inteiro, devido a sua posio geogrfica, viabiliza o aproveitamento da energia solar de forma intensiva. O desenvolvimento dessa tecnologia, solar fotovoltaica, requer a reproduo ampliada e sustentada de um conjunto de atividades educacionais, pesquisas, normatizao, projetos, programas, entre outras. Neste contexto, o SENAI/PE ampliou sua oferta de cursos na rea eltrica para atender a demanda e acompanhar o avano tecnolgico, onde capacita profissionais que possam instalar e dar manuteno em sistemas fotovoltaicos. Seu maior campo de atuao poder ser na zona rural onde as moradias ficam dispersas e longe da rede eltrica estabelecida.

PALAVRAS-CHAVE: Educao, Fontes Alternativas de Energia, Aprimoramento Profissional.

SUMRIO

PARTE I ...................................................................................................15 1. INTRODUO....................................................................................16 2. OBJETIVOS.........................................................................................17

3. MATERIAL DIDTICO (APOSTILA) ..............................................18 PARTE II ..................................................................................................20

4. REVISO DE LITERATURA.............................................................21 4.1. Grandezas Eltricas. ......................................................................21 4.1.1 Tenso Eltrica ............................................................................21

4.1.1.1 Unidade de Medida da Tenso .................................................22 4.2 Corrente Eltrica.............................................................................23

4.2.1 Origem da Corrente Eltrica........................................................23 4.2.2 Descargas Eltricas......................................................................23

4.2.3 Unidade de Medida da Corrente Eltrica.....................................25 4.3 Resistncia Eltrica.........................................................................26 4.3.1 Origem da Resistncia Eltrica....................................................26 4.3.2 Unidade de Medida de Resistncia Eltrica ................................28 4.3.3 Leis de Ohms ...............................................................................29 4.3.3.1 Primeira lei de Ohm..................................................................29 4.3.3.1.2 Tringulo das Dedues ........................................................30 4.3.3.1.3 Segunda Lei de Ohm .............................................................30 4.3.4 RESISTOR ...............................................................................32

4.3.4.1 Associao de resistores ...........................................................33 4.4 Potncia, Energia e Carga Eltrica. ................................................35 4.4.1 Potncia........................................................................................35

4.4.1.1 Unidade de Medida da Potncia ...............................................35 4.4.1.2 Eficincia ..................................................................................36 4.4.2 Energia.........................................................................................36 4.4.3 Carga Eltrica ..............................................................................37

4.5 Instrumentos de Medidas................................................................37 4.4.5.1 Multmetros...............................................................................37 4.5.1.2 Medio de Tenso CC e CA com o Multmetro .....................37 4.5.2 Alicate Ampermetro ...................................................................38 4.6 DIMENSIONAMENTO DE CONDUTORES...............................39 4.6.1 Condutores...................................................................................39 4.6.1.2 Condutor rgido.........................................................................40 4.6.1.3 Condutor flexvel ......................................................................40 4.6.1.4 Cdigo de Cores para Identificao de Condutores em instalaes Eltricas..............................................................................42

4.6.2 Queda de Tenso Admissvel ......................................................42 4.6.2.1 Corrente Alternada....................................................................42 4.6.2.2 Corrente Contnua.....................................................................43 4.7 Sol ...................................................................................................52 4.7.1 Vantagens e Restries Atribudas Energia Solar. ...................56 4.8 Estrutura e Princpio de Funcionamento de Uma Clula Solar ......60 4.8.1 Efeito Fotovoltaico ......................................................................60 4.8.1.2 Tipos de Clulas: ......................................................................61 4.8.1.2.1 Etapas do Processo de Fabricao do Mdulo ......................64 4.8.1.3 Ensaio dos Mdulos..................................................................65 4.8.1.4 Potncia Real dos Mdulos ......................................................65 4.8.1.5 Tipos de Conexo .....................................................................65

4.8.1.5.1 Conexo Serial.......................................................................65 4.8.1.5.2 Conexo Paralela ...................................................................66 4.9 Noes de Energia Solar.................................................................68 4.10 Configuraes Bsicas..................................................................70

4.10.1 Configurao bsica de Sistema Fotovoltaico...........................71 4.10.2 Sistema Hbrido .........................................................................71 4.10.3 Sistema Conectado Rede.........................................................72 4.10.4 Sistema Isolado..........................................................................73 4.10.4.1 Carga CC sem Armazenamento..............................................73

4.10.4.2 Carga CC com Armazenamento .............................................74

4.10.4.3 Carga CA sem Armazenamento .............................................75 4.10.4.4 Carga CA com Armazenamento.............................................75 4.11 Baterias .........................................................................................76 4.11.1 Tipos de Baterias de Acumuladores ..........................................77 4.11.1.1 Baterias de chumbo-cido de eletrlito lquido ......................77 4.11.1.2 Curvas Caractersticas ............................................................80

4.11.1.3 Efeito da temperatura..............................................................80 4.11.2 Sulfatao ..................................................................................81

4.11.3 Baterias Seladas .........................................................................83 4.11.3.1 Gelificadas ..............................................................................83 4.11.3.2 Eletrlito Absorvido ...............................................................83 4.11.4 Construo da Bateria................................................................83 4.11.5 Caractersticas............................................................................84 4.11.6 Bateria de Nquel-Cdmio .........................................................84 4.11.6.1 As Principais Caractersticas ..................................................84 4.11.7 Tipos de Baterias Utilizadas no Padro Wurth..........................85

4.11.8 Diferena Entre Bateria de Partida e Bateria Solar ...................87 4.11.9 Caractersticas Ideais para Uso de Baterias em Sistema Fotovoltaico ..........................................................................................87

4.12 Reguladores de Cargas .................................................................89 4.12.1 Tipos de Reguladores da Wurth ................................................92 4.12.2 No Caso de Problemas...............................................................94 4.13 Sistema de Bombeamento.............................................................95 4.13.1 Opes para Bombeamento de gua.........................................96 4.13.2 Demandas Tpicas: Humanas, Animal e Irrigao ....................96 4.13.3 A Fonte de gua........................................................................97 4.13.4 Sistema de Bombeamento Fotovoltaico ....................................98

PARTE III...............................................................................................100

5. MATERIAL E MTODOS................................................................101 5.1 Bancada Didtica de Instalaes Eltricas Prediais......................101 4.2 Trabalhando com Projeto..............................................................102 5.3 Materiais Doados pela Wrth Solergy..........................................104

6. CONCLUSO....................................................................................105 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ...................................................106

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Diferena de potencial entre corpos eletrizados ......................21 Figura 2 - Smbolo do voltmetro .............................................................22 Figura 3 - Movimento da Corrente Eltrica..............................................23 Figura 4 - Descarga eltrica entre duas nuvens com potenciais diferentes.

..........................................................................................................24

Figura 5 - Movimento de cargas eltricas entre nuvens de diferentes potenciais. .........................................................................................24

Figura 6 - Smbolo do Ampermetro .......................................................25 Figura 7 - Movimento de cargas livres em um material de baixa

resistncia eltrica.............................................................................27

Figura 8 - Movimento de cargas livres em um material de elevada resistncia eltrica.............................................................................27

Figura 9 - Smbolo do Ohmmetro ...........................................................28 Figura 10 - Resistor ..................................................................................30

Figura 11 - Tringulo das Dedues.........................................................30 Figura 12 - Resistores ...............................................................................32

Figura 13 - Cdigo de cores......................................................................33 Figura 14 - Resistor em paralelo...............................................................33

Figura 15 - Resistor equivalente ...............................................................34 Figura 16 - Resistores em srie.................................................................34 Figura 17 - Resistor equivalente ...............................................................34

Figura 18 - Medidor de energia ................................................................36 Figura 19 - Painel de um multmetro........................................................38 Figura 20 - Alicate Ampermetro .............................................................39 Figura 22 - Diferentes tipos de cabos Wrth Solergy..............................41

Figura 23 - Normas de cores de condutores ............................................42 Figura 24 - Sol Nascente...........................................................................52 Figura 25 - Pr-do-Sol ..............................................................................52 Figura 26 Representao esquemtica e simplificada da anatomia do Sol

..........................................................................................................54 Figura 26 - Potencialidade de utilizao de energia solar no planeta Terra

..........................................................................................................55 Figura 27 - Mapa dos potenciais de energia .............................................55 Figura 28 - Diodo......................................................................................60 Figura 29 - Clula Solar em Detalhe ........................................................63 Figura 30 - Conexo Serial .......................................................................66 Figura 31 - Conexo Paralela ...................................................................66 Figura 32 - MPP em funo da temperatura.............................................68 Figura 33 - Matriz Energtica...................................................................69 Figura 34 - Configurao bsica de Sistema Fotovoltaico .......................71 Figura 35 - Exemplo do sistema hbrido...................................................72 Figura 36 - Sistema fotovoltaico conectado rede...................................73 Figura 37 - Sistema isolado com carga CC sem armazenamento.............73 Figura 38 - Sistema isolado com armazenamento e carga CC .................74 Figura 39 - Sistema isolado sem armazenamento para alimentao de

carga CA ...........................................................................................75 Figura 40 - Sistema isolado com armazenamento e seguidor do ponto de

mxima potncia para alimentao de cargas CA ............................76 Figura 41 - Curvas Caractersticas Entre as Baterias................................80

Figura 42 - Bateria em corte .....................................................................83

Figura 43 - Regulador de carga em srie ..................................................91

Figura 44 - Regulador de carga em shunt.................................................91 Figura 45 - Conexo correta da bateria ao regulador de carga .................94 Figura 46 - Forma errada de conexo a bateria e ao regulador ................95 Figura 47 - Configurao predominante de bombeamento de gua .........98 Figura 48 - Bancada Didtica de Instalaes Prediais............................101 Figura 49 - Projeto de Instalaes Eltricas ...........................................102 Figura 50 - Projeto Eltrico ....................................................................103

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Smbolos das Unidades do Volt. .............................................22 Tabela 2 - Mltiplos e Submltiplos do Volt. ..........................................22 Tabela 3 - Smbolo das Unidades do Ampr ............................................26 Tabela 4 - Mltiplos e Submltiplos do Ampr ......................................26 Tabela 5 - Smbolos das Unidades do Ohm..............................................28 Tabela 6 - Mltiplos do Ohm....................................................................29 Tabela 7 - Resistividade............................................................................31 Tabela 8 - Cdigo de Cores Completo para Resistores ...........................32 Tabela 9 - Relao entre Energia, Potncia e Carga.................................35 Tabela 10 - Queda de Tenso em CA.......................................................42 Tabela 11 - Queda de Tenso em CC .......................................................43 Tabela 12 - Queda de Tenso em CC em 12V / 1%.................................44 Tabela 13 - Queda de Tenso em CC 24V / 1%.......................................45 Tabela 14 - Queda de Tenso em CC 48V / 1%.......................................46 Tabela 15 - Queda de Tenso em CC 12V / 3%.......................................48 Tabela 16 - Queda de Tenso em CC 24V / 3%.......................................49 Tabela 17 - Queda de Tenso em CC 48V / 3%.......................................50 Tabela 18 - Inclinao do Painel Fotovoltaico .........................................59 Tabela 19 - Quadro Comparativo de 53 W e 110W .................................67 Tabela 20 - Densidade do Eletrlito (valores tpicos a 25C) .................78 Tabela 21 - Valor da Tenso nas Baterias ................................................80 Tabela 22 - Demanda Humana Rural Difusa............................................97 Tabela 23 - Custo de Confeco da Bancada .........................................102

LISTA DE SIGLAS

ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas

NBR Normas Brasileiras

CA Corrente Alternada

CC Corrente Contnua

SENAI Servio Nacional de Aprendizagem Industrial

ISO International Organization for Standardization

UFLA Universidade Federal de Lavras

DR Departamento Regional

PARTE I

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1. INTRODUO

A principal motivao para a elaborao desta monografia se deu atravs de uma parceria firmada entre o SENAI/PE e a empresa alem Wrth Solergy.

