ESTUDO DE BATERIAS DE CICLO PROFUNDO SOB DIFERENTES REGIMES DE OPERAÇÃO

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1 ESTUDO DE BATERIAS DE CICLO PROFUNDO SOB DIFERENTES REGIMES DE OPERAÇÃO Andréia Crico dos Santos 1,2, Cassio Bruno de Araujo 1,2, Sebastião Camargo Guimarães Júnior 2 (Dr.) 1 Programa de Educação Tutorial-PET/Eng.Elétrica, 2 Núcleo de Eletricidade Rural e Fontes Alternativas de Energia (NERFAE) Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elétrica, Uberlândia-MG. andreia.crico@gmail.com, cassio.ufu@gmail.com, scguimaraes@ufu.br. Resumo A produção e o consumo de energia, na maioria dos sistemas elétricos, são concomitantes. Em alguns casos, contudo, há a necessidade de armazenamento, seja para garantir a confiabilidade da alimentação ou para viabilizar a utilização de fontes intermitentes de energia. Ilustrando o primeiro caso, podem-se citar os grandes data centers (centros de processamento de dados), ou mesmo os ambientes hospitalares, onde se encontram cargas muito sensíveis a perturbações na rede. Para o segundo caso, tem-se como exemplo os sistemas eólicos e fotovoltaicos, nos quais a geração não está disponível durante todo o tempo. Na maioria das vezes, o armazenamento é realizado por meio de células eletroquímicas. Nesse sentido, este trabalho visa apresentar uma análise acerca do desempenho de baterias de chumbo-ácido de ciclo profundo, sob diferentes regimes de operação. Objetiva-se também discorrer sobre alguns problemas comuns e suas possíveis soluções. Palavras-Chave baterias, chumbo-ácido, ciclo profundo, estacionárias, eletricidade, armazenamento. DEEP CYCLE LEAD-ACID BATTERIES UNDER DIFFERENT LOAD CONDITIONS Abstract In most cases, the electricity generation and consumption occur simultaneously. Sometimes, however, energy storage may be required, either to improve a system s reliability or to allow the use of some kind of intermittent source. Both large data centers and hospital environments, where high sensitive electric loads are easily found, can illustrate the former. Photovoltaic and wind systems in which the generation is not available all day long are also good examples for the latter. Most of time, the storage is provided using chemical cells. Thus, the aim of this paper is to study the deep cycle lead-acid batteries, from its chemical reactions to its electrical behavior under different load conditions. It is also an objective to understand the main operational issues and the ways to avoid them. 1 Keywords batteries, deep cycle, energy storage, electricity, lead-acid, stationary. I. INTRODUÇÃO A. Reações químicas nas baterias de chumbo-ácido Baterias, ou acumuladores, são dispositivos constituídos pela associação de vasos interligados em série ou paralelo. Um vaso ou elemento é um conjunto de duas ou mais placas de polaridades opostas, isoladas entre si e banhadas pelo mesmo eletrólito, num mesmo recipiente. Para evitar um curto-circuito entre as placas positivas e negativas, são introduzidas lâminas de material poroso e isolante, denominadas de separadores. Proposta primeiramente pelo físico francês Raymond Gaston Planté, em 1859, as baterias de chumbo-ácido são formadas por eletrodos de chumbo e dióxido de chumbo mergulhados em solução eletrolítica de ácido sulfúrico. Baterias de são compostas por uma associação de seis células em série, sendo a tensão nominal de cada célula. O processo químico que ocorre durante a descarga dessas baterias pode ser representado pelas equações: Placa negativa: Placa positiva: Reação Global: Durante o procedimento de carga, uma corrente deve passar pela célula de forma que os eletrodos sejam reconstituídos. Tal processo pode ser representado pelas equações: Placa negativa: Placa positiva: Reação Global: (1) (2) (3) (4) (5) (6) Como a reação global que representa a descarga possui água como produto, a densidade relativa da solução ácida diminui à medida que a bateria vai sendo descarregada. Já durante o procedimento de carga, a solução se torna mais

