Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost Atuando como Controlador de Carga de Baterias em um Sistema Fotovoltaico

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA Seto de Tecnologia Faculdade de Engenhaia Pogama de Pós-Gaduação em Engenhaia Elética onveso - Bidiecional Buck-Boost Atuando como ontolado de aga de Bateias em um Sistema Fotovoltaico Juiz de Foa, MG Basil Novembo de 004

2 onveso - Bidiecional Buck-Boost atuando como ontolado de aga de Bateias em um Sistema Fotovoltaico Ricado Henique Rosemback Dissetação submetida ao copo docente da oodenação do Pogama de Pós-Gaduação em Engenhaia Elética da Univesidade Fedeal de Juiz de Foa como pate dos equisitos necessáios paa a obtenção do gau de Meste em iências em Engenhaia Elética. Apovada po: Pof. Pedo Gomes Babosa, D. Sc. (Oientado Pof. Macio de Pinho Vinage, D. Eng. Pof. Antonio alos Siqueia de Lima, D.Sc. Juiz de Foa, MG Basil Novembo de 004

3 Todo caminho que tilhamos pela pimeia vez é muito mais longo e difícil do que o mesmo caminho quando já o conhecemos. Thomas Mann

4 iii Resumo da Dissetação apesentada ao PPEE/UFJF como pate dos equisitos necessáios paa a obtenção do gau de Meste em Engenhaia Elética (M.E.E. ONVERSOR - BIDIREIONAL BUK-BOOST ATUANDO OMO ONTROLADOR DE ARGA DE BATERIA EM UM SISTEMA FOTOVOLTAIO Ricado Henique Rosemback Novembo de 004 Oientado: Pof. Pedo Gomes Babosa Pogama: Engenhaia Elética Áea de oncentação: Instumentação e ontole Este tabalho apesenta o pojeto de um ontolado de aga de Bateias paa se usado em sistemas de geação de enegia elética fotovoltaicos. As bateias eletoquímicas são usadas paa amazena o excedente de enegia elética convetida nos painéis fotovoltaicos e não consumida pelas cagas. Paa gaanti o caegamento completo e seguo das bateias o pocesso de caga é divido em quato etapas: (i caga leve, (ii caga ápida, (iii sobecaga e (iv caga de flutuação. O contolado de caga de bateias desenvolvido neste tabalho é um onveso - Bidiecional com duas etapas de funcionamento distintas: uma Buck e outa Boost. Duante a Etapa Buck a bateia é caegada enquanto que a Etapa Boost é usada duante o pocesso de descaga. Seão apesentadas metodologias paa modela matematicamente e paa linea as Etapas Buck e Boost do onveso - Bidiecional. As funções de tansfeência obtidas seão usadas paa analisa a estabilidade de pequenos sinais do conveso e pojeta contoles paa a tensão e/ou a coente de caga e de descaga de um banco de bateia. Resultados de simulações digitais obtidas com o pogama PSpice, bem como alguns esultados expeimentais obtidos com um potótipo de laboatóio são usados paa testa o desempenho do conveso e seus contoles.

5 iv Abstact of Dissetation pesented to PPEE/UFJF as a patial fulfillment of the equiements fo a Maste of Electical Engineeing (M.E.E. OPERATION OF A BUK-BOOST ONVERTER AS BATTERY HARGE ONTROLLER ONNETED TO A PHOTOVOLTAI GENERATION SYSTEM Ricado Henique Rosemback Novembe 004 Adviso: Pof. Pedo Gomes Babosa Pogam: Electical Engineeing Mino Aea: Instumentation and ontol This wok pesents the design of a battey chage contolle to be used in photovoltaic electic enegy geneation systems. The electochemical batteies ae used to stoe the amount of electical enegy conveted by the photovoltaic panels and not consumed by the loads. The full and safe chaging pocess of the batteies ae divided in fou stages: (i tickle chage, (ii bulk chage, (iii ove chage and (iv float chage. The chage contolle developed in this wok is a bidiectional D-D convete with two opeational stages: one buck and the othe boost. Duing the buck opeation the battey is chaged while the boost stage is used to dischage it. Methodologies to model mathematically and to lineaize the buck and the boost stages of the bidiectional D- D convete will be pesented. The obtained tansfe functions ae used to analyze the small signal stability of the convete and to design contolles to contol the voltage and/o cuent of the battey duing the chage and the dischage stages. Digital simulation esults obtained with PSpice pogam as well as some expeimental esults obtained with a laboatoy pototype ae used to test the pefomance of the convete and its contolles.

6 Sumáio Simbologia... ix apítulo Intodução. Históico.... Identificação do Poblema Motivação do Estudo Objetivos do Tabalho Estutua do Tabalho... 6 apítulo Elementos de um Sistema de Geação de Enegia Elética Fotovoltaico. Intodução Pincipais Elementos dos Sistemas Fotovoltaicos O Painel Fotovoltaico onvesoes Estáticos onvesoes Estáticos onvesoes Estáticos -A Elemento de amazenamento de Enegia: Bateias Bateia humbo-ácido Bateia Níquel-cádmio Elemento de Regulação de aga de Bateias Pocesso de aga ompensado de Tempeatua Desconexão po Baixa Tensão... 3

7 Sumáio vi..4.4 Bloqueio de oente Revesa Topologias Básicas de Sistemas de Geação Baseado em Painéis Fotovoltaicos Sistemas Fotovoltaicos Isolados Aanjo Fotovoltaico e aga Aanjo Fotovoltaico com Banco de Bateias e aga Aanjo Fotovoltaico e aga A Aanjo Fotovoltaico com Banco de Bateias e aga A Sistemas Fotovoltaicos onectados a Rede A Sistemas Fotovoltaicos Residenciais onectados a Rede A Sistemas Fotovoltaicos de Gande Pote onectados a Rede A onclusões Paciais apítulo 3 ontolado de caga de Bateias Baseado no onveso - Bidiecional Buck-Boost 3. Intodução Topologia do Sistema Fotovoltaico onveso - Bidiecional Buck-Boost Etapa Buck Etapa Boost Estatégia de ontole do onveso - Bidiecional Buck-Boost Pojeto das Malhas de Realimentação de ontole do onveso - Bidiecional Lineaização do Estágio de Potência do onveso - Bidiecional Modelo Dinâmico da Etapa Buck Modelo Dinâmico da Etapa Boost Malha de Realimentação de ontole de Tensão... 64