A primeira etapa, dessa parceria, se deu com a aquisio de equipamentos e instrumentos e a capacitao de um docente do SENAI, na Alemanha.

Na segunda etapa ocorreu a multiplicao dessa capacitao, para os docentes da rea eltrica, na Escola Tcnica Senai de Areias, sendo realizado um treinamento de 60 horas com intuito de capacitar os profissionais em tcnicas e aplicaes de sistema solar fotovoltaico, nas quais s 10 horas finais foram ministradas pelo especialista da Wurth Solergy.

Na terceira etapa foi elaborado um material didtico para a implantao de um curso com durao de 40 horas, visando conhecer sistemas de energia solar fotovoltaicos, sua instalao e manuteno. Esta etapa foi a principal fonte

de pesquisa para este trabalho na qual iremos comentar nos captulos seguintes.

17

2. OBJETIVOS

O objetivo deste trabalho a construo de um conjunto de mtodos e didticas que facilitem o aprendizado na manuteno e instalao de sistemas fotovoltaicos das quais identificamos:

Capacitar pessoas com escolaridade mnima de 7 srie do ensino fundamental, com conhecimentos bsicos em eletricidade, proporcionando condies para entender a tecnologia envolvida em sistemas Fotovoltaicos.

Implementar os conhecimentos tericos e prticos relacionados unidade curricular Sistema de Energia, dos Cursos Tcnicos em Eletrotcnica, Eletrnica e Telecomunicaes do SENAI/PE.

Construir um Portiflio a cerca de sistema fotovoltaico, como material de apoio didtico pedaggico para o curso.

Elaborar um quadro evidenciando sua construo, mtodo e material utilizado na implantao de sistema fotovoltaico.

Conhecer as especificaes dos equipamentos, evidenciadas no sistema fotovoltaico.

Discutir uma nova viso de produo de energia diferente dos sistemas convencionais.

18

3. MATERIAL DIDTICO (APOSTILA)

O material didtico de apoio foi elaborado, fundamentando-se em uma proposta de ensino voltada ao desenvolvimento de prticas, proporcionando ao aluno adquirir conhecimentos, habilidades e atitudes.

Requisitos bsicos de acesso:

- Apartir da 7a srie do ensino fundamental

- Apartir dos 17 anos, tendo em vista o risco que a profissionalizao oferece.

- Ter concludo o curso de Eletricista Instalador Predial, ou ter experincia comprovada na rea eltrica.

E de acordo com estes exigncias mnimas foi elaborado o contedo formativo do Curso Energia Solar-Instalao de Sistemas Fotovoltaicos:

1. Grandezas eltricas Bsicas; 2. Estudos dos condutores eltricos; 3. Dimensionamento e Instalao de Cabos eltricos; 4. Estudos de carga AC e DC; 5. Estudos dos painis Solares; 6. Estudos dos Reguladores de Carga; 7. Estudos Acumuladores de Energia (baterias); 8. Estudos dos Inversores; 9. Projeto e Instalao de Sistemas Solares; 10. Manuteno tcnica dos Sistemas Solares Fotovoltaicos; 11. Sistemas Solares de Bombeamento; 12. Manuteno Tcnicas dos Sistemas Solares de Bombeamento; 13. Noes de Segurana em eletricidade

19

Neste contedo destacamos quatro blocos que so:

- Conhecimento Bsico de Eletricidade;

- Conhecimento de medio Eltrica, Condutores e Eletroduto;

- Conhecimento de Equipamentos de Aplicao em Energia Solar;

- Conhecimento de Segurana do trabalho (NR10)

O nmero mximo de participantes de dezesseis alunos por turma em sala de aula e nos laboratrios, trabalha-se com dois alunos por bancada didtica, pois uma preocupao do SENAI que se tenha essa quantidade, para poder prestar um servio de qualidade e facilitar ao docente o acompanhamento do processo ensino-aprendizagem.

PARTE II

21

4. REVISO DE LITERATURA 4.1. Grandezas Eltricas.

4.1.1 Tenso Eltrica

Como se sabe, necessria a existncia de uma tenso eltrica para que seja possvel o funcionamento de qualquer equipamento eltrico (lmpadas, televisores, motores, computadores etc.). Sendo a fora que movimenta os eltrons.

A diferena de potencial, abreviada por ddp, importantssima nos estudos relacionados com a eletricidade e eletrnica. A palavra diferena implica sempre em comparao de um valor com outro. Assim, pode-se verificar a existncia de diferena de potencial entre corpos eletrizados com cargas diferentes ou com o mesmo tipo de carga, conforme ilustrado na figura 6 a baixo.

Figura 1 - Diferena de potencial entre corpos eletrizados

22

Tenso eltrica uma grandeza que pode ser medida e que tem origem no desequilbrio eltrico dos corpos.

4.1.1.1 Unidade de Medida da Tenso

Figura 2 - Smbolo do voltmetro

A tenso entre dois pontos pode ser medida atravs de instrumento chamado Voltmetro. A unidade de medida de tenso o Volt e o smbolo desta grandeza eltrica V .

Tabela 1 - Smbolos das Unidades do Volt. Denominao Smbolo Valor com relao ao Volt

Megavolt MV 106 V ou 1.000.000V Mltiplos Quilovolt KV 103 V ou 1.000V

Unidade Volt V

Milivolt mV 10-3 V ou 0,001V Submltiplos Microvolt V 10-6 V ou 0,000001V

Fonte: Referncia Bibliogrfica 7

Tabela 2 - Mltiplos e Submltiplos do Volt. MLTIPLO VOLT SUBMTIPLO

MV KV V mV V 0,000.001 0,001 1 1.000 1.000.000


23

4.2 Corrente Eltrica

A corrente eltrica - Consiste em um movimento orientado de cargas, provocado pelo desequilbrio eltrico (ddp) existente entre dois pontos, como mostrado na figura 8 abaixo.

Figura 3 - Movimento da Corrente Eltrica

4.2.1 Origem da Corrente Eltrica.

A corrente eltrica a forma pela qual os corpos eletrizados procuram restabelecer novamente o equilbrio eltrico.

4.2.2 Descargas Eltricas

As descargas eltricas so fenmenos comuns na natureza. Os relmpagos so exemplos caractersticos de descargas eltricas.

O atrito contra o ar faz com que as nuvens fiquem altamente eletrizadas, adquirindo um potencial elevado (tenso muito alta). Quando duas nuvens com

24

potenciais eltricos diferentes se aproximam uma da outra, ocorre uma descarga eltrica (relmpago) entre elas, como ilustrado na figura 9 abaixo.

Figura 4 - Descarga eltrica entre duas nuvens com potenciais diferentes.

A descarga eltrica o movimento de cargas eltricas orientadas entre dois pontos onde exista ddp.

Durante a descarga, um grande nmero de cargas eltricas transferido numa nica direo para diminuir o desequilbrio eltrico entre dois pontos, conforme a figura 10 mostra.

Figura 5 - Movimento de cargas eltricas entre nuvens de diferentes potenciais.

O deslocamento de cargas eltricas entre dois pontos onde existe uma ddp denominado de corrente eltrica.

25

A partir da definio de corrente eltrica, pode-se concluir que o relmpago uma corrente eltrica que ocorre devido tenso eltrica existente entre as nuvens.

Durante o curto tempo de durao de um relmpago, um grande nmero de cargas eltricas flui de uma nuvem para outra. Dependendo da grandeza do desequilbrio eltrico entre as duas nuvens, a descarga (corrente eltrica) entre elas pode ter maior ou menor intensidade.

4.2.3 Unidade de Medida da Corrente Eltrica

A corrente uma grandeza eltrica e seu instrumento o Ampermetro. A unidade de medida o Ampr, e o smbolo desta grandeza eltrica A .

Figura 6 - Smbolo do Ampermetro

Uma intensidade de corrente de 1A significa que 6,25 x 1018 cargas eltricas passam em 1 segundo por um determinado ponto.

A unidade de intensidade de corrente tambm tem mltiplos e submltiplos conforme tabela abaixo.

26

Tabela 3 - Smbolo das Unidades do Ampr


Tabela 4 - Mltiplos e Submltiplos do Ampr MLTIPLO VOLT SUBMTIPLO

MA KA A mA A 0,000.001 0,001 1 1.000 1.000.000


4.3 Resistncia Eltrica

oposio que um material apresenta passagem da corrente eltrica, estabelecendo uma relao entre tenso e corrente (estes elementos devem esta em fase, ou seja, possuir a mesma variao em CA).

Todos os dispositivos eltricos e eletrnicos apresentam uma certa oposio passagem da corrente eltrica.

4.3.1 Origem da Resistncia Eltrica

A resistncia que os materiais apresentam passagem da corrente eltrica tem origem na sua estrutura atmica.

Denominao Smbolo Valor com relao ao Volt

Megampre MA 106 A ou 1.000.000A Mltiplos Quiloampre KA 103 A ou 1.000A

Unidade Ampre A

Miliampre mA 10-3 A ou 0,001A Submltiplos Microampre A 10-6 A ou 0,000001A

27

Para que a aplicao de uma DDP (Diferena de Potencial Eltrico) a um material origine uma corrente eltrica, necessrio que a estrutura deste material propicie a existncia de cargas eltricas livres para movimentao.

Quando um material propicia a existncia de um grande nmero de cargas livres, a corrente eltrica flui com facilidade atravs do material, conforme ilustrado na figura 10 abaixo. Neste caso, a resistncia eltrica destes materiais pequena.