2 densa, visto que água é consumida. Desta forma, a quantidade de carga da bateria pode ser estimada pela densidade do eletrólito que varia entre aproximadamente 1,15 g/cm 3 (quando completamente descarregada) e 1,21 g/cm 3 (quando completamente carregada). B. Baterias Automotivas e Baterias de Ciclo Profundo Tanto as baterias de ciclo profundo, também conhecidas como estacionárias, quanto as automotivas, são de chumboácido e apresentam as mesmas equações químicas de operação. A principal diferença entre ambas é estrutural, já que as primeiras são constituídas por placas mais finas, enquanto as últimas são formadas por placas mais espessas. As baterias automotivas são do tipo arranque, projetadas para oferecer uma grande quantidade de corrente por um curto período de tempo, necessidade que ocorre no momento da partida. Depois que o motor é ligado, o alternador oferece a energia que o carro precisa e, com isso, uma bateria automotiva pode passar todo o seu tempo de duração sem ter usado mais de 20% de sua capacidade total. Toda vez que ela é completamente descarregada, sua vida útil é diminuída. Baterias estacionárias são próprias para oferecer quantidade constante de corrente por um longo período de tempo e também são ideais para uso em situações que possam requisitar o descarregamento completo por várias vezes. Contudo, ao requisitar uma alta corrente de uma bateria estacionária (como a que ocorre durante uma partida de carro), sua vida útil irá diminuir. C. Uso em Sistemas de Nobreaks Nobreaks são dispositivos com capacidade de armazenamento e processamento de energia elétrica, capazes de suprir por certo tempo as cargas a eles conectadas quando da ocorrência de um distúrbio na alimentação principal. A maioria das versões comerciais utiliza baterias de chumboácido como estoque energético, havendo produção em série para modelos de potência superior a. Devido à alta eficiência dos estágios eletrônicos (da ordem de ou mais) [2] e também do armazenamento (entre e, para células de chumbo-ácido) [1], mesmo em sistemas com geração complementar (ex.: geradores a diesel), é comum deixar o nobreak alimentando a carga permanentemente. Devido a algumas características intrínsecas dos motores à combustão, os geradores com esse tipo de acionamento tendem a apresentar oscilações na forma de onda da tensão de saída, e em alguns casos a ciclo conversão (leia-se retificação e posterior inversão) promovida pelo sistema nobreak é preferida. Na Figura 1 é ilustrado um sistema desse tipo. momento. Dependendo do arranjo série-paralelo das células, ter-se-á, nessas, grandes valores de corrente circulante. Além disso, não raras vezes a persistente indisponibilidade por parte da rede levará a descargas profundas no banco de baterias. Esses dois fenômenos, a curto e a médio prazo, respectivamente, comprometerão a oferta final de energia. O cálculo do sistema de armazenamento deve compreender, dessa forma, um estudo minucioso das cargas alimentadas e da frequência da ocorrência de distúrbios elétricos. D. Parâmetros das Baterias (ou de bancos) Comerciais A especificação técnica de uma (um banco de) bateria(s) geralmente é a última etapa de um projeto de engenharia. Isso porque alguns dados relativamente específicos da planta são decisivos na escolha, a não ser quando as questões econômicas e espaciais forem irrelevantes (caso em que o superdimensionamento seria permitido). Basicamente, devem ser conhecidas as informações: (i) curva de carga de um dia de trabalho típico; (ii) curva de carga para os principais tipos de distúrbios (caso muito se diferenciem) assim como (iii) sua frequência. Com esses dados e as devidas considerações a respeito dos processos de conversão e/ou inversão, pode-se determinar a potência do banco, assim como o montante de energia a ser fornecido em casos de inexistência de alimentação complementar. A seguir são listadas algumas questões a respeito da especificação do sistema de armazenamento. 