8 Sumáio vii ontolado Tipo ontolado Tipo ontolado Tipo Metodologia de Pojeto de ontoladoes Baseado no Fato K Algoitmo de Pojeto do ontolado Malha de Realimentação de ontole de oente onclusões Paciais apítulo 4 Pojeto e Simulação do onveso - Bidiecional Buck- Boost 4. Intodução Dimensionamento dos Elementos do Sistema Aanjo Fotovoltaico onveso - Boost Banco de Bateias onveso - Bidiecional Buck-Boost Malha de ontole de Tensão Etapa Boost Malha de ontole de Tensão Etapa Buck Malha de ontole de oente Etapa Buck Resultados Obtidos na Simulação ompotamento da Etapa Buck ompotamento da Etapa Boost Potótipo do onveso - Bidiecional haves Estáticas icuito de ontole icuito de Dispao... 03

9 Sumáio viii Sensoes de Tensão e oente Senso de Tempeatua Resultados da Implementação do Potótipo onclusões Paciais apítulo 5 onclusões e Recomendações paa Tabalhos Futuos 5. onclusões Recomendações paa Tabalhos Futuos... 0 Refeências Bibliogáficas... Apêndice A Pojeto Físico Induto... 6 Apêndice B Listagem dos Aquivos de Simulação no PSpice... 0

10 Simbologia. Símbolos empegados nas expessões matemáticas SÍMBOLO DESRIÇÃO UNIDADE α BT oeficiente de tempeatua da bateia humbo-ácido V/ α T oeficiente da tempeatua de I S paa o painel fotovoltaico A/ β T oeficiente de tempeatua de V O paa o painel fotovoltaico V/ apacidade da bateia Ah I Vaiação da coente A V Vaiação da tensão V apacidade da bateia Ah d D Razão cíclica Razão cíclica no estado pemanente f S Feqüência de chaveamento dos convesoes estáticos Hz G Insolação W/m G ST Insolação nas ondições de Teste Padão W/m i BB (t oente fonecida pelo banco de bateias A I BB Valo médio da coente i BB (t A I BULK I D I FV oente de caga da bateia duante o segundo estágio do pocesso de caga oente sobe o diodo do modelo elético do painel fotovoltaico oente fonecida pela fonte de coente no modelo elético do painel fotovoltaico A A A I MP oente no ponto de máxima potência do painel fotovoltaico A I OT Valo de coente que indica que a bateia alcançou sua caga completa A

11 Simbologia x I P oente fonecida pelo painel fotovoltaico A I PN oente fonecida pelo painel fotovoltaico paa um deteminado valo de insolação e tempeatua A I S oente de cuto-cicuito do painel fotovoltaico A I T N E oente de caga da bateia duante o pimeio estágio do pocesso de caga Númeo de elementos que compõe a bateia A NOT Tempeatua nomal de opeação da célula fotovoltaica P 0 Potência média de saída do conveso - estático W p Boost (t Potência instantânea fonecida pelo conveso - Boost W p aga (t Potência instantânea fonecida consumida pela caga W P i Potência média de entada do conveso - estático W P MP Potência máxima fonecida pelo painel paa um deteminado nível de insolação e tempeatua W p Painel (t Potência instantânea fonecida pelo aanjo fotovoltaico W R P Resistência em paalelo do modelo do painel fotovoltaico Ω R S Resistência séie do modelo do painel fotovoltaico Ω SO(t SO min SO max Estado de aga do banco de bateias Estado de aga mínimo admissível Estado de aga máximo admissível T a Tempeatua ambiente T a,ef Tempeatua ambiente de efeencia T Tempeatua da célula fotovoltaica T S Peíodo de chaveamento dos conveso es estáticos s T ST Tempeatua nas ondições de Teste Padão V B (T Tensão na bateia em função da tempeatua V v BB (t Tensão do banco de bateias V V BB Tensão nominal do banco de bateias V

12 Simbologia xi V BBmax Valo de tensão coespondente ao SO max V V BBmin Valo de tensão coespondente ao SO min V V Tensão nominal do baamento V V MAX Tensão máxima admissível no baamento V V MIN Tensão mínima admissível no baamento V v (t Tensão no baamento V V HGEND Valo de tensão da bateia no limite da capacidade de descaga V V E,5 Tensão de um elemento da bateia a 5 V V FLOAT Valo de tensão que deve se aplicado à bateia duante o quato estágio do pocesso de caga V V MP Tensão no ponto de máxima potência do painel fotovoltaico V V O Tensão de cicuito abeto do painel fotovoltaico V V O Valo máximo de sobecaga de tensão que deve se alcançado pela bateia V V P Tensão fonecida pelo aanjo fotovoltaico V V PN Tensão fonecida pelo painel fotovoltaico paa um deteminado valo de insolação e tempeatua V. Acônimos e abeviatuas SÍMBOLO SIGNIFIADO A FTMA FTMF PWM oente altenada oente contínua Função de tansfeência de malha abeta Função de tansfeencia de malha fechadas Modulação po lagua de pulso

13 apítulo Intodução. Históico A busca pela dominação de fontes de enegia pelo homem começou em tono de anos atás, quando o homem pimitivo passou a contola o fogo, apoveitando dessa foma de enegia paa aquecê-lo, afasta pedadoes e pepaa alimentos. Desde então o homem foi descobindo novas fontes e fomas de enegia e ciando dispositivos paa utilizá-las a seu favo. As fontes de enegia passaam a se vital paa sobevivência e evolução do homem. Potanto, devido a gande impotância da enegia paa a humanidade nos dias de hoje, são incessantes as pesquisas que visam o desenvolvimento e apimoamento de técnicas de obtenção de enegia, com o objetivo pincipal de concilia gande capacidade de geação, baixo custo e um mínimo impacto ao meio ambiente. O Sol é a mais impotante fonte de enegia do nosso planeta. Ele fonece,5x0 8 kwh de enegia anualmente a Tea nas fomas de luz e calo, enegia coespondente a vezes o consumo mundial no mesmo peíodo. E ainda, o Sol uma fonte de enegia inesgotável na escala teeste de tempo [].