Figura 7 - Movimento de cargas livres em um material de baixa resistncia eltrica

Por outro lado, nos materiais que propiciam a existncia de um pequeno nmero de cargas livres, a corrente eltrica flui com dificuldade, como mostrado na figura 13 abaixo. A resistncia eltrica destes materiais grande.

Figura 8 - Movimento de cargas livres em um material de elevada resistncia eltrica

28

A resistncia eltrica de um material depende da facilidade ou dificuldade com que este material libera cargas para a circulao.

4.3.2 Unidade de Medida de Resistncia Eltrica

A resistncia uma grandeza eltrica e seu instrumento o ohmmetro.

A unidade de medida o Ohm representado pelo smbolo , e o smbolo desta

grandeza eltrica .

Figura 9 - Smbolo do Ohmmetro

A unidade de medida da resistncia eltrica tem mltiplos e submltiplos. Entretanto, na prtica, usam-se quase exclusivamente os mltiplos, que esto apresentados na tabela abaixo.

Tabela 5 - Smbolos das Unidades do Ohm Denominao Smbolo Relao com a unidade

Megohm M

106 ou 1.000.000

Quilohm K

103 ou 1.000

Ohm

-


29

Tabela 6 - Mltiplos do Ohm

MLTIPLO OHM

M

K

0,000.001 0,001 1


4.3.3 Leis de Ohms

4.3.3.1 Primeira lei de Ohm

A primeira Lei de Ohm estabelece que uma proporcionalidade entre a Tenso aplicada e a Corrente em elementos nos quais classifica-se de materiais hmicos (materiais que seguem a esta propriedade), que estabelecem a relao em suma de quantos volts so necessrios para a origem de 1A em determinado material hmico. Expresso matematicamente da seguinte forma:

IUR

Derivando a partir dela outras expresses:

IRU R

UI

30

Figura 10 - Resistor

4.3.3.1.2 Tringulo das Dedues

Figura 11 - Tringulo das Dedues

4.3.3.1.3 Segunda Lei de Ohm

A segunda Lei de Ohm estabelece, que em um condutor cilndrico a resistncia diretamente proporcional ao comprimento (L) e ao tipo de material aplicado ( ) e inversamente proporcional a rea (A). Estabelecendo que os

31

materiais possuem uma propriedade chamada de Resistividade que relaciona a quantos ohms estabelecido por um material em um determinado volume.

Tabela 7 - Resistividade

Prata 0,016 Cobre 0,017 Ouro 0,023 Alumnio 0,028 Tungstnio 0,055 Nquel-cromo 1,000


Obs: devida a sua resistividade baixa o cobre condutor mais usado em instalaes.

Podemos expressar este lei da seguinte forma:

AlRL

Onde:

R = Resistncia ( ) l = comprimento do Cabo (o comprimento deve ser considerado o dobro

da distncia) em m A = seco transversal do cabo (em mm)

- Resistncia especfica de alguns metais( em mm/m)

32

4.3.4 RESISTOR

Os resistores so componentes utilizados nos circuitos com a finalidade de limitar a corrente eltrica. A Figura 16 mostra alguns resistores.

22 15W 22 50W

Figura 12 - Resistores

Tabela 8 - Cdigo de Cores Completo para Resistores Cor Dgitos significativos Multiplicador Tolerncia

Preto 0 1 Marrom 1 10 Vermelho 2 100 Laranja 3 1.000 Amarelo 4 10.000 Verde 5 100.000 Azul 6 1.000.000 Violeta 7

Cinza 8

Branco 9

Ouro 0,1 5% Prata 0,01

10% Sem cor

20% Fonte: Referncia Bibliogrfica 7

33

Figura 13 - Cdigo de cores

4.3.4.1 Associao de resistores

Resistncias em paralelo

Caractersticas:

I = I1 + I2

U = U1 = U2

Figura 14 - Resistor em paralelo

34

Figura 15 - Resistor equivalente

Resistncias em srie Caractersticas: It = I1 = I2 U = U1 + U2 Assim:

21 UUU

U

IRU 11 Figura 16 - Resistores em srie

Conclui-se que:

R x I = R1 x I + R2 x I + Rn x I.

Requi = R1 + R2 + R3 + ... + Rn

Figura 17 - Resistor equivalente

35

4.4 Potncia, Energia e Carga Eltrica.

Tabela 9 - Relao entre Energia, Potncia e Carga Elemento Smbolo Unidade Palavra chave Potncia ativa P Watt - W

Horse Power HP Cavalo Vapor-CV

Taxa de variao de energia em funo do tempo.

Energia W KWh Trabalho realizado. Carga Eltrica Q Coulomb ou Ah Q = n.e onde

1810.6,1e C Fonte: Referncia Bibliogrfica 9

4.4.1 Potncia

A Potncia razo direta da taxa de variao de energia produzida pelo deslocamento dos eltrons ( I ) em funo do tempo, j este ltimo o tempo de deslocamento funo da diferena de potencial (U), assim sumariamente concluir que:

Sabendo que IRU

aplicamos em IUP

teremos

RIP 2

Sabendo que I = U / R aplicamos em IUP teremos P= U2 / R

4.4.1.1 Unidade de Medida da Potncia

WATT (W) Representado Por: W

36

AVW

(em cargas resistivas ou impedncia de fator nulo entre tenso e corrente)

Outras Unidades 1 HP = 746 W 1 CV = 736 W

4.4.1.2 Eficincia

PS = Potncia de Sada (output) PE = Potncia de Entrada (input)

Eficincia a palavra chave do mundo moderno, pois a preocupao com a energia desperdiada um problema atual que tentamos combater.

4.4.2 Energia

A energia encontrada de vrias formas na natureza, porm para estudos de grandezas eltricas, toma-se como base energia eltrica. Para ilustramos iremos aborda a nosso medidor de energia residencial, onde sua unidade kWh.

Figura 18 - Medidor de energia

E = P . t

Onde: E Energia (Wh) P - Potncia (W) t - tempo(h)

Unidade Wh-Watt-hora

100in

out

PP

PS

PE

37

4.4.3 Carga Eltrica

A carga eltrica de um corpo dada pela diferena entre cargas dos eltrons e prtons existentes neste corpo, tendo em vista que o processo de eletrizao ocorre quando um corpo perde ou recebe eltrons, cuja a carga de 1810.6,1 C.

Onde:

n Numero de eltrons envolvido no desequilbrio

e - carga elementar de um eltron=18

10.6,1

4.5 Instrumentos de Medidas

4.4.5.1 Multmetros

O multmetro, tambm conhecido por multiteste, um instrumento que tem a possibilidade de realizar medies no s de tenso, mas tambm de vrias outras grandezas de natureza eltrica. O multmetro o principal instrumento na bancada de quem trabalha com eletrnica e eletricidade. Esta importncia devida a sua simplicidade de operao, transporte e capacidade de possibilitar medies de diversas grandezas eltricas.

4.5.1.2 Medio de Tenso CC e CA com o Multmetro

Entre as grandezas eltricas que podem ser medidas com o multmetro est a tenso contnua e tenso alternada. Tendo em vista que o multmetro um

Unidades: C = Coulomb Ah =Ampr - hora

enQ .

38

instrumento mltiplo isto , pode ser utilizado para diversos tipos de medio, os conhecimentos e procedimentos necessrios para o seu uso correto sero apresentados por partes, iniciando-se pela medio de tenso contnua.

Figura 19 - Painel de um multmetro

A posio da Chave Seletora determinar:

4.5.2 Alicate Ampermetro

O Alicate ampermetro um instrumento que tem a possibilidade de realizar medies de corrente eltrica sem necessariamente cortar o condutor.

O Alicate ampermetro o principal instrumento de campo na medio de corrente. Esta importncia devida a sua simplicidade de operao, transporte e capacidade de possibilitar medies sem danificarmos a instalao.

Um dos bornes comum para qualquer tipo de medio com o instrumento. Este borne indicado pela abreviatura COM

ou pelo sinal negativo ( ). Neste borne, conecta-se a ponta de prova preta, conforme ilustrado na Fig 19. O outro borne, que indicado pela abreviatura DC ou pelo sinal (+), recebe a ponta de prova vermelha.

Tenso Contnua

Tenso Alternada

Obs:As posies da chave seletora destinadas medio de tenso contnua so indicadas pelas abreviaturas DC V ou DC, em AC V ou AC para alternada. Deve-se sempre ter em mente que o valor indicado pela chave seletora o mximo

que o instrumento pode medir

nesta

39

Na maioria dos casos os alicates ampermetros possuem algumas funes dos multmetros

Figura 20 - Alicate Ampermetro

A funo da chave seletora determinar:

Que grandeza eltrica vai ser medida (por exemplo: corrente contnua ou corrente alternada).

Qual o valor mximo que o instrumento pode medir nesta posio (por exemplo, 100A).

4.6 DIMENSIONAMENTO DE CONDUTORES

4.6.1 Condutores

Condies gerais - Sistemas de energia solar devem somente utilizar condutores de cobre.

Tipo de condutor - Existem basicamente dois tipos de condutores: rgidos e flexveis.

40

4.6.1.2 Condutor rgido

mais indicado para utilizao na rede (110/220v). O condutor rgido no recomendado para sistemas de corrente contnua (12 ou 24v), pois devido a baixa tenso temos normalmente uma corrente mais elevada do que em sistema AC 220V, e tenso vista a dificuldade de se trabalhar com condutores rgidos superdimensionadas, optando em se trabalhar com cabos. Alem de que em um sistema de 12 ou 24vcc, difcil dar forma a um condutor rgido bem como efetuar a emenda aos condutores flexveis das derivaes.

4.6.1.3 Condutor flexvel

O cabo flexvel por ter tempere mole, ele molda bem as instalaes, alm de proporcionar um acabamento de menor esforo fsico. Importante no utilize condutor com sees mnimas, pois a perda de seo tambm representa perda de energia, e energia em um sistema fotovoltaico representa custo, lembrando que prefervel gastar com condutores do que se gastar com placas fotovoltaicas. Observar o cdigo de cores para fios e condutores utilizados internacionalmente em sistemas de corrente contnua: vermelho (+) plo positivo; preto (-) plo negativo.

Exemplo:

Condutores para Instalao Cabo Vermelho para positivo e cabo preto para negativo. Para 1 mdulo recomenda-se:

Fiao central at 30m usar 4mm;

at 80m usar 6mm;

at150m usar 10mm.