1) Capacidade em Ah - Matematicamente, esse valor é o produto entre uma dada corrente e o tempo durante o qual a bateria poderia fornecê-la, a partir do estado de carga total e sem comprometimento imediato da vida útil. A energia E armazenada na bateria pode ser calculada pela Equação (7): (7) Considerando-se uma descarga à corrente constante, e negligenciando-se a variação de tensão nesse processo, temse que o produto daquela pelo tempo é constante. Essa conclusão é usada pelos fabricantes para expressar o poder energético da célula comercializada. Por exemplo, os automóveis vêm de fábrica com baterias da ordem de. Poder-se-ia concluir que, sendo solicitada uma corrente de, a autonomia da bateria seria de 60h, ou ainda, 30h para uma corrente de. Contudo, a eficiência de uma célula eletroquímica varia de acordo com a velocidade em que as reações de oxidação e redução ocorrem, também devendo ser consideradas as perdas em sua resistência interna. Por isso, as baterias de chumbo-ácido devem ter listado em seu corpo o regime para o qual vale a relação estabelecida. Normalmente o valor apresentado comercialmente é aquele para um ensaio de. Fig. 1. Esquema básico de um sistema nobreak. A alimentação por parte da rede não foi ilustrada aqui. No caso de algum distúrbio na rede elétrica (incluindo sua perda), toda a energia passa a ser retirada do banco de baterias, a taxas que dependem da carga ativa ligada no

3 TABELA I Capacidade (Ah) em função da corrente para uma bateria de 12V, 45Ah, de ciclo profundo. Fonte: Acumuladores Moura S.A. [5] Tempo de descarga (h) Capacidade (Ah) ) Potência do Banco de Baterias: Devido à baixa resistência interna de uma célula de chumbo-ácido [1], a aplicação do teorema de máxima transferência de potência apontaria valores de corrente certamente danosos ao elemento eletrolítico. A especificação da máxima potência de uma bateria engloba, tecnicamente, uma análise da eficiência na conversão eletroquímica e, a médio prazo, do prejuízo na vida útil em função da extrapolação do regime de 20h (tomado como base para a maioria das análises). Sendo o número de arranjos, dispostos em paralelo, cada qual composto de baterias em série, tem-se: Força Eletromotriz total: (8) Resistência total: (9) Corrente: (10) Perdas totais: (11) A Equação (11) mostra que à medida que se adicionam mais baterias ao arranjo, as perdas joulicas diminuem, contribuindo para a eficiência global do sistema de armazenamento. Apesar da equação não apontar nenhuma vantagem imediata entre um tipo ou outro de ligação, é recomendável se priorizar o paralelismo, contribuindo para a elevação da confiabilidade do sistema. São comuns, ainda, situações em que a carga (leia-se: primeiro estágio após o armazenamento) exige um valor de tensão específico, fixando assim o número m de baterias em série. Na Figura 2 é mostrado um esquema ilustrativo destas possíveis conexões. II. DESCARGA Neste tópico são apresentados os principais detalhes sobre a utilização de baterias de chumbo-ácido em regime de descarga profunda. A. Limites de descarga Durante o processo de descarga, em ambos os eletrodos ocorre a deposição de sulfato de chumbo à medida em que se sacrificam o chumbo e o dióxido de chumbo. A diferença de potencial nula seria atingida quando todo o sólido original se esgotasse, estando as duas placas compostas de um mesmo material. Na prática, contudo, a descarga é finalizada bem antes disso. B. Ensaios de Descarga de uma bateria de chumbo-ácido de ciclo profundo 1) Comportamento da Tensão Na Figura 3 é apresentada a curva resultante para um ensaio de descarga, à corrente constante, de uma bateria de ciclo profundo. Os valores estão em p.u. (por unidade), e as grandezas