14 APÍTULO - INTRODUÇÃO A foma de enegia mais impotante atualmente é a elética que pode se tanspotada ininteuptamente po longas distâncias, distibuída a divesos pontos simultaneamente e convetida nas mais divesas fomas de enegia como luminosa, mecânica, química e témica. O Efeito Fotovoltaico que tansfoma dietamente a enegia luminosa sola em coente elética concilia a mais impotante fonte, o Sol, com a pincipal foma de enegia, a elética. Relatado po Edmond Becqueel, em 839, o Efeito Fotovoltaico pode se explicado sucintamente como o apaecimento de uma difeença de potencial nos extemos de uma estutua de mateial semiconduto, poduzida pela absoção da luz. Essas estutuas de mateial semiconduto são denominadas de élulas Fotovoltaicas []. As élulas Fotovoltaicas são as unidades básicas de geação de enegia, elas podem se conectadas ente si, fomando os painéis fotovoltaicos, que são os dispositivos utilizados na pática paa geação de enegia. As pimeias aplicações desses dispositivos foam paa atende a necessidade de geação de enegia no espaço em satélites atificiais, sondas, naves e estações espaciais. om a queda pogessiva no custo de podução dos painéis seu empego estendeu-se a aplicações teestes, inicialmente em locais isolados distantes da ede elética [], []. Atualmente utiliza-se a enegia fotovoltaica nas mais divesas áeas com o objetivo de geação de enegia elética aliada as seguintes vantagens: simplicidade de instalação, facilidade de expansão, elevado gau de confiabilidade do sistema, edução das pedas po tansmissão de enegia devido à poximidade ente geação e consumo e pouca necessidade de manutenção. Além disso, os sistemas fotovoltaicos são fontes silenciosas e não poluentes de geação de enegia elética [3]. O custo da podução de enegia elética atavés de painéis fotovoltaicos ainda é elevado em compaação a outos métodos de geação de enegia elética o que inviabiliza muitas vezes a sua aplicação. ontudo, há uma gande expectativa da

15 APÍTULO - INTRODUÇÃO 3 difusão do uso de sistemas fotovoltaicos nos póximos anos, pincipalmente pelo esgotamento das fontes pimáias de enegia e o gande impacto ambiental causado pelas usinas tadicionais de geação de enegia como a hidoelética e as temoeléticas [4]. Além do desenvolvimento de painéis mais eficientes a um custo meno, um sistema de geação de enegia fotovoltaica paa tona-se mais difundido depende também do desenvolvimento de equipamentos complementaes que tonem os sistemas mais vesáteis, ou seja adaptando-os as mais divesas aplicações, e eficientes, apoveitando melho a enegia geada pelos painéis [5].. Identificação do Poblema A podução de enegia atavés de painéis fotovoltaicos depende, pincipalmente, do nível de insolação incidente sobe eles. omo o ecuso enegético sola apesenta gande vaiabilidade devido à altenância de dias e noites, das estações do ano e peíodos de passagem de nuvens, a podução de enegia apesentaá também uma gande vaiação de acodo com a insolação, ou seja, nos peíodos de gande insolação haveá gande podução de enegia, nos peíodos de baixa insolação haveá pouca podução de enegia e nos peíodos sem insolação não haveá podução de enegia. Dessa foma, a quantidade de enegia geada pelos painéis, em gande pate das aplicações, não coincidiá com a quantidade de enegia equeida pelas cagas eléticas da instalação, tendo-se que descata o excedente de enegia geado em deteminados momentos e em outos, equee enegia de uma outa fonte. Uma foma de soluciona este poblema é o amazenamento do excedente de enegia geado pelos painéis em banco de bateias eletoquímicas, tansfomando enegia elética em enegia potencial química. A enegia química amazenada podeá se utilizada posteiomente, na foma de enegia elética, quando a enegia equeida pelas cagas eléticas da instalação fo supeio a enegia geada pelos painéis.

16 APÍTULO - INTRODUÇÃO 4 Poém as bateias eletoquímicas são equipamentos que elevam o custo de implementação do sistema fotovoltaico e podem se danificadas pematuamente caso não sejam espeitadas suas especificações de uso, pincipalmente no se efee aos pocessos de caga e descaga. Assim, paa evita que as mesmas sejam danificadas pecocemente, as bateias necessitam de um equipamento destinado ao seu monitoamento duante os pocessos de caga e de descaga. Este equipamento é denominado po ontolado de aga de Bateia [6]. O ontolado de aga de Bateia em um sistema fotovoltaico deve, além de potege as bateias, povidencia o caegamento completo da bateia, dento de suas especificações, em um peíodo de tempo o mais cuto possível. O ontolado deve também povidencia e geencia o etono da enegia amazenada paa o sistema elético quando fo necessáio. Dessa foma é impotante que o ontolado de aga de Bateia eceba infomações constantes do sistema paa geencia com mais eficiência o fluxo de enegia que enta e sai do banco de bateias. Paa executa tais taefas os contoladoes necessitam basicamente de dois cicuitos, um cicuito de contole e um cicuito de comutação. O cicuito de contole monitoa gandezas do sistema, como a tensão, a coente e a tempeatua na bateia, pocessa essas infomações e gea os sinais de contole que comandaá o cicuito de comutação. Já o cicuito de comutação é composto po chaves que comutam as ligações de acodo com as condições e as necessidades do sistema..3 Motivação do Estudo A pincipal motivação deste tabalho é o desenvolvimento de um onveso - Bidiecional Buck-Boost que atuaá em um sistema fotovoltaico como ontolado de aga de Bateia. O onveso - Bidiecional iá pomove a ligação ente o baamento de coente contínua e o banco de bateias eletoquímicas do sistema fotovoltaico. Sua função seá de pomove o contole de caga de bateias chumbo-

17 APÍTULO - INTRODUÇÃO 5 ácido. O pocesso de caga da bateia é dividido em quato estágios paa gaanti o caegamento completo, ápido e seguo. Paa executa com pecisão o pocesso de caga, o cicuito de contole do conveso monitoa a tensão, a coente e a tempeatua na bateia. Pocessa essas infomações e gea os sinais de contole que ião atua nas chaves do cicuito de comutação. Os paâmetos de contole devem se ajustados de acodo com as especificações do fabicante da bateia utilizada no sistema..4 Objetivos do Tabalho No desenvolvimento deste tabalho, que envolve um contolado de caga de bateia baseado na topologia de um onveso - Bidiecional Buck-Boost, foam selecionados os seguintes objetivos paa seem estudados: i. desceve os pincipais elementos que compõem um sistema fotovoltaico dando-se ênfase às bateias chumbo-ácido utilizadas paa o amazenamento de enegia elética; ii. desceve o cicuito pincipal do onveso - Bidiecional paa se usado como ontolado de aga de Bateias; iii. apesenta uma estatégia de contole paa o geenciamento do fluxo de enegia dento do sistema, bem como o pocesso de caga do banco de bateias; iv. apesenta um modelo matemático, lineaizado, paa as etapas de opeação do onveso - Bidiecional, obtendo-se as funções de tansfeências paa auxilia o pojeto das malhas de contole; v. desceve as metodologias de pojeto das malhas de ealimentação de contole

18 APÍTULO - INTRODUÇÃO 6 adotadas no onveso - Bidiecional; vi. veifica a dinâmica das malhas de contole do conveso atavés de simulações no Pspice; vii. desceve as etapas paa implementação da topologia estudada paa obsevação do seu funcionamento;.5 Estutua do Tabalho O desenvolvimento desse tabalho que aboda o onveso - Bidiecional, que atua como ontolado de aga de Bateia em um sistema fotovoltaico, está dividida em capítulos confome sumaizados a segui: O apítulo faz efeência aos sistemas fotovoltaicos, abodando o funcionamento e as caacteísticas das células fotovoltaicas, os pincipais equipamentos que compõem o sistema e as topologias mais usuais. O apítulo 3 enfoca as caacteísticas, o funcionamento e o equacionamento do onveso Bidiecional - que seá desenvolvido paa atua como ontolado de aga de Bateia em um sistema fotovoltaico. O apítulo 4 desceve as etapas paa implementação do potótipo como: dimensionamento dos componentes, montagem do equipamento e veificação do seu funcionamento. O apítulo 5 elata os esultados e as conclusões alcançadas no desenvolvimento do tabalho, também são popostas sugestões paa tabalhos futuos com objetivo de apefeiçoamento do equipamento desenvolvido.