41

Para 2 a 6 mdulos recomenda-se:

Fiao central at 30m usar 6mm;

at 80m usar 10mm;

at 150m usar 10mm. Para fiao secundria recomenda-se:

Fio 2,50mm (sempre fio vermelho positivo e fio preto negativo);

Interruptores e tomadas (normal). Tipos mais utilizados de condutores em Sistemas fotovoltaico:

Figura 21 - Diferentes tipos de cabos Wrth Solergy

Tipos mais utilizados de sees condutoras em Sistemas fotovoltaicas: 2x2,5mm , 2x4mm , 1x4mm , 1x10mm, 1x16mm , 1x35mm, 1x50mm

42

4.6.1.4 Cdigo de Cores para Identificao de Condutores em instalaes Eltricas

Figura 22 - Normas de cores de condutores

4.6.2 Queda de Tenso Admissvel

4.6.2.1 Corrente Alternada

Tabela 10 - Queda de Tenso em CA


Tipos Iluminao Outros A - Instalaes em BT

ligadas diretamente rede de distribuio

4% 4%

B - Instalaes em BT ligadas diretamente a

subestaes ou transformadores que alimentam em MT

7% 7%

C - Instalaes que possuem fonte prpria

7% 7%

43

4.6.2.2 Corrente Contnua

Para sistemas fotovoltaicos, sistemas de 12V e 24V, a mxima queda de tenso de um cabo no deveria ser maior que 0,7V.

As tabelas a seguir podem ser usadas para dimensionar o comprimento de um cabo DC. Esta tabela fundamenta na 2a

lei de Ohm, estabelecendo a distancia mxima para a menor resistncia e por conseqncia uma menor perda de energia.

Mximo comprimento do cabo DC 12V/24V/48V Para a mxima queda de tenso permitida de 0,7V

Tabela 11 - Queda de Tenso em CC rea 2,5mm 4mm 6mm 10mm 16mm Corrente

2 24,5 39,2 58,8 98 156,8 4 12,2 19,6 29,4 49 78,4 6 8,2 13,1 19,6 32,7 52,3 8 6,1 9,8 14,7 24,5 39,2 10 4,9 7,8 11,8 19,6 31,4 12 4,1 6,5 9,8 16,3 26,1 14 3,5 5,6 8,4 14 22,4 16 3,1 4,9 7,3 12,2 19,6 18 4,4 6,5 10,9 17,4 20 3,9 5,9 9,8 15,7 22 5,3 8,9 14,3 24 4,9 8,2 13,1 26 4,5 7,5 12,1 28 7 11,2 30 6,5 10,5 32 6,1 9,8 34 5,8 9,2 36 5,4 8,7 38 8,3 40 7,8

44

Tabela 11 (Continuao) 40 7,8 42 7,5 44 7,1 46 6,8 48 6,5 50 6,3

Fonte: Referncia Bibliogrfica 9 Tabela 12 - Queda de Tenso em CC em 12V / 1%

Comprimento Mximo do Fio (metros) Perda Percentual Mxima Permitida 1% Tenso Nominal do Sistema ( CC) 12 Volts

Corrente Bitola do cabo (Seo em mm2) (Amps) 1.5

2.5 4.0 6.0 10 16 25 35 50 0,5 8.1

13.5

21.5

32.3

53.8 86.1 134.5

188.3 269.1 1 4.0

6.7 10.8

16.1

26.9 43.0 67.3 94.2 134.5 2 2.0

3.4 5.4 8.1 13.5 21.5 33.6 47.1 67.3 3 1.3

2.2 3.6 5.4 9.0 14.3 22.4 31.4 44.8 4 1.0

1.7 2.7 4.0 6.7 10.8 16.8 23.5 33.6 5 0.8

1.3 2.2 3.2 5.4 8.6 13.5 18.8 26.9 6 0.7

1.1 1.8 2.7 4.5 7.2 11.2 15.7 22.4 8 0.5

0.8 1.3 2.0 3.4 5.4 8.4 11.8 16.8 10 0.4

0.7 1.1 1.6 2.7 4.3 6.7 9.4 13.5 12 0.3

0.6 0.9 1.3 2.2 3.6 5.6 7.8 11.2 14 0.3

0.5 0.8 1.2 1.9 3.1 4.8 6.7 9.6 16 0.4 0.7 1.0 1.7 2.7 4.2 5.9 8.4 18 0.4 0.6 0.9 1.5 2.4 3.7 5.2 7.5 20 0.3 0.5 0.8 1.3 2.2 3.4 4.7 6.7 25 0.4 0.6 1.1 1.7 2.7 3.8 5.4 30 0.5 0.9 1.4 2.2 3.1 4.5 35 0.5 0.8 1.2 1.9 2.7 3.8 40 0.7 1.1 1.7 2.4 3.4 45 0.6 1.0 1.5 2.1 3.0

45

Tabela 12 - Queda de Tenso em CC em 12V / 1% (continuao) 50 0.5 0.9 1.3 1.9 2.7 55 0.8 1.2 1.7 2.4 60 0.7 1.1 1.6 2.2 65 0.7 1.0 1.4 2.1 70 0.9 1.3 1.9 75 0.8 1.3 1.8 80 0.8 1.2 1.7 85 1.1 1.6 90 1.0 1.5 95 1.0 1.4

100 0.9 1.3 110 0.9 1.2


Tabela 13 - Queda de Tenso em CC 24V / 1% Comprimento Mximo do Fio (metros)

Perda Percentual Mxima Permitida 1% Tenso Nominal do Sistema ( CC) 24 Volts

Corrente Bitola do cabo (Seo em mm2) (Amps) 1.5 2.5 4.0 6.0 10 16 25 35 50

0,5 16.1

26.9

43.0

64.6

107.6 172.2 269.1 376.7 538.1 1 8.1 13.5

21.5

32.3

53.8 86.1 134.5 188.3 269.1 2 4.0 6.7 10.8

16.1

26.9 43.0 67.3 94.2 134.5 3 2.7 4.5 7.2 10.8

17.9 28.7 44.8 62.8 89.7 4 2.0 3.4 5.4 8.1 13.5 21.5 33.6 47.1 67.3 5 1.6 2.7 4.3 6.5 10.8 107.2 26.9 37.7 53.8 6 1.3 2.2 3.6 5.4 9.0 14.3 22.4 31.4 44.8 8 1.0 1.7 2.7 4.0 6.7 10.8 16.8 23.5 33.6

10 0.8 1.3 2.2 3.2 5.4 8.6 13.5 18.8 26.9 12 0.7 1.1 1.8 2.7 4.5 7.2 11.2 15.7 22.4

46

TABELA - 13 Queda de Tenso em CC 24V / 1% (continuao) 14 0.6 1.0 1.5 2.3 3.8 6.1 9.6 13.5 19.2 16 0.8 1.3 2.0 3.4 5.4 8.4 11.8 16.8 18 0.7 1.2 1.8 3.0 4.8 7.5 10.5 14.9 20 0.7 1.1 1.6 2.7 4.3 6.7 9.4 13.5 25 0.9 1.3 2.2 3.4 5.4 7.5 10.8 30 1.1 1.8 2.9 4.5 6.3 9.0 35 0.9 1.5 2.5 3.8 5.4 7.7 40 1.3 2.2 3.4 4.7 6.7 45 1.2 1.9 3.0 4.2 6.0 50 1.1 1.7 2.7 3.8 5.4 55 1.6 2.4 3.4 4.9 60 1.4 2.2 3.1 4.5 65 1.3 2.1 2.9 4.1 70 1.9 2.7 3.8 75 1.8 2.5 3.6 80 1.7 2.4 3.4 85 1.6 2.2 3.2 90 2.1 3.0 95 2.0 2.8

100 1.9 2.7 110 1.7 2.4





0,5 32.3

53.8 86.1 129.1 215.2 344.4 538.1 753.4

1076.1

47

Tabela 14 Queda de Tenso em CC 48V / 1% (continuao) 1 16.1

26.9 43.0 64.6 107.6 172.2 269.1 376.7

538.1 2 8.1 13.5 21.5 32.3 53.8 86.1 134.5 188.3

269.1 3 5.4 9.0 14.3 21.5 35.9 57.4 86.7 125.6

179.4 4 4.0 6.7 10.8 16.1 26.9 43.0 67.3 94.2 134.5 5 3.2 5.4 8.6 12.9 21.5 34.4 53.8 75.3 107.6 6 2.7 4.5 7.2 10.8 17.9 28.7 44.8 62.8 89.7 8 2.0 3.4 5.4 8.1 13.5 21.5 33.6 47.1 67.3

10 1.6 2.7 4.3 6.5 10.8 17.2 26.9 37.7 53.8 12 1.3 2.2 3.6 5.4 9.0 14.3 22.4 31.4 44.8 14 1.2 1.9 3.1 4.6 7.7 12.3 19.2 26.9 38.4 16 1.7 2.7 4.0 6.7 10.8 16.8 23.5 33.6 18 1.5 2.4 3.6 6.0 9.6 14.9 20.9 29.9 20 1.3 2.2 3.2 5.4 8.6 13.5 18.8 26.9 25 1.7 2.6 4.3 6.9 10.8 15.1 21.5 30 2.2 3.6 5.7 9.0 12.6 17.9 35 1.8 3.1 4.9 7.7 10.8 15.4 40 2.7 4.3 6.7 9.4 13.5 45 2.4 3.8 6.0 8.4 12.0 50 2.2 3.4 5.4 7.5 10.8 55 3.1 4.9 6.8 9.8 60 2.9 4.5 6.3 9.0 65 2.6 4.1 5.8 8.3 70 3.8 5.4 7.7 75 3.6 5.0 7.2 80 3.4 4.7 6.7 85 3.2 4.4 6.3 90 4.2 6.0 95 4.0 5.7

100 3.8 5.4 110 3.4 4.9


48




0,5 24.2

40.4

64.6

96.9

161.4 258.3

403.6 565.0 807.2 1 12.2

20.2

32.3

48.4

80.7 129.1

201.8 282.5 403.6 2 6.1 10.1

16.1

24.2

40.4 64.6 100.9 141.3 201.8 3 4.0 6.7 10.8

16.1

26.9 43.0 67.3 94.2 134.5 4 3.0 5.0 8.1 12.1

20.2 32.3 50.4 70.6 100.9 5 2.4 4.0 6.5 9.7 16.1 25.8 40.4 56.5 80.7 6 2.0 3.4 5.4 8.1 13.5 21.5 33.6 47.1 67.3 8 1.5 2.5 4.0 6.1 10.1 16.1 25.2 35.3 50.4