bases são a tensão nominal e a corrente para o regime de 20h. Analisando o gráfico da tensão, percebe-se que sua variação se dá a uma taxa lenta e constante, até o valor de 11,4V (em torno de 1,9V por célula). A partir de então, a queda ocorre de forma mais intensa, até se atingir o valor próximo de 10,8V (1,8V por célula), quando a bateria deve ser recarregada. Qualquer solicitação de corrente além desse ponto fará a tensão cair drasticamente. Fig. 3. Variação na terminal de uma bateria estacionária de chumbo-ácido, 12V, 45Ah, em regime de 20h. 2) Rendimento - Através da multiplicação e posterior integração numérica da curva da Figura 3, foi possível encontrar um rendimento energético de, o qual está dentro da faixa prática para baterias de chumbo-ácido [1]. Outro fator de uso corriqueiro na área de acumuladores é o rendimento de corrente, determinado pela Equação (12): (12) Fig. 2. Exemplo de um banco de baterias, sem ramificações (conexões intermediárias). Para o ensaio em questão, o valor encontrado para foi de 86%. A diferença entre e pode ser facilmente compreendida, dado o fato de que a carga é realizada em uma tensão maior que a descarga, requerendo assim mais energia. A corrente em que a descarga se realiza influencia intensamente o rendimento da célula. Além do aumento imediato das perdas de origem joulica, há também o prejuízo das reações eletroquímicas, cuja velocidade é limitada por

4 fatores físicos da célula, como, por exemplo, a área de contato entre o eletrodo e a solução. Na Figura 4 são mostrados os resultados de duas descargas realizadas em regime de e, de uma bateria de. houve melhoras quanto às perdas joulicas e eletroquímicas, o que compensou o rendimento final. Fig. 4. Variação na energia total entregue para diferentes regimes de operação ( e ). A energia entregue pela bateria no segundo ensaio foi de aproximadamente do valor obtido no primeiro. Ou ainda, os rendimentos energético e de corrente caíram para e, respectivamente. Interpolando os valores médios de alguns ensaios e comparando com informações de catálogo de outros fabricantes [4], foi possível chegar, de forma empírica, à Equação (13), que estima a capacidade fornecida por uma célula de acordo a sobrecorrente. Os valores base são a capacidade nominal e a corrente de descarga correspondente (geralmente, aquela que causaria um regime de ). (13) 3) Associação Paralela Como esse tipo de ligação ocorre na maioria dos bancos de baterias, foi feita uma análise sobre o comportamento de um conjunto em paralelo. Para tal, foram selecionadas duas baterias tipo estacionárias, de capacidade e tensão (6 células em série). Quando dois ou mais (leia-se n) conjuntos permanecem conectados por um longo tempo, o equilíbrio de carga e tensão interna é atingido, e pode-se considerar que cada ramo série contribui com aproximadamente a enésima parte da corrente de operação. Isso permite então que qualquer análise de rendimento, aquecimento ou vida útil possa ser feita individualmente. Nesse trabalho, resolveu-se analisar um caso extremo de operação conjunta, onde uma bateria totalmente descarregada foi associada diretamente a uma com carga total. Após certo tempo de troca (até que se atinja o equilíbrio), o conjunto foi colocado para alimentar uma carga em regime de. Na Figura 5 é mostrada a corrente que surgiu após esta associação e antes da aplicação da descarga total. Integrando as curvas de tensão e corrente, foi possível avaliar que a bateria carregada entregou cerca de 30% de sua capacidade à outra bateria, até que a corrente se estabilizou em (cerca de ). A análise final dos resultados não evidenciou nenhuma queda de performance em relação à operação com um único elemento. Na verdade, o caso estudado é uma situação extrema, onde foi acrescentado um estágio à operação comum (aquele onde se deram as trocas), o que prejudicaria o rendimento global. Contudo, pelo