19 apítulo Elementos de um Sistema de Geação de Enegia Elética Fotovoltaico. Intodução Sistemas Fotovoltaicos de geação de enegia são sistemas que atavés de células fotovoltaicas convete a enegia luminosa dietamente em enegia elética. As células são conectadas ente si fomando os painéis fotovoltaicos, que são os componentes que caacteizam o sistema. Além dos painéis, outos equipamentos podem faze pate do sistema, como convesoes estáticos, bateias eletoquímicas e contoladoes de caga de bateia []. Ente as vantagens associadas aos sistemas fotovoltaicos, destaca-se sua vesatilidade, o que pemite pojetá-los paa divesas aplicações. Sua topologia é definida levando-se em consideação muitos fatoes com: localização geogáfica, condições climáticas, isolado ou conectado a ede de fonecimento de enegia da concessionáia, caacteísticas eléticas das cagas alimentadas pelo sistema e sua 7

20 APÍTULO - ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRIA FOTOVOLTAIO 8 aplicação [7]. Outas vantagens dos sistemas fotovoltaicos são a gande duabilidade dos painéis e a sua modulaidade. Esta última caacteística facilita o tanspote, a instalação e a ampliação dos sistemas fotovoltaicos. E ainda, po não possui peças móveis os sistemas fotovoltaicos equeem pouca manutenção []. Sob os aspectos elacionados ao meio ambiente, a geação de enegia pelos sistemas fotovoltaicos não emite nenhum tipo de esíduo ao meio ambiente além de seem fontes silenciosas. Isto pemite sua instalação peto dos consumidoes de enegia, que po sua vez contibui paa a edução das pedas na tansmissão da enegia elética geada. A edução pogessiva no custo de fabicação dos painéis fotovoltaicos, somado as suas vantagens, e ainda, a satuação, o impacto ao meio-ambiente e o aumento pogessivo no peço da enegia geada pelas fontes tadicionais como combustíveis fosseis e hidelética tem contibuído paa o aumento pogessivo do empego de sistemas fotovoltaicos na geação de enegia elética [5]. onhece as pincipais caacteísticas de um sistema fotovoltaico é um dos equisitos básico paa o desenvolvimento de tabalhos que busquem o apimoamento do seu funcionamento e de seus componentes. Este capítulo apesenta os pincipais equipamentos que compõem o sistema e as topologias mais usuais.. Pincipais Elementos dos Sistemas Fotovoltaicos Os sistemas fotovoltaicos são bastante flexíveis, podendo admiti muitas topologias de acodo com a aplicação. Os pincipais elementos que podem faze pate do pojeto de um sistema fotovoltaico de geação de enegia, além dos painéis, são: (i convesoes estáticos cuja finalidade é adequa a potência elética de saída dos painéis à

21 APÍTULO - ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRIA FOTOVOLTAIO 9 natueza das cagas alimentadas, (ii bateias eletoquímicas cuja taefa é amazena enegia e (iii contolado de caga de bateias que povidencia o caegamento seguo da enegia excedente nas bateias paa seu uso posteio []. A Figua. mosta o esquema de um sistema fotovoltaico composto po todos os elementos citados. Essa topologia é composta po dois baamentos, um baamento de tensão contínua, denominado de baamento e um baamento de tensão altenada, denominado baamento A. A enegia geada pelos painéis é tansfeida paa o baamento atavés dos convesoes estáticos - que mantém a tensão do baamento em um valo desejado. O banco de bateias está conectado ao baamento atavés do ontolado de aga de Bateia. Um conveso estático -A, que pode se tifásico ou monofásico, tansfee a enegia disponível no baamento paa o baamento A onde estão conectadas as cagas do sistema. O baamento A pode se também conectado a ede de enegia da concessionáia, desde que a legislação local pemita e que a qualidade de enegia no baamento A esteja dento das nomas estabelecidas pela concessionáia [], [8]. Figua. Diagama de conexão de um sistema fotovoltaico de geação de enegia elética.

22 APÍTULO - ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRIA FOTOVOLTAIO 0 Nas seções seguintes são detalhados mais especificamente cada uma das pates do sistema mostado na Figua.... O Painel Fotovoltaico O painel fotovoltaico é o esponsável po tansfoma a enegia luminosa sola em coente elética. Ele é fomado po células individuais conectadas ente si. ada célula fotovoltaica isoladamente tem capacidade limitada de podução de enegia elética e fonece um baixo nível de tensão. Potanto paa atende a demanda de enegia de gande pate dos equipamentos eléticos há necessidade de se associa váias células, atavés de ligações séie e paalelo, fomando-se assim os painéis fotovoltaicos. Os painéis fotovoltaicos podem, também, se conectados ente si, fomando-se os aanjos fotovoltaicos. Isso possibilita pojeto de sistemas de gande capacidade de geação de enegia elé tica [], []. As células fotovoltaicas são constituídas po mateiais semicondutoes. Os mateiais classificados como semicondutoes caacteizam-se po possuíem uma banda de valência totalmente peenchida po elétons e uma banda de condução totalmente vazia a tempeatuas póximas de zeo Kelvin. A sepaação ente as duas bandas de enegia pemitida dos semicondutoes, chamada de gap de enegia, é da odem de ev (eléton-volt. Isso faz com que os semicondutoes apesentem caacteísticas inteessantes. Uma delas é o aumento de sua condutividade com a tempeatua, devido à excitação témica de potadoes da banda de valência paa a banda de condução. Uma caacteística fundamental paa as células fotovoltaicas é possibilidade de fótons, na faixa do especto visível, com enegia supeio ao do gap de enegia do mateial, excitaem elétons à banda de condução. Este efeito, que pode se obsevado em semicondutoes puos, também chamado intínsecos, não gaante po si só o funcionamento de células fotovoltaicas. Paa obtê-las é necessáio uma estutua apopiada, paa que os elétons excitados possam se coletados, geando uma coente útil [].