10 1.2 2.0 3.2 4.8 8.1 12.9 20.2 28.3 40.4 12 1.0 1.7 2.7 4.0 6.7 10.8 16.8 23.5 33.6 14 0.9 1.4 2.3 3.5 5.8 9.2 14.4 20.2 28.8 16 1.3 2.0 3.0 5.0 8.1 12.6 17.7 25.2 18 1.1 1.8 2.7 4.5 7.2 11.2 15.7 22.4 20 1.0 1.6 2.4 4.0 6.5 10.1 14.1 20.2 25 1.3 1.9 3.2 5.2 8.1 11.3 16.1 30 1.6 2.7 4.3 6.7 9.4 13.5 35 1.4 2.3 3.7 5.8 8.1 11.5 40 2.0 3.2 5.0 7.1 10.1 45 1.8 2.9 4.5 6.3 9.0 50 1.6 2.6 4.0 5.7 8.1 55 2.3 3.7 5.1 7.3 60 2.2 3.4 4.7 6.7 65 2.0 3.1 4.3 6.2

49

Tabela 15 Queda de Tenso em CC 12V / 3% (continuao) 70 2.9 4.0 5.8 75 2.7 3.8 5.4 80 2.5 3.5 5.0 85 2.4 3.3 4.7 90 3.1 4.5 95 3.0 4.2

100 2.8 4.0 110 2.6 3.7





0,5 48.4

80.7

129.1 193.7 322.9 516.6 807.2 1130.0 1614.3 1 24.2

40.4

64.6 96.9 161.4 258.3 403.6 565.0 807.2 2 12.1

20.2

32.3 48.4 80.7 129.1 201.8 282.5 403.6 3 8.1 13.5

21.5 32.3 53.8 86.1 134.5 188.3 269.1 4 6.1 10.1

16.1 24.2 40.4 64.6 100.9 141.3 201.8 5 4.8 8.1 12.9 19.4 32.3 51.7 80.7 113.0 161.4 6 4.0 6.7 10.8 16.1 26.9 43.0 67.3 94.2 134.5 8 3.0 5.0 8.1 12.1 20.2 32.3 50.4 70.6 100.9

10 2.4 4.0 6.5 9.7 16.1 25.8 40.4 56.5 80.7 12 2.0 3.4 5.4 8.1 13.5 21.5 33.6 47.1 67.3 14 1.7 2.9 4.6 6.9 11.5 18.4 28.8 40.4 57.7 16 2.5 4.0 6.1 10.1 16.1 25.2 35.3 50.4 18 2.2 3.6 5.4 9.0 14.3 22.4 31.4 44.8 20 2.0 3.2 4.8 8.1 12.9 20.2 28.3 40.4

50

Tabela 16 Queda de Tenso em CC 24V / 3% (continuao) 25 2.6 3.9 6.5 10.3 16.1 22.6 32.3 30 3.2 5.4 8.6 13.5 18.8 26.9 35 2.8 4.6 7.4 11.5 16.1 23.1 40 4.0 6.5 10.1 14.1 20.2 45 3.6 5.7 9.0 12.6 17.9 50 3.2 5.2 8.1 11.3 16.1 55 4.7 7.3 10.3 14.7 60 4.3 6.7 9.4 13.5 65 4.0 6.2 8.7 12.4 70 5.8 8.1 11.5 75 5.4 7.5 10.8 80 5.0 7.1 10.1 85 4.7 6.6 9.5 90 6.3 9.0 95 5.9 8.5

100 5.7 8.1 110 5.1 7.3





0,5 96.9

161.4 258.3 387.4 645.7 1033.2 1614.3 2260.1 3228.7

1 48.4

80.7 129.1 193.7 322.9 516.6 807.2 1130.0 1614.3

2 24.2

40.4 64.6 96.9 161.4 258.3 403.6 565.0 807.2 3 16.1

26.9 43.0 64.6 107.6 172.2 269.1 376.7 538.1 4 12.1

20.2 32.3 48.4 80.7 129.1 201.8 282.5 403.6

51

Tabela 17 - Queda de Tenso em CC 48V / 3% (continuao) 5 9.7 16.1 25.8 38.7 64.6 103.3 161.4 226.0 322.9 6 8.1 13.5 21.5 32.3 53.8 86.1 134.5 188.3 269.1 8 6.1 10.1 16.1 24.2 40.4 64.6 100.9 141.3 201.8

10 4.8 8.1 12.9 19.4 32.3 51.7 80.7 113.0 161.4 12 4.0 6.7 10.8 16.1 26.9 43.0 67.3 94.2 134.5 14 3.5 5.8 9.2 13.8 23.1 36.9 57.7 80.7 115.3 16 5.0 8.1 12.1 20.2 32.3 50.4 70.6 100.9 18 4.5 7.2 10.8 17.9 28.7 44.8 62.8 89.7 20 4.0 6.5 9.7 16.1 25.8 40.4 56.5 80.7 25 5.2 7.7 12.9 20.7 32.3 45.2 64.6 30 6.5 10.8 17.2 26.9 37.7 53.8 35 5.5 9.2 14.8 23.1 32.3 46.1 40 8.1 12.9 20.2 28.3 40.4 45 7.2 11.5 17.9 25.1 35.9 50 6.5 10.3 16.1 22.6 32.3 55 9.4 14.7 20.5 29.4 60 8.6 13.5 18.8 26.9 65 7.9 12.4 17.4 24.8 70 11.5 16.1 23.1 75 10.8 15.1 21.5 80 10.1 14.1 20.2 85 9.5 13.3 19.0 90 12.6 17.9 95 11.9 17.0

100 11.3 16.1 110 10.3 14.7


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4.7 Sol

Antes de darmos prosseguimento ao nosso assunto sobre Energia solar para sistemas fotovoltaicos, vamos falar um pouco sobre essa gigantesca fonte de energia que o Sol.

Figura 23 - Sol Nascente

Figura 24 - Pr-do-Sol

O Sol a nica estrela do sistema solar e pode ser considerada uma fonte inesgotvel de energia, uma vez que a minscula parcela de radiao emitida por ele, que atinge a Terra, corresponde aproximadamente ao que seria gerado em dez bilhes de hidreltricas do porte de Itaipu, operando em carga mxima. Para se ter idia, em apenas uma hora, ele fornece Terra uma quantidade de energia

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superior ao que aqui se consome durante um ano inteiro. Alm disso, trata-se de uma energia gratuita, renovvel e no poluente. O Sol possui um dimetro equatorial da ordem de 1 milho 400 mil km, e est a uma distncia mdia da Terra de 150 milhes de km. Segundo resultados de pesquisa recente, estima-se que o sol existe h aproximadamente 4 bilhes 500 mil de anos, e, segundo os resultados, tambm, destes estudos, estima-se que o sol, atualmente, encontra-se na metade de sua vida, ou seja, ele dever brilhar por 4 bilhes 500 mil de anos.

A temperatura do sol, na sua superfcie, de aproximadamente 6.000 C, e, em seu ncleo, a temperatura atinge a marca de 20.000.000C.

Ele composto pelos mesmos elementos qumicos encontrados aqui na Terra, apenas em quantidades diferentes. Aproximadamente, 71% da sua massa so constitudas por tomos de Hidrognio, 26,5% por Hlio e, 2,5% de outros elementos. Ao todo so mais de 70 elementos qumicos presentes no interior do sol.

Por meio de processo de fuso nuclear, ocorre a transformao de tomos de Hidrognio em Hlio e, nessa transformao, ocorrem as emisses de energia em todas os comprimentos de onda do espectro eletromagnticas.

A figura 3 abaixo ilustra um sol mostrado em corte. Como pode ser observado, ao centro, encontram-se o ncleo solar, com um raio de aproximadamente 35 mil km, que o local onde ocorrem as fuses nucleares, transformando o hidrognio em Hlio. nesta regio acontece a liberao de energia solar, proporcionando a temperatura atingir at 20 milhes de graus centgrados. A redor do ncleo, existe uma zona com aproximadamente 305 mil de espessura, na qual a energia se propaga por radiao. E mais perto da superfcie h uma outra regio com uma espessura de aproximadamente 10 mil km, na qual a energia se propaga por conveco. Externamente, encontra-se a

fotosfera, que correspondem superfcie solar, granulada e com manchas, que o que vemos do sol.

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Figura 25 Representao esquemtica e simplificada da anatomia do Sol

Observando a figura 4 abaixo se verifica que, em escala global, o potencial de energia solar de uma determinada regio determinado, principalmente, em funo da sua localizao no Globo Terrestre. As regies localizadas acima do Crculo Polar rtico e abaixo do Crculo Polar Antrtico podem ser consideradas de baixo potencial de energia solar. As regies localizadas entre os crculos polares e os trpicos podem ser consideradas como de mdio potencial de energia solar. E as regies localizadas entre as linhas tropicais podem ser consideradas de alto potencial de energia solar.

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Figura 26 - Potencialidade de utilizao de energia solar no planeta Terra

O Brasil, como mostra a figura 5 abaixo, um pas que possui a grande maioria do seu territrio localizada na regio considerada de alto potencial de energia solar. Esta condio to favorvel ao aproveitamento de energia solar, em praticamente todas as regies do Brasil, que o coloca em segundo lugar, em escala mundial, quando se considera a potencialidade de um pas no aproveitamento de energia solar.

Figura 27 - Mapa dos potenciais de energia

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Portanto, pode-se considerar que, em qualquer localidade do nosso pas, possvel instalar sistemas de captao de energia solar, para aproveitamento diverso.

4.7.1 Vantagens e Restries Atribudas Energia Solar.

a) A energia solar abundante e gratuita, devendo por isso ser aproveitada. Nos EUA, como na Europa, o desenvolvimento subsidiado da Energia Solar est trazendo a um nmero crescente de pessoas a certeza de que h uma sada econmica e consciente para a questo energtica atravs da auto-suficincia e independncia proporcionadas por esta tecnologia. Graas explorao da demanda, verificada nos ltimos anos, existem nesses pases diversas organizaes, grupos de usurios e especializadas em gerao independentes de energia.

b) Energia Solar aplicvel em quaisquer circunstncias. Como fonte trmica, ela pode ser utilizada no aquecimento de gua para uso residencial, em geral; para uso industrial; no aquecimento de ar para ser utilizado na secagem de produtos agrcolas; e no aquecimento de ambientes, de modo geral. Como fonte de energia eltrica, ela pode ser aplicada em diversas situaes, como:

Uso residencial;

Repetidoras remotas de rdio e TV;

Camping, motor-homem e barcos de passeio;

Dessalinizao de gua;

Iluminao pblica;

Sinalizao martima;

Abastecimento de campos avanados, militares e cientficos.