fato de, na descarga, os dois elementos estarem em paralelo, Fig. 5. Comportamento da corrente entre duas baterias, com diferentes estados de carga, conectadas em paralelo. III. CARGA A. Especificações de Parâmetros De forma geral, para a realização de qualquer procedimento que envolva o uso de baterias, devem ser observados os níveis de tensão e corrente aos quais os acumuladores estão submetidos, a fim de se evitar problemas como a redução de vida útil, ou até mesmo a perda total do dispositivo. A fim de direcionar a realização do controle necessário, alguns níveis de tensão e corrente são definidos conforme indicado nas Tabelas II e III, respectivamente. Os valores apresentados são considerados para temperatura de 25 o C. TABELA II Níveis de Tensão nas baterias Estados Tensão de cada célula Descarregado Abaixo de 1,75V (V DP ) Equalização (recarga) Entre 2,36 e 2,40V (V EQ) Flutuação (nominal) Entre 2,15 e 2,20V (V FLUT) Sobretensão (sobrecarga) Acima de 2,70V TABELA III Níveis de Corrente nas baterias Denominação da corrente Valor Recarga 10% da capacidade nominal (I MRP ) Descarga profunda 1% da capacidade nominal (I DP ) Flutuação I MRP/5 (I FLUT) B. Método dos Quatro Estágios para Recarga de Baterias O procedimento proposto pelo Método dos Quatro Estágios [3] permitiu que os valores de tensão e corrente, constantemente monitorados, fossem mantidos dentro de intervalos adequados, de forma a garantir segurança à integridade dos dispositivos e eficiência satisfatória dos processos realizados. Além disso, apresentou-se bastante eficiente por utilizar, durante certo intervalo, corrente constante para recarregar rapidamente as células de chumboácido e, durante etapa oportuna, tensão constante, com o intuito de recuperar a capacidade completa da bateria. Os quatro estágios de carga propostos pelo método são descritos a seguir.

5 1) Primeiro Estágio Carga Lenta: Esta fase só deve ser executada se a tensão inicial da bateria estiver abaixo da tensão de descarga profunda (V DP ). Nesse caso, deve ser aplicada a corrente de descarga profunda (I DP ) até a tensão atingir o valor V DP. 2) Segundo Estágio Carga rápida: Caso a tensão inicial da bateria não esteja em nível inferior a V DP, o processo de carga se inicia nesta etapa, a qual consiste na aplicação de corrente constante, que pode ser a corrente máxima de recarga permitida (I MRP ), até que a tensão da bateria atinja o nível de equalização (V EQ ). A corrente fornecida neste estágio é responsável por restabelecer aproximadamente 90% da capacidade da bateria. 3) Terceiro Estágio Sobrecarga: Nesta fase, a tensão da bateria será regulada. A corrente inicial é a mesma do estágio 2 e deverá decair gradualmente até atingir a corrente I FLUT, sendo que durante esse processo a tensão de equalização (V EQ ) deve ser mantida constante. 4) Quarto Estágio Carga flutuante: Nesta fase, a tensão será mantida constante no valor de flutuação (V FLUT ), sendo recomendado que a redução dos valores de V EQ para V FLUT aconteça no nível de corrente de flutuação (I FLUT ). Neste ponto a tensão de flutuação será imposta apenas para compensar a descarga própria e as perdas de potência por fuga de corrente entre os polos. Fig. 7. Ensaio em laboratório de duas baterias sendo carregadas paralelamente pelo Método dos Quatro Estágios Na Figura 8 é mostrada a curva representativa de um processo de carga que teve duração de vinte e duas horas e meia, totalizando minutos. A tensão inicial na qual se encontrava a bateria era de, condição que dispensou a necessidade de execução da primeira etapa do Método dos Quatro Estágios. Foi imposta uma corrente constante de, sendo este o máximo valor de corrente fornecido pela fonte utilizada. Aproximadamente doze horas após o início do ensaio, a tensão atingiu o valor de equalização,. Este nível foi mantido constante até o final do ensaio e como a imposição