23 APÍTULO - ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRIA FOTOVOLTAIO O elemento mais utilizado atualmente na fabicação das células fotovoltaicas é o Silício [4]. Os átomos de Silício caacteizam po possuíem quato elétons de ligação que se ligam aos vizinhos fomando uma ede cistalina. O cistal de Silício puo não possui elétons lives, potanto é um mal conduto elético. Paa altea isto, acescentam-se pocentagens de outos elementos a sua estutua molecula, este pocesso denomina-se dopagem. Mediante a dopagem do Silício com elementos da família V da tabela peiódica, como o Fósfoo, que contém 5 elétons na última camada, obtém-se um mateial com elétons lives ou mateial potado de cagas negativas denominado de Silício tipo n. Realizando o mesmo pocesso, mas acescentando elementos da família III, como o Boo, que contém 3 elétons de ligação, à estutua do mateial, obtém-se um mateial com caacteísticas invesas, ou seja, déficit de elétons ou mateial potado de caga positiva, denominado de Silício tipo p. Esta falta de elétons e denominada de buaco ou lacuna. Em um cistal de Silício puo, intoduzindo-se átomos de Boo em uma metade e de Fósfoo na outa, seá fomado o que se denomina junção pn. Na junção os elétons lives do lado n passam ao lado p onde encontam as lacunas que os captuam. Isso faz com que haja um acúmulo de elétons no lado p, tonando-o negativamente caegado e uma edução de elétons no lado n, que o tona eleticamente positivo. Estas cagas apisionadas dão oigem a um campo elético pemanente que dificulta a passagem de mais elétons do lado n paa o lado p. O pocesso alcança o equilíbio quando o campo elético foma uma baeia capaz de baa os elétons lives emanescentes no lado n. A Figua.(a ilusta o compotamento das cagas eléticas atavés da junção pn e a Figua.(b mosta o compotamento do campo elético sobe a junção pn.

24 APÍTULO - ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRIA FOTOVOLTAIO Figua. Junção semicondutoa: (a egião do cistal onde ocoe o acumulo de cagas e (b campo elético esultante da tansfeência de cagas atavés da junção pn. Se esta junção pn, mostada esquematicamente na Figua. (a, fo exposta a fótons com enegia supeio aquela pesente no gap do dispositivo ocoeá a geação de paes eléton-lacuna nessa egião. Se este fenômeno ocoe na egião onde o campo elético é difeente de zeo, as cagas seão aceleadas, geando assim, uma coente elética atavés da junção. Este deslocamento de cagas dá oigem a uma difeença de potencial que é chamada de efeito fotovoltaico. Então se as duas extemidades do cistal foem conectadas po um fio, haveá ciculação de uma coente elética unidiecional []. O modelo elético que epesenta um painel fotovoltaico ideal é mostado na Figua.3(a, onde a coente I P fonecida pelo painel a uma caga, é equivalente à associação de uma fonte de coente contínua I FV em paalelo com um diodo. Onde o módulo de I FV é popocional ao nível de insolação G que incide sobe a célula e o compotamento da coente pela junção pn é epesentado pela coente do diodo I D. O desempenho de um painel eal difee do ideal po apesenta alguns fatoes de pedas. Estas pedas são epesentadas pelas esistências em séie e em paalelo inseidas no modelo ideal. A esistência em séie se deve a esistividade do copo mateial, a esistência da lâmina da camada difundida e a esistência dos contatos metálicos. A esistência em paalelo se deve aos defeitos da junção que ocasionam coentes de pedas ao longo da junção []. A Figua.3(b apesenta o cicuito equivalente de um painel eal onde R S epesenta a esistência em séie e R P a

25 APÍTULO - ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRIA FOTOVOLTAIO 3 esistência em paalelo. Figua.3 icuito equivalente do painel fotovoltaico conectado a uma caga: (a modelo ideal e (b modelo eal. A Figua.4 mosta a cuva caacteística genéica da coente I P em elação a vaiação da tensão V P em um painel fotovoltaico. Nessa figua, I S é a coente de cuto-cicuito e epesenta a máxima coente que o dispositivo pode entega sob deteminadas condições de adiação e tempeatua com tensão nula; V O é a tensão de cicuito abeto e epesenta a máxima tensão que o dispositivo pode entega sob deteminadas condições de adiação e tempeatua com coente nula; P MP é o ponto de máxima potência e coesponde ao ponto da cuva no qual o poduto da tensão pela coente é máximo; I MP é a coente elativa ao ponto de máxima potência e que é utilizado paa defini o valo da coente nominal do dispositivo e V MP é a tensão elativa ao ponto da máxima potência e que é utilizado paa defini o valo da tensão nominal do dispositivo. Figua.4 uva caacteística genéica de tensão po coente de um painel fotovoltaico.

26 APÍTULO - ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRIA FOTOVOLTAIO 4 Do modelo mostado na Figua.3, a coente I P fonecida pelo painel a uma caga pode se equacionada em função da sua tensão de saída V P confome mostado a segui [9]. I P = I S [ K ( e m ( K ( V P ] (. K4 onde K = 0, 075, K =, m ( V O ( K 3 K ( ln 4 I S( + K IMP m =, K = ln 3 ln V MP V e O KIS + K K = 4 ln. K ontudo, (. é valida somente paa as ondições de Teste Padão, ST (do inglês Standad Test onditions, onde o nível de insolação é G ST = 000W/m e a tempeatua é T ST = 5. A potência poduzida pelo painel vaia de acodo com a quantidade de enegia luminosa que incide sobe ele e a sua tempeatua. Quando há vaiação no nível de insolação e na tempeatua, os novos valoes de coente e tensão que caacteizam o painel são dados espectivamente po: I P N = I + I (. P e, V P N = V + V, (.3 P Onde as vaiações da coente ( I e da tensão ( V são dadas po: G G I T ( T TST I S GST G = α + (.4 ST e,