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Tudo isso pode ser alcanado, graas sua grande disponibilidade e a modularidade, portabilidade e simplicidade de instalao dos sistemas de captao e de converso.

c) uma energia limpa, pois a gerao, a captao, a transformao e o aproveitamento no envolvem nenhum tipo de poluio. Portanto, a energia solar, diferente do que acontece com outras formas de energia, limpa, no apresentando nenhum tipo de poluio ao meio ambiente.

d) Simples instalao: os sistemas solares para a captao da energia solar, bem como os demais equipamentos utilizados, so facilmente instalados, no necessitando, portanto, de assistncia tcnica especializada;

e) Manuteno mnima: os mdulos solares no sofrem nenhum tipo de desgaste, nem consomem matria-prima, no processo de captao e de transformao da energia solar. Por isso, a manuteno se restringe apenas realizao de limpeza, quando houve incrustaes de matria (poeira, folhas secas, mofos) que possam afetar a transparncia do vidro dos mdulos e a sensibilidade do mesmo;

f) Vida til prolongada: no se pode ainda definir, com exatido, qual a durabilidade mdia dos sistemas solares para captao de energia solar, para as condies brasileiras. O que existe, de fato, so sistemas solares instalados h mais de 25 anos, em perfeitas condies de funcionamento. Este fato nos d total segurana em dizer que a vida til desses sistemas superior a 25 anos.

g) O Sol brilha para todos! Fazendo jus a esse ditado, praticamente todas as pessoas podero usufruir da energia solar. Apenas as regies geladas do

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globo, que se encontram alm dos crculos polares, tm restries quanto ao uso da energia solar;

h) A instalao de cada metro quadrado de coletor solar, em mdia, evita a inundao de 56m2 de Terras frteis com novas hidreltricas, ou permitem economizar aproximadamente 55 kg de gs de cozinha por ano, ou permitem economizar 66 litros de leo diesel por ano, ou ainda, proporciona uma economia em torno de 215 kg de lenha por ano;

i) Custo reduzido com energia eltrica; o consumo solar gratuito. Assim, os investimentos para a instalao do sistema, que podero parecer elevados, so distribudos ao logo de vrios anos, correspondendo a um baixssimo custo mensal de energia;

Como restrio, podemos apontar a diminuio ou ausncia de radiao solar direta, em dias nublados e chuvosos. Por isso, no caso de sistemas solares para fornecimento de eletricidade, ser necessrio dimensionar um conjunto de baterias capaz de armazenar a energia eltrica necessria para ser utilizada nessas ocasies. J no caso de sistemas solares para aquecimento (de gua, por exemplo), ser necessrio equipar o sistema com uma fonte de aquecimento (eltrico, por exemplo), que permitir realizar o aquecimento da gua, em dias nublados, e chuvosos.

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Tabela 18 - Inclinao do Painel Fotovoltaico


*Os valores apresentados entre parnteses, relativos a outras localidades nos estados, foram includos como informao adicional e indicam que as inclinaes podem variar bastante mesmo dentro de um dado estado.

Inclinao do Painel Fotovoltaico

Estado Latitude da Capital (Graus) Inclinao do Painel

(Graus)* Acre 10.0 10

Alagoas 9.7 30 (35) Amap 0.0 10

Amazonas 3.1 10 Bahia 13.0 35 (25) Cear 3.7 10

Distrito Federal 15.8 10 Esprito Santo 20.3 20

Gois 16.7 10 Maranho 2.5 10

Mato Grosso 15.6 25 Mato Grosso do Sul 20.4 35

Minas Gerais 20.0 15 Par 1.4 10

Paraba 7.1 15 (10) Paran 25.4 40

Pernambuco 8.0 25 (20) Piau 5.1 10

Rio de Janeiro 22.9 40 (30) Rio Grande do Norte 5.8 20 (10) Rio Grande do Sul 30.0 50

Rondnia 8.8 10 Roraima 2.8 15

Santa Catarina 27.6 40 (35) So Paulo 23.5 30 (25) Sergipe 10.9 25

Tocantins 10.2 10

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4.8 Estrutura e Princpio de Funcionamento de Uma Clula Solar

4.8.1 Efeito Fotovoltaico

Os mdulos so compostos de clulas solares de silcio. Elas so semicondutoras de eletricidade porque o silcio um material com caractersticas intermedirias entre um condutor e um isolante. O silcio apresenta-se normalmente como areia. Atravs de mtodos adequados obtm-se o silcio em forma pura. O cristal de silcio puro no possui eltrons livres e, portanto, um mal condutor eltrico. Para alterar isto se acrescentam porcentagens de outros elementos. Este processo denomina-se dopagem. Mediante a dopagem do silcio com o fsforo obtm-se um material com eltrons livres ou materiais com portadores de carga negativa (silcio tipo N). Realizando o mesmo processo, mas acrescentando Boro ao invs de fsforo, obtm-se um material com caractersticas inversas, ou seja, dficit de eltrons ou material com cargas positivas livres (silcio tipo P). Cada clula solar compe-se de uma camada fina de material tipo N e outra com maior espessura de material tipo P, Figuras abaixo, separadamente, ambas as capas so eletricamente neutras. Mas, ao serem unidas, exatamente na unio P-N, gera-se um campo eltrico devido aos eltrons do silcio tipo N que ocupam os vazios da estrutura do silcio tipo P.

Figura 28 - Diodo

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Ao incidir a luz sobre a clula fotovoltaica, os ftons que a integram chocam-se com os eltrons da estrutura do silcio dando-lhes energia e transformando-os em condutores. Devido ao campo eltrico gerado na unio P-N, os eltrons so orientados e fluem da camada "P" para a camada "N". Por meio de um condutor externo, conecta-se a camada negativa positiva. Gera-se assim, um fluxo de eltrons (corrente eltrica) na conexo. Enquanto a luz continue a incidir na clula, o fluxo de eltrons manter-se-. A intensidade da corrente gerada variar proporcionalmente conforme a intensidade da luz incidente.

Cada mdulo fotovoltaico formado por uma determinada quantidade de clulas conectadas em srie. Como se viu anteriormente, ao unir-se camada negativa de uma clula com a positiva da seguinte, os eltrons fluem atravs dos condutores de uma clula para a outra. Este fluxo repete-se at chegar ltima clula do mdulo, da qual fluem para o acumulador ou a bateria. Cada eltron que abandona o mdulo substitudo por outro que regressa do acumulador ou da bateria. O cabo da interconexo entre mdulo e bateria contm o fluxo, de modo que quando um eltron abandona a ltima clula do mdulo e encaminha-se para a bateria outro eltron entra na primeira clula a partir da bateria. por isso que se considera inesgotvel um dispositivo fotovoltaico. Produz energia eltrica em resposta energia luminosa que entra no mesmo. Deve-se esclarecer

que uma clula fotovoltaica no pode armazenar energia eltrica.

4.8.1.2 Tipos de Clulas:

Existem trs tipos de clulas, conforme o mtodo de fabricao.

Silcio monocristalino:

Estas clulas obtm-se a partir de barras cilndricas de silcio monocristalino produzidas em fornos especiais. As clulas so obtidas

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por corte das barras em forma de pastilhas quadradas finas (0,4-0,5 mm de espessura). A sua eficincia na converso de luz solar em eletricidade entre 15-18%, alta eficincia seu aspecto visual e tonalidade de cor preta.

Silcio policristinalino:

Estas clulas so produzidas a partir de blocos de silcio obtidos por fuso de bocados de silcio puro em moldes especiais. Uma vez nos moldes, o silcio arrefece lentamente e solidifica-se. Neste processo, os tomos no se organizam num nico cristal. Forma-se uma estrutura

policristalina com superfcies de separao entre os cristais. Sua eficincia na converso de luz solar em eletricidade ligeiramente menor do que nas de silcio monocristalino, chegando a eficincia de 13- 15 %. Sua caracterstica visual de uma estrutura cristalina cor azul.

Silcio amorfo:

Estas clulas so obtidas por meio da deposio de camadas muito finas de silcio sobre superfcies de vidro ou metal. Sua eficincia na converso de luz solar em eletricidade varia entre 5% e 8%, so mais baratas, mas perdem potncia aps 5-10 anos, visualmente se assemelham a CIS, porm se amolda a qualquer superfcie devido a sua flexibilidade.

CIS:

Esta clula constituda de cobre/ndio/diselendio, processo de fabricao, mas barato na produo em larga escala, porm de baixa eficincia, e que no futuro pode ser bastante explorado.

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Figura 29 - Clula Solar em Detalhe

O mdulo fotovoltaico composto por clulas individuais conectadas em srie. Este tipo de conexo permite adicionar tenses. A tenso nominal do mdulo ser igual ao produto do nmero de clulas que o compem pela tenso de cada clula (aprox. 0,5 volts). Geralmente produzem-se mdulos formados por 30, 32, 33 e 36 clulas em srie, conforme a aplicao requerida.

Procuram-se dar ao mdulo, rigidez na sua estrutura, isolamento eltrico e resistncia aos fatores climticos. Por isso, as clulas conectadas em srie so encapsuladas num plstico elstico (Etilvinilacelato) que faz tambm o papel de isolante eltrico, um vidro temperado com baixo contedo de ferro, na face voltada para o sol, e uma lmina plstico multicamada (Polister) na face

Eletrodo Positivo

Eletrodo Negativo

Silcio tipo N

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posterior. Em alguns casos o vidro substitudo por uma lmina de material plstico transparente.

O mdulo tem uma moldura composta de alumnio ou poliuretano e caixas de conexes, s quais, chegam os terminais positivo e negativo da srie de clulas. Nos bornes das caixas conectam-se os cabos que ligam o mdulo ao sistema.

4.8.1.2.1 Etapas do Processo de Fabricao do Mdulo

Ensaio eltrico e classificao das clulas.

Interconexo eltrica das clulas.

Montagem do conjunto. Colocao das clulas soldadas entre camadas de plstico encapsulante e lminas de vidro e plstico.

Laminao do mdulo. O conjunto processado numa mquina semi-automtica a alto vcuo que, por um processo de aquecimento e presso mecnica, conforme o laminado.

Curagem. O laminado processa-se num forno com temperatura controlada no qual completa-se a polimerizao do plstico encapsulante e alcana-se a adeso perfeita dos diferentes componentes. O conjunto, depois da curagem, constitui uma nica pea.

Emoldurao. Coloca-se, primeiramente, um selante elstico em todo o permetro do laminado e a seguir os perfis de alumnio que formam a moldura. Usam-se mquinas pneumticas para conseguir a presso adequada. As molduras de poliuretano so colocadas por meio de mquinas de injeo.

Colocao de terminais, bornes, diodos e caixas de conexes.

Ensaio final.

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4.8.1.3 Ensaio dos Mdulos

Sobre os mdulos deve-se medir e observar:

Caractersticas eltricas operacionais

Isolamento eltrico (a 3000 Volt de C.C.)

Aspectos fsicos, defeitos de acabamento, etc.

Resistncia ao impacto

Resistncia trao das conexes

Resistncia intemprie (nvoa salina) e umidade ambiente

Comportamento temperatura elevada por perodos prolongados (100 graus Celsius durante 20 dias)

Tenso do Sistema 12V ou 24 V

Faixa de Potncia de 14W at 150W

4.8.1.4 Potncia Real dos Mdulos

TMMPreal KPP .