27 APÍTULO - ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRIA FOTOVOLTAIO 5 ( T T R I V = β. (.5 T ST S onde β T é o coeficiente de tempeatua da tensão de cicuito abeto, R S é a esistência séie equivalente do painel e T é a tempeatua da célula fotovoltaica dada po: ( NOT T G =. (.6 T Ta + a, ef GNOT onde, T a é a tempeatua ambiente em ( ; NOT é a Tempeatua Nomal de Opeação da élula fotovoltaica definida paa as seguintes condições: nível de insolação G NOT =800W/m, tempeatua ambiente de efeência T a,ef =0 e velocidade do vento de m/s. O valo da NOT é fonecido pelo fabicante do painel. A Figua.5(a mosta a cuva tensão vesus coente e a Figua.5(b a cuva tensão vesus potência de um painel fotovoltaico modelado confome descito anteiomente paa difeentes níveis de insolação e uma tempeatua ambiente fixa e igual a 5. A Figua.6(a mosta a cuva tensão vesus coente e a Figua.6(b a cuva tensão vesus potência do painel fotovoltaico modelado paa difeentes valoes de tempeatua e paa uma insolação constante de 000W/m. Os paâmetos utilizados nas equações paa adquii estas às cuvas caacteísticas estão mostados na Tabela., estes paâmetos petencem à folha de dados do painel BP SX0. Tabela. Paâmetos do Painel Fotovoltaico BP SX0 paa ST. PARÂMETROS SÍMBOLO VALOR Potência máxima P MP 0W oente no ponto de máxima potência I MP 3,56A Tensão no ponto de máxima potência V MP 33,7V oente de cuto-cicuito I S 3,87A Tensão de cicuito abeto V O 4.V oeficiente de tempeatua da I S α T,5mA/ oeficiente de tempeatua da V O β T -60mV/ Tempeatua nomal de opeação NOT 47

28 APÍTULO - ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRIA FOTOVOLTAIO 6 Figua.5 uvas caacteísticas do painel fotovoltaico, vaiação com a insolação: (a tensão x coente e (b tensão x potência (os símbolos ( nas cuvas indicam os pontos de máxima potência. Figua.6 uvas caacteísticas do painel fotovoltaico, vaiação com a tempeatua: (a tensão x coente e (b tensão x potência (os símbolos ( nas cuvas indicam os pontos de máxima potência... onvesoes Estáticos Os convesoes estáticos possuem a taefa de adequa a potência elética disponível em deteminados pontos do sistema paa uma outa foma estável desejada. Atavés de uma estatégia de comando paa abetua e fechamento de suas chaves semicondutoas de potência os convesoes estáticos são capazes de eleva ou abaixa

29 APÍTULO - ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRIA FOTOVOLTAIO 7 um deteminado nível de tensão ou coente contínua, tansfoma uma tensão altenada em contínua ou uma tensão contínua em altenada com a amplitude e feqüência desejadas. Os convesoes estáticos podem opea no modo tensão ou no modo coente. No modo tensão a vaiável de contole é a tensão de saída e o conveso opea como uma fonte de tensão. No modo coente a vaiável de contole é a coente de saída e o conveso opea como uma fonte de coente equivalente. Nos sistemas fotovoltaicos utilizam-se basicamente dois tipos de convesoes estáticos: (i convesoes - e (ii convesoes -A.... onvesoes Estáticos - Os convesoes estáticos - são dispositivos que ecebem um nível de tensão ou de coente contínua nos seus teminais de entada e ajustam paa um outo valo de tensão ou de coente contínua nos teminais de saída de acodo com as exigências do sistema. Existem duas topologias básicas de convesoes estáticos - que são: (a conveso abaixado de tensão, também denominado na liteatua como Step-down ou Buck e (b conveso elevado de tensão, também conhecido como Step-up ou Boost [0]. A Figua.7(a mosta a topologia de um conveso abaixado de tensão enquanto que a Figua.7(b mosta a topologia de um conveso elevado de tensão. Nessas duas figuas S epesenta a chave estática de potência, D é um diodo de potência, L é um induto paa amazenamento de enegia, é um capacito que atua como filto de saída, i L (t é a coente sobe o induto, V i é a tensão de entada e V 0 é a tensão de saída fonecida a caga R. Os convesoes - chaveados possuem dois modos de opeação de acodo com a coente i L (t que cicula pelo induto L que são: (i modo de condução contínua (M onde a coente i L (t é sempe maio que zeo duante um peíodo de chaveamento e (ii modo de condução descontínua (MD onde a coente i L (t é zeo po alguns instantes do peíodo de chaveamento [0].

30 APÍTULO - ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRIA FOTOVOLTAIO 8 Figua.7 - Topologias básicas dos convesoes estáticos -: (a conveso buck e (b conveso boost. Os convesoes estáticos - em um sistema fotovoltaico fazem a ligação dos painéis ao baamento de coente contínua onde seão conectadas as cagas de coente contínua. Os convesoes podem exece dupla função no sistema fotovoltaico, a pincipal é adequa o nível de tensão geado nos teminais do painel no nível de tensão desejado no baamento, possibilitando com isso padoniza a tensão dos equipamentos que seão conectados ao baamento. A outa função que pode se incopoada aos convesoes estáticos - que conectam os painéis fotovoltaicos ao baamento é a função de seguido do ponto de máxima potência do painel, denominada pela sigla MPPT (do inglês, Maximum Powe Point Tacke. O ponto de máxima potência de um painel vaia com o nível de insolação e com a tempeatua, como mosta os gáficos da Figua.5(b e Figua.6(b espectivamente. O MPPT possibilita extai a máxima potência geada pelos painéis fotovoltaicos em difeentes condições de insolação e de tempeatua. Os dispositivos MPPT funcionam basicamente da seguinte foma, os teminais do aanjo fotovoltaico são conectados à entada do conveso. Atavés de um algoitmo de contole que atua sobe a chave S, vaia-se o valo da tensão de entada, conseqüentemente a coente de entada também vaia, até que o poduto da tensão pela coente na entada do conveso seja máximo. Esse contole é feito continuamente pelo algoitmo, paa que se possa extai sempe a máxima potência que pode se geada pelos painéis sob deteminadas condições de insolação e tempeatua []. Existem váios algoitmos paa o asteamento do ponto de máxima potência

31 APÍTULO - ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRIA FOTOVOLTAIO 9 aplicado ao contole do conveso - em sistemas fotovoltaicos, a Figua.8 apesenta o fluxogama do algoitmo Incemental ondutance poposto em []. O algoitmo pocede da seguinte foma: pimeio, ele lê os valoes atuais da tensão V(k e da coente I(k na entada do conveso, em seguida, calcula os desvios dv e di, subtaindo a leitua atual pelos valoes de tensão V(k- e coente I(k- obtidos na leitua anteio, espectivamente. Se dv e di foem iguais a zeo tem-se que o painel está opeando no ponto de máxima potência do painel e o algoitmo etonaá ao início. aso dv seja igual a zeo e di>0, o algoitmo somaá ao valo de tensão de efeência V REF um incemento de tensão V, mas se di<0, o algoitmo subtai de V REF o incemento V. Já se dv fo difeente de zeo, o algoitmo vai compaa a azão di/dv com -I(k/V(k. Neste caso, se di/dv fo igual a -I(k/V(k o algoitmo etona ao início, pois o conveso está asteando no ponto de máxima potência. Po outo lado, se di/dv fo maio que -I(k/V(k o algoitmo somaá a V REF o incemento V e se di/dv fo meno que -I(k/V(k o algoitmo subtai de V REF o incemento V. Figua.8 Fluxogama do algoitmo Incemental ondutance.