PMMP - Potncia no ponto de Mxima potncia. K Constante de Temperatura

T - Variao de temperatura em relao a 25 C.

4.8.1.5 Tipos de Conexo

4.8.1.5.1 Conexo Serial As tenses so adicionadas, a corrente constante.

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Figura 30 - Conexo Serial

Vantagem: Baixa corrente; pequeno dimetro do cabo. Desvantagem: Alta voltagem (pode ser mortal); no caso de sombra em

um mdulo, a corrente total afetada pelo mdulo com menor corrente.

4.8.1.5.2 Conexo Paralela

As correntes so adicionadas, a tenso constante:

Figura 31 - Conexo Paralela

Vantagem: Baixa voltagem; no caso de sombra em um mdulo, no causar o desligamento dos outros mdulos.

Desvantagem: Alta corrente, um cabo de dimetro maior necessrio.

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Obs.: Em sistemas stand-alone deve-se usar sempre a Conexo Paralela. No mximo, voc deve conectar no mais que 4 Mdulos em paralelo. Use um dimetro de 2,5mm de mdulo para mdulo, e um cabo de dimetro de 2x4mm do ltimo mdulo para o regulador carga.

Tabela 19 - Quadro Comparativo de 53 W e 110W Potncia 53 Wp 110 Wp Tenso do sistema 12V 24 V Tenso de circuito aberto 21,5V 43,2V Tenso no MPP 17,4V 34,8V Corrente de curto circuito 3,28A 3,38A Corrente de MPP 3,05A 3,16A Coeficiente de temperatura -0,47%/C de PN -0,47%/C de PN


Ex. 1

- A potncia de sada 25C de 110Wp ou 53Wp, obtida multiplicando a MPP-Voltagem com a corrente de MPP. (34,8V x 3,16A = 109,97Wp) (17,4V x 3,05A = 53,07Wp)

Ex. 2

- Na temperatura de 70 C, a potncia diminui pela seguinte frmula: A 70C a potncia real do Mdulo de 110W: 110+(-0,47x45)=88,85W.

A mxima voltagem produzida por um mdulo em circuito Aberto e a mxima corrente que pode ser produzida por um mdulo a corrente de curto circuito. Mas, a mxima potncia de um mdulo somente pode ser produzida no ponto MPP do mdulo.

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Figura 32 - MPP em funo da temperatura

4.9 Noes de Energia Solar

O sol uma fonte de energia renovvel, no poluente, com uma extensa gama de aplicaes, disponvel em todo o planeta e inesgotvel raa humana.

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Dele originam-se a energia hidreltrica e as fotossintticas (incluindo a vida), que so renovveis, e o carvo, petrleo, gs natural, no renovvel. Assim, a

energia proveniente do sol representa 99,98% da energia potencial na Terra. Atravs de equipamentos especficos, pode-se produzir calor, movimento e eletricidade bastante s necessidades do ser humano. O desenvolvimento tecnolgico aliado informao em larga escala, so os melhores instrumentos ao incremento da utilizao da energia solar.

Comparao entre a irradiao solar anual, todos os consumidores de energia do mundo e os recursos:

Irradiao Solar Anual em kWh/m

Figura 33 - Matriz Energtica

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4.10 Configuraes Bsicas

Sistemas Fotovoltaicos (SF) podem ser classificados em trs categorias principais: isolados, hbridos ou conectados rede. A utilizao de cada uma dessas opes depender da aplicao e/ou da disponibilidade de recursos energticos. Cada um deles poder ser de complexidade varivel, dependendo da aplicao em questo e das restries especficas de cada projeto. Isto pode ser facilmente visualizado, por exemplo, quando se considera a utilizao de um sistema hbrido Diesel-fotovoltaico. Neste caso, o percentual de cada um, que podem ir 0% a 100%, depender de fatores como, investimento inicial, custo de manuteno, dificuldade de obteno de combustvel, poluio do ar e sonora do Diesel, rea ocupada pelos sistemas fotovoltaicos, curva de cargas etc.

Sistemas autnomos, no conectados rede eltrica, podem ou no apresentar fontes de energias completamente gerao fotovoltaica. Quando a configurao no se restringe gerao fotovoltaica, temos os sistemas hbridos. Se os sistemas so puramente fotovoltaicos, ento, eles so chamados de sistemas isolados.

Sistemas autnomos, isolados ou hbridos, em geral, necessitam de algum tipo de armazenamento. O armazenamento pode ser em baterias, quando se deseja utilizar aparelhos eltricos nos perodos em que no h gerao fotovoltaica, ou outras formas de energia. Num sistema de bombeamento de gua, onde esta armazenada em tanques elevados, a energia solar estar armazenada em forma de energia potencial gravitacional. Sistemas de irrigao so um exemplo de sistema autnomo sem armazenamento, pois toda gua bombeada imediatamente usada.

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4.10.1 Configurao bsica de Sistema Fotovoltaico.

Figura 34 - Configurao bsica de Sistema Fotovoltaico

4.10.2 Sistema Hbrido

Chamam-se sistemas hbridos aqueles em que, estando desconectados da rede eltrica, existe mais de uma forma de gerao de energia, como por exemplo, gerador Diesel, turbinas elicos e mdulos fotovoltaicos. Estes sistemas so mais complexos e necessitam de algum tipo de controle capaz de integrar os vrios geradores, de forma a otimizar a operao para o usurio. Existem vrias configuraes possveis, assim como estratgias de uso de cada fonte de energia.

Em geral, utilizam-se sistemas hbridos para o atendimento cargas de corrente alternada (CA) necessitado-se, portanto, de um inversor, dispositivo que transforma corrente contnua (CC) em corrente alternada (CA), devido a maior complexidade e opes de fabricantes e diversas formas de programao. Este manual no se aprofunda neste assunto, devendo o interessado buscar outra fonte de consulta.

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Exemplo de sistema hbrido

Figura 35 - Exemplo do sistema hbrido

4.10.3 Sistema Conectado Rede

So aqueles em que a potncia gerada pelo arranjo fotovoltaico entregue rede eltrica. Para tanto dispensvel que se utilize um inversor que deve satisfazer as exigncias de qualidade e segurana para que no degrade a qualidade do sistema no qual se interliga o arranjo fotovoltaico.

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Figura 36 - Sistema fotovoltaico conectado rede

4.10.4 Sistema Isolado

Dentre os sistemas isolados existem muitas configuraes possveis. Apresentamos a seguir algumas possibilidades, indicando-se exemplos de aplicaes mais comuns.

4.10.4.1 Carga CC sem Armazenamento

Neste caso, a energia eltrica usada no momento da gerao por equipamentos que operam em corrente contnua. Um exemplo deste uso em sistemas de bombeamento de gua com bombas com motor de corrente contnua. Em alguns casos, o sistema pode incorporar um seguidor de ponto de mxima potncia, de forma a otimizar o funcionamento da bomba.

Figura 37 - Sistema isolado com carga CC sem armazenamento

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4.10.4.2 Carga CC com Armazenamento

Este o caso em que se deseja usar equipamentos eltricos, em corrente contnua, independente de haver ou no gerao fotovoltaica simultnea. Para que isto seja possvel, a energia eltrica deve 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 as baterias de danos por sobrecarga ou descarga profunda. Na figura abaixo pode ser visto o esquema de um sistema deste tipo.

Os controladores podem ser dispensados em duas situaes: quando a capacidade de armazenamento grande em comparao a gerao e quando os mdulos fotovoltaicos apresentam uma curva IxV , tal que a corrente seja baixa na tenso de carga plena das baterias. No ltimo caso, haver um desperdcio de energia quando as baterias estiverem prximas da carga plena. Alm disso, importante levar em considerao os impactos do no uso do controlador na proteo da bateria por sobrecarga.

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

Figura 38 - Sistema isolado com armazenamento e carga CC

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4.10.4.3 Carga CA sem Armazenamento

Da mesma forma como apresentado para cargas CC, pode-se usar equipamentos que operem em corrente alternada sem o uso de baterias, bastando, para tanto, a introduo de um inversor entre arranjo fotovoltaico e o equipamento a ser usado. Um exemplo deste uso quando se deseja utilizar bombas com motores convencionais em sistema fotovoltaicos.

Figura 39 - Sistema isolado sem armazenamento para alimentao de carga CA

4.10.4.4 Carga CA com Armazenamento

Para alimentao de equipamentos que operem em corrente alternada necessrio que se utilize um inversor. comum sistema deste tipo, incorporarem um seguidor do ponto de mxima potncia, que pode estar embutido no prprio inversor. Um caso tpico de aplicao destes sistemas no atendimento de residncias isoladas que faam uso de eletrodomstico convencional.

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Figura 40 - Sistema isolado com armazenamento e seguidor do ponto de mxima potncia para alimentao de cargas CA

4.11 Baterias

Baterias so conhecidas por serem uma conveniente e eficiente forma de armazenamento de energia. Quando uma bateria est conectada a um circuito eltrico, h fluxo de corrente devido a uma transformao eletroqumica no seu interior, ou seja, h produo de corrente contnua atravs da converso de energia qumica em energia eltrica.

A mais simples unidade de operao de uma bateria chamada de clula eletroqumica ou, simplesmente, clula . Uma bateria pode ser

composta de apenas uma clula ou do arranjo eltrico de diversas clulas. Baterias podem ser classificadas em recarregveis e no-recarregveis

dependendo do tipo de clula de que so compostas. Existem dois tipos bsicos de clula: Primrias e secundrias.

As clulas primrias compem as baterias que podem ser utilizadas apenas uma vez (no-recarregvel). Quando as clulas primrias descarregam-se, completamente sua vida til termina e elas so inutilizadas. As baterias no-

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recarregveis ou primrias so geralmente utilizadas como fonte de energia de baixa potncia, em aplicaes tais como relgios de pulso, aparelhos de memria digital, calculadores e muitos outros aparelhos portteis. possvel encontrar baterias compostas, por clulas primrias que admitem recargas leves, aumentando sua vida til.

As clulas secundrias compem as baterias recarregveis, ou seja, aquelas que podem ser carregadas com o auxlio de uma fonte de tenso ou correntes e reutilizadas vrias vezes. So comumente chamadas de acumuladores ou baterias de armazenamento e so teis na maioria das

aplicaes por longo perodo, como por exemplo, em Sistemas Fotovoltaicos.

4.11.1 Tipos de Baterias de Acumuladores

4.11.1.1 Baterias de chumbo-cido de eletrlito lquido

As clulas chumbo-cido utilizam dixido de chumbo (PbO2) como material 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 diluda de cido sulfrico (H2SO4), que se comporta como eletrlito (mistura, em geral, de 36% de cido sulfrico e 64% de gua).