32 APÍTULO - ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRIA FOTOVOLTAIO 0... onvesoes Estáticos -A Os painéis fotovoltaicos geam coente elética unidiecional, ou seja, coente contínua, poém gande pate dos equipamentos eléticos é padonizada paa se conectada dietamente à ede de alimentação de coente altenada das concessionáias de enegia. Paa que estes equipamentos possam se utilizados em sistemas fotovoltaicos é necessáia à utilização de um dispositivo que conveta coente contínua ( em coente altenada (A. Estes equipamentos são denominados na liteatua como convesoes estáticos -A, ou mais comumente invesoes [0]. Dependendo da natueza da fonte unidiecional conectada nos teminais dos invesoes eles são classificados como invesoes tipo fonte de tensão (VSI do inglês Voltage Souce Invetes ou invesoes tipo fonte de coente (SI do inglês uent Souce Invetes []. Existe uma gande vaiedade de topologias de convesoes -A os quais podem se monofásicos ou tifásicos. A Figua.9(a mosta a topologia básica de um conveso -A monofásico composto po um único amo de chaves semicondutoas e a Figua.9(b a topologia de onveso -A tifásico composto po tês amos de chaves semicondutoas com diodos conectados em antipaalelo. Figua.9 Topologias dos convesoes estáticos -A: (a monofásico e (b tifásico. Maioes detalhes sobe este tipo de invesoes e sobe estatégias de contole e de eliminação hamônica podem se achados em [8], [].

33 APÍTULO - ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRIA FOTOVOLTAIO..3 Elemento de Amazenamento de Enegia A podução de enegia atavés de painéis fotovoltaicos é dietamente popocional ao nível de insolação que incide sobe ele, dessa foma nos momentos de gande insolação haveá gande podução de enegia, nos momentos com pouca insolação haveá pouca podução de enegia e ainda nos peíodos sem insolação não haveá podução de enegia pelos painéis. Assim ocoeão momentos em que a enegia equeida pelas cagas seá meno que a enegia geada e em outos a enegia geada seá insuficiente paa alimenta as cagas do sistema. omo, em gande pate dos sistemas o consumo de enegia não pode acompanha a vaiabilidade da geação dos painéis, então haveá a necessidade de se adapta a cuva de geação do painel a cuva de consumo de enegia do sistema. As bateias eletoquímicas são uma impotante foma de amazenamento de enegia que pode se utilizada em sistemas fotovoltaicos, pois elas são capazes de tansfoma dietamente enegia elética em enegia potencial química e posteiomente convete, dietamente, a enegia potencial química em enegia elética. As bateias, também chamadas de acumuladoes eletoquímicos, são classificadas em duas categoias: (i bateias pimáias e (ii bateias secundáias. Bateias pimáias são dispositivos eletoquímicos que, uma vez esgotados os eagentes que poduzem a enegia elética, são descatadas, pois não podem se ecaegadas. Já as bateias secundáias podem se egeneadas, ou seja, atavés da aplicação de uma coente elética em seus teminais pode-se evete às eações esponsáveis pela geação de enegia elética e assim ecaega novamente a bateia [3]. Os sistemas fotovoltaicos de geação de enegia elética utilizam acumuladoes secundáios, ou seja, bateias que podem se ecaegadas. Ente inúmeos tipos de bateias secundáias as mais comuns são as chumbo-ácido e as níquel-cádmio []...3. Bateia humbo-ácido A bateia chumbo-ácido é a mais utilizada paa amazenamento de enegia nos

34 APÍTULO - ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRIA FOTOVOLTAIO sistemas fotovoltaicos devido pincipalmente ao seu baixo custo em compaação aos outos tipos de bateias e a sua gande disponibilidade no mecado [4]. Bateias humbo-ácido são assim denominadas, pois a sua matéia ativa é o chumbo e seus compostos, e o eletólito é uma solução aquosa de ácido sulfúico. A bateia é composta po elementos ou células, esses elementos são constituídos po duas placas de polaidades opostas, isoladas ente si, banhadas pelo eletólito. Os elementos são inteligados convenientemente no inteio da bateia de foma a defini sua tensão e capacidade nominal. A tensão nominal de um elemento de uma bateia humbo-ácido é V. A Figua.0 mosta a estutua de uma bateia chumbo-ácido etiado do catálogo de bateias chumbo-ácido Moua [5]. O pocesso químico de geação de eleticidade atavés de eações químicas tem o nome de Oxidação e Redução. Os átomos possuem elétons de valência, ou seja, aqueles que vão se tocados ou compatilhados com outos átomos paa fomação de compostos duante as eações químicas. Quando o elemento da eação pede elétons ele se oxida e é chamado de Agente Reduto e o pocesso é chamado de Redução. Po outo lado, o elemento da eação que ganha elétons é chamado de Agente Oxidante e o pocesso de Oxidação [], [3].

35 APÍTULO - ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRIA FOTOVOLTAIO 3 Figua.0 Estutua de uma Bateia humbo-ácido selada. Duante os pocessos de descaga e caga de uma bateia chumbo-ácido, ocoe tanto o pocesso de Oxidação quanto de Redução. Na oxidação o chumbo (Pb que compõe a placa de polaidade negativa eage com o ácido sulfúico (H SO 4 fomando sulfato de chumbo (PbSO 4 e cátion de Hidogênio (H +, confome mostado a segui: Pb + H SO 4? PbSO 4 + H+ + e- + 0,356V (.7 Na edução o dióxido de chumbo (PbO que compõe a placa de polaidade positiva eage também com o ácido sulfúico (H SO 4 mais o cátion de Hidogênio (H + tendo como poduto final dessa eação sulfato de chumbo (PbSO 4 mais água (H O, confome a equação química a segui: PbO + H SO 4 + H+ + e-? PbSO 4 + H O +,685V (.8 A eação química completa duante a descaga da bateia e o potencial elético poduzido pela eação são dados po: PbO + Pb + H SO 4? PbSO 4 + H O +,04V (.9 Toda eação química cujo potencial elético é positivo ocoe espontaneamente, ou seja, fechando-se um cicuito atavés dos pólos da bateia haveá ciculação de coente. Paa egeneação do potencial eletoquímico da bateia ocoe a eação invesa onde o sulfato de chumbo eage com a água duante a passagem de uma coente elética no sentido oposto, obtendo-se novamente dióxido de chumbo, chumbo puo e ácido sulfúico. A eação química completa e o seu potencial elético poduzido duante o pocesso de caga da bateia são dados po:

36 APÍTULO - ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRIA FOTOVOLTAIO 4 (.0 PbSO 4 + H O? PbO + Pb + H SO 4 -,04V A capacidade de uma bateia chumbo-ácido é a quantidade de caga elética, expessa em Ampèe-hoa (Ah. Essa capacidade é obtida atavés de um ensaio de descaga com coente constante até a tensão final de descaga po elemento efeido a tempeatua de 5. Deste modo à capacidade da bateia é o poduto da coente em Ampèes pelo tempo em hoas coigido paa a tempeatua de efeência. A capacidade nominal ( é definida paa um egime de descaga de 0 hoas com coente constante, à tempeatua de 5, até a tensão final de,75v po elemento []. É denominado ciclo um pocesso de descaga seguido de um pocesso de caga que estabeleça completamente a capacidade da bateia. A vida útil de uma bateia pode se definida pelo númeo de ciclos que ela pode ealiza []. Um paâmeto impotante na escolha de uma bateia chumbo-ácido é sua pofundidade de descaga. A pofundidade de descaga define o pecentual em elação a sua de capacidade nominal que uma bateia pode fonece sem que seja compometida sua vida útil. Existem bateias chumbo-ácido de baixa pofundidade de descaga, empegadas pincipalmente em automóveis, e bateias de alta pofundidade de descaga, que são as mais indicadas paa aplicação nos sistemas fotovoltaicos de geação de enegia elética []. O gáfico da Figua., obtido da folha de dados de uma bateia de ciclo pofundo [6], mosta a elação ente a pofundidade média diáia de descaga e o númeo de ciclos que a bateia é capaz de ealiza duante sua vida útil. Descagas que ultapassam a pofundidade de descaga da bateia chumbo-ácido diminuem o seu tempo de vida útil e uma descaga muito pofunda pode tona o pocesso químico ievesível finalizando o tempo de opeação da bateia. Paa aumenta a duabilidade das bateias chumbo-ácido é peciso caegá-las adequadamente, confome as

37 APÍTULO - ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRIA FOTOVOLTAIO 5 ecomendações dos fabicantes, antes que sua descaga alcance níveis supeioes aos pé-estabelecidos paa a sua pofundidade de descaga [8], [9]. Figua. Gáfico da elação ente a pofundidade média diáia de descaga duante um ciclo e o númeo de ciclos. Um outo poblema elacionado com o pocesso de descaga da bateia, que contibui paa degadação da vida útil das bateias chumbo-ácido é a sulfatação. A sulfatação é a fomação de cistais de sulfato de chumbo nas placas dos elementos. Os cistais vão acumulando sobe as placas fomando uma baeia ente o eletólito e o mateial ativo das placas. Paa minimiza a sulfatação deve-se evita mante a bateia descaegada po longos peíodos de tempo, caegamentos paciais polongados e a opeação contínua em tempeatuas acima de 45 [7]. O pocesso de caga também pode danifica as bateias. Duante o pocesso de caga a tensão nos teminais da bateia sobe lentamente até atingi um deteminado valo de tensão quando cessa a acumulação de enegia na bateia. A pati desse ponto, caso não se inteompa a coente de caga, a bateia passa a consumi toda a enegia entegue ealizando a eletólise da água contida no eletólito. Isso ocasiona peda excessiva de água esultando no aumento da necessidade de manutenção paa eposição de água na bateia [0].

38 APÍTULO - ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRIA FOTOVOLTAIO Bateia Níquel-cádmio Um outo tipo de bateia secundáia também empegada nos sistemas geação de enegia elética fotovoltaicos são as bateias níquel-cádmio. Essas apesentam uma estutua física semelhante à das bateias chumbo-ácido. Poém, ao invés de placas de chumbo, elas utilizam hidóxido de níquel paa as placas positivas (Ni(OH, óxido de cádmio (d(oh paa as placas negativas e o eletólito é o hidóxido de potássio []. A eação química completa duante a descaga da bateia e o potencial elético poduzido pela eação são dados po. d + NiO + H O? d(oh + Ni(OH +,3V (. A tensão nominal de um elemento de uma bateia Níquel-cádmio é de,3v a 0. Em compaação com as bateias chumbo-ácido as bateias níquel-cádmio são menos afetadas po sobecagas e podem se totalmente descaegadas, não estando sujeitas a sulfatação e o seu caegamento não sofe influencia da tempeatua []. Em conta patida possuem um custo mais elevado que as bateias chumbo-ácido...4 Elemento de Regulação de aga de Bateia Nos sistemas fotovoltaicos que utilizam bancos de bateias paa amazenamento de enegia é indispensável à utilização de um equipamento esponsável po monitoa e contola os pocessos de caga e descaga das bateias [8], []. Este equipamento é denominado na liteatua po ontolado de aga de Bateia. O contolado de caga é um dispositivo que contola e monitoa o pocesso de caga e de descaga das bateias, evitando sobecagas que possam danifica e aumenta a necessidade de manutenção das mesmas, e descagas pofundas que diminuam sua vida útil.

39 APÍTULO - ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRIA FOTOVOLTAIO 7 Os contoladoes de caga de bateia possuem a finalidade básica de potege a bateia e conseqüentemente aumenta a sua vida útil. Paa tal, os contoladoes de caga são compostos basicamente po dois cicuitos: (a um cicuito de contole e (b um cicuito de comutação. O cicuito de contole monitoa as gandezas do sistema, como a tensão, a coente e a tempeatua na bateia, pocessa essas infomações e gea sinais de contole que são usados paa comanda o cicuito de comutação. O cicuito de comutação é composto po chaves semicondutoas que contolam a tensão e/ou a coente de caga ou descaga das bateias. O cicuito de contole é a pate fundamental dos contoladoes de caga, pois é atavés dele que se pode defini uma estatégia de contole adequada paa o tipo e o modelo de bateia empegada no sistema, maximizando a duabilidade da bateia e aumentando a confiabilidade do sistema. O ontolado de aga de Bateia pode usa contole analógico constituído po elementos discetos e cicuitos integados dedicados; ou contole digital, implementado po micopocessado ou pocessado digital de sinais. As pincipais funções que são atibuídas aos contoladoes de caga de bateia em um sistema fotovoltaico de geação de enegia elética são: (i povidencia o caegamento completo da bateia, (ii evita sobecaga na bateia, (iii bloquea coente evesa ente a bateia e o painel e (iv peveni descagas pofundas (no caso das bateias chumbo-ácido...4. Pocesso de aga Povidencia o caegamento completo da bateia exige do contolado uma elaboada estatégia de contole, na qual seja possível caega a bateia, dento de seus limites, o mais ápido possível já que o peíodo diáio de geação de enegia pelo painel fotovoltaico é limitado []. Paa se obte um ápido, seguo e completo pocesso de caga da bateia