Durante a descarga, o cido sulfrico reage com os materiais ativos das placas, produzindo gua, que dilui o eletrlito. Durante o carregamento, o processo revertido; o sulfato de chumbo (PbSO4), de ambas as placas, transformado em chumbo esponjado , dixido de chumbo (PbO2) e cido sulfrico (H2SO4).

A densidade do eletrlito varia durante o processo de carga e descarga e valores tpicos so apresentados

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Tabela 20 - Densidade do Eletrlito (valores tpicos a 25C) Condio da clula Densidade (gr/cm3) Completamente descarregada 1,12

Completamente carregada 1,28


A reao qumica reversvel em uma bateria chumbo-cido dada por: PbO2 + Pb + H2SO4 2PbSO4 + 2H2O (carga) (descarga)

Quando a clula est completamente carregada e a maioria do cido sulfrico foi convertida em chumbo e dixido de chumbo, comea a ocorrer produo dos gases hidrognio e oxignio. Isto acontece, pois todo o material ativo das placas positivas foi completamente utilizado, de maneira que elas no so mais capazes de converter a corrente de carga em energia eletroqumica. Neste momento, a tenso da clula torna-se maior do que a tenso de gaseificao (eletrlise

cerca de 2,39 volts por clulas) e tm incio as reaes de sobrecarregamento, acelerando a produo de hidrognio e oxignio (gaseificao) e a conseqente perda de gua. A equao mostra a reao qumica da eletrlise. H2O H2 + O2

As baterias de chumbo-cido aplicam-se amplamente nos sistemas de gerao fotovoltaicos. Dentro da categoria chumbo-cido, as de chumbo-antimonio, chumbo-selenio e chumbo-clcio so as mais comuns.

A unidade de construo bsica de uma bateria a clula de 2,0 Volts. Dentro da clula, a tenso real da bateria depende do seu estado de carga, se est carregar, descarregar ou em circuito aberto. Em geral, a tenso de uma clula varia entre 1,75 Volts e 2,5 Volts, sendo a mdia cerca de 2,0 Volts, tenso que se costuma chamar nominal da clula. Quando as clulas de 2 Volts se ligam em srie (POSITIVO A NEGATIVO) as tenses das clulas somam-se, obtendo-se

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desta maneira, baterias de 4, 6,12 Volts, etc. Se as baterias estiverem ligadas em paralelo (POSITIVO A POSITIVO E NEGATIVO A NEGATIVO) as tenses no se alteram, mas, somar-se-o suas capacidades de corrente. S se devem ligar em paralelo, baterias de igual tenso e capacidade. Pode-se fazer uma classificao das baterias com base na sua capacidade de armazenagem de energia (medida em Ah tenso nominal) e no seu ciclo de vida (nmero de vezes em que a bateria pode ser descarregada e carregada a fundo antes que se esgote sua vida til).

A capacidade de armazenagem de energia de uma bateria depende da velocidade de descarga. A capacidade nominal que, a caracteriza corresponde a um tempo de descarga de 10 horas. Quanto maior for o tempo de descarga, maior ser a quantidade de energia que a bateria fornece. Um tempo de descarga tpico em sistemas fotovoltaicos so 100 horas. Por exemplo, uma bateria que possua uma capacidade de 80 Ah em 10 horas (capacidade nominal) ter 100 Ah de capacidade em 100 horas. Dentro das baterias de chumbo-cido, as denominadas estacionrias de baixo contedo de antimnio, so uma boa opo em sistemas fotovoltaicos. Elas possuem uns 2500 ciclos de vida quando a profundidade de descarga de 20 % (ou seja, que a bateria estar com 80 % da sua carga) e uns 1200 ciclos quando a profundidade de descarga de 50 % (bateria com 50 % de sua carga). As baterias estacionrias possuem, alm disso, uma baixa autodescarga (3 % mensal aproximadamente contra uns 20 % de uma bateria de chumbo-cido convencional) e uma manuteno reduzida. Dentro destas caractersticas enquadram-se tambm as baterias de chumbo-clcio e chumbo-selenio, que possuem uma baixa resistncia interna, valores desprezveis de gaseificao e uma baixa autodescarga.

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4.11.1.2 Curvas Caractersticas

Figura 41 - Curvas Caractersticas Entre as Baterias

4.11.1.3 Efeito da temperatura

Caractersticas tpicas de baterias chumbo-cido de 12 volts so dadas na tabela 31 a seguir para uma temperatura de 20C. Quando a temperatura aumenta, a capacidade total tambm aumenta. Isto claramente uma vantagem, porm, acarretam alguns inconvenientes, tais como, o aumento da taxa de autodescarga, reduo do ciclo de vida e sulfatao acelerada em baterias que no esto totalmente carregadas.

Tabela 21 - Valor da Tenso nas Baterias Tenso caractersticas Tenso a 20C (V)

Clula Bateria com seis clulas

Nominal 2 12 Tenso mxima 2,3 2,5 14,0 15,0 Tenso de flutuao 2,2 2,3 13,0 14,0 Tenso de circuito aberto com carga plena1

2,1 2,2 12,5 13,0

Tenso limite para medida da capacidade2

1,8 1,9 10,8 11,4

Mudanas das caractersticas de tenso com a temperatura

-0,05 V para cada 10C de aumento

-0,33 V pra cada 10C de aumento


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Obs: Estas tenses aplicam-se depois de deixar o sistema desconectando por pelo menos uma hora.

O valor limite estabelecido para a desconexo por baixa tenso, depende da profundidade de descarga recomenda e da corrente de descarga.

As baterias no devem ser operadas continuamente acima de 40C; caso contrrio, podem causar danos permanentes nas placas. Um problema com temperatura abaixo de 0C que o eletrlito poder congelar se a bateria estiver descarregada. Se isto ocorre, ela no poder operar e danos permanentemente sero causados. Quando a bateria descarrega, o cido dilui e congela a uma temperatura mais alta.

Com 20% do estado de carga, o ponto de congelamento cerca de 10C, em uma bateria tpica.Baterias projetadas para serem utilizadas em clima muito frio tm uma concentrao de cido mais elevada que mantm o eletrlito em estado lquido nesta temperatura.Em um dado estado de carga, mudanas de temperatura tambm afetam as medies do peso especfico do eletrlito e da tenso.

4.11.2 Sulfatao

Um problema que comumente ocorre nas clulas chumbo-cido um processo chamado sulfatao . A sulfatao a formao de cristais de sulfato de chumbo nas placas das clulas. Fora das condies normais de operao, forma-se, durante a descarga, uma fina camada de sulfato de chumbo na superfcie das placas. No incio do processo, existem muitos espaos em volta de cada pequeno cristal de sulfato de chumbo por onde o eletrlito pode ainda alcanar os materiais ativos (dixido de chumbo e chumbo). Entretanto, gradualmente os pequenos cristais de sulfato de chumbo juntam-se e recristalizam-se para formar em cristais maiores. Este fenmeno constitui-se em

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problema, j que os cristais 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 sua ocorrncia. A seguir, so apresentados alguns fatores que acentuam o processo 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 que 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 de sulfatao geralmente acontece quando uma bateria parece carregar rapidamente, como indicado pela elevada tenso de carregamento. Entretanto, uma medio de ps especficos mostra que o estado de carga ainda est baixo. Manter uma lenta corrente durante o carregamento poder minimizar os danos, mas, geralmente a capacidade da bateria reduzir irreversivelmente.

A melhor maneira de evitar a sulfatao carregar a clula regularmente para que todo o sulfato de chumbo seja convertido. Para aplicaes em ciclos profundos, os fabricantes recomendam que as baterias por intermdio de outras fontes.

A taxa de sulfatao varia para os diferentes tipos de clula, dependendo da qualidade das placas e da sua aplicao. Os materiais ativos contm aditivos que retardam a taxa de sulfatao, mas, que no podem interromp-la completamente. Em lugares onde a temperatura mdia est acima de 30C, utiliza-se um eletrlito tropical , que possui uma baixa concentrao de cido. A baixa concentrao reduz os danos na estrutura da grade das placas positivas, diminuindo a taxa de sulfatao.

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4.11.3 Baterias Seladas

4.11.3.1 Gelificadas

Estas baterias incorporam um eletrlito do tipo gel com consistncia que pode variar desde um estado muito denso ao de consistncia similar a uma gelia. No derramam, podem montar-se em quase todas as posies e no admitem descargas profundas.

4.11.3.2 Eletrlito Absorvido

O eletrlito encontra-se absorvido numa fibra de vidro microporoso ou num entranado de fibra polimrica. Tal como as anteriores, no derramam, montam-se em qualquer posio e admitem descargas moderadas.

4.11.4 Construo da Bateria

1. Tampa

2. Vaso

3. Terminal

4. Vlvulas de Segurana 5. Placa Negativa 6. Separador 7. Placa Positiva

Figura 42 - Bateria em corte

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4.11.5 Caractersticas

Eletrlito absorvido (AGM).

Livre de manuteno.

Temperatura de operao de -15 a 45C.

Pode ser instalada em qualquer posio.

Alta densidade de energia.

Baixa resistncia interna.

Baixa autodescarga.

No requer carga de equalizao

Tanto estas baterias como as Gelificadas, no exigem manuteno com acrscimo de gua e no desenvolvem gases, evitando o risco de exploso, mas ambas requerem descargas pouco profundas durante sua vida til.

4.11.6 Bateria de Nquel-Cdmio

4.11.6.1 As Principais Caractersticas

O eletrlito alcalino.

Admitem descargas profundas de at 90% da capacidade nominal.

Baixo coeficiente de autodescarga.

Alto rendimento sob variaes extremas de temperatura.

A tenso nominal por elemento de 1,2 Volts.

Alto rendimento de absoro de carga (superior a 80%).

Custo muito elevado em comparao com as baterias cidas.

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Tal como as baterias de chumbo-cido, estas podem ser obtidas nas duas verses: standard e seladas. Utiliza-se a mais conveniente conforme a necessidade de manuteno admissvel para a aplicao prevista. Dado seu alto custo, no se justifica sua utilizao em aplicaes rurais.

4.11.7 Tipos de Baterias Utilizadas no Padro Wurth

a) cido-chumbo b) Selada Fleece c) Selada Gel

Obs.1. A grande OPzS e OPzV (de 300 at 1500Ah) somente para grandes sistemas, quando o usurio solicitar, porque so muito caras.

2. Voc no deve conectar muitas baterias pequenas. Seria melhor usar uma ou duas grandes baterias, pois se uma bateria falha, a potncia e a capacidade de todo o sistema ser afetada.

Vantagens e Desvantage

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