da tensão de flutuação se destinaria a apenas compensar perdas próprias das baterias e do processo, não foi necessário executar a quarta etapa do método no ensaio. Na Figura 6 é mostrada a sequência de procedimentos propostos pelo Método dos Quatro Estágios. Fig. 8. Comportamento da tensão e da corrente durante carga de uma bateria pelo método dos quatro estágios Fig. 6. Etapas do Método dos Quatro Estágios. C. Ensaios de Carga de uma bateria de chumbo-ácido de ciclo profundo Os ensaios descritos a seguir, mostrados na Figura 7, foram realizados com baterias de chumbo-ácido estacionárias de fabricação nacional, as quais apresentam tensão nominal de e capacidade de (considerando regime de vinte horas). Foram adotados como parâmetros para a execução dos ensaios, os seguintes valores: para tensão de descarga profunda (V DP ), para tensão de equalização (V EQ ) e 13,20 V para tensão de flutuação (V FLUT ), dados estes sugeridos nas especificações do dispositivo. Durante a carga, a força eletromotriz de cada célula da bateria atinge cerca de 2,1V em um curto espaço de tempo e se estabiliza, crescendo muito lentamente a partir deste valor. À tensão de, oxigênio começa a ser liberado nas placas positivas e a hidrogênio passa a ser liberado nas placas negativas. A carga está neste ponto praticamente concluída e a passagem de corrente a partir deste ponto leva a liberação de gases, com rápido aumento da força eletromotriz da bateria. Na Figura 9 é mostrada a curva de potência fornecida durante o processo de carga, sendo que a integral desta curva no tempo resulta na energia total entregue à bateria, e esta foi de. Observa-se que do início até o instante em que a tensão atinge, intervalo no qual a corrente é mantida constante em, uma energia de já havia sido fornecida, ou seja, do total de energia envolvida no processo.

6 Fig. 9. Variação da potência fornecida durante a carga de uma bateria de 45Ah. Na Figura 10 é representada a capacidade adquirida pela bateria ao longo do tempo. Mais uma vez é possível notar que o carregamento dos acumuladores acontece de fato durante a etapa 2 do Método dos Quatro Estágios, enquanto a etapa 3 é útil para regulação da tensão. Ao final do procedimento, a capacidade apresentada foi de 46,63 Ah. foram analisados parâmetros relacionados ao funcionamento e aos métodos recomendados para a utilização dos dispositivos, com atenção a aspectos ligados à segurança e à otimização dos procedimentos de carga e descarga. Foram realizados ensaios de descarga em diferentes regimes de operação. Analisando os resultados, foi possível observar que o rendimento varia de acordo com a corrente de descarga, conforme exemplificado na Figura 4. A partir de vários dados coletados foi possível encontrar uma equação que estimasse a energia a ser entregue por uma célula de acordo com o regime aplicado. Também foi estudado o paralelismo entre baterias em um banco, e pode-se concluir que esse tipo de ligação apresenta vantagens técnicas e, consequentemente econômicas, dada à redução nas perdas à medida em que se aumenta o número total de baterias. Também foram realizados vários ensaios de carga. Foi possível observar, dessa maneira, que o Método dos Quatro Estágios consiste em uma sequência de passos adequada e eficiente para recarga de uma bateria de chumbo-ácido. Os resultados encontrados estavam de acordo com a bibliografia que indica que cerca de 90% da energia é entregue aos acumuladores durante a segunda etapa do método. Contudo, a realização de recargas sucessivas sem a observância do primeiro passo, o qual recomenda um baixo valor de corrente no início do processo, pode diminuir a capacidade de retenção de carga de uma célula. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à empresa Acumuladores Moura LTDA, que viabilizou tecnicamente a realização desse trabalho. Fig. 10. Energia acumulada por uma bateria de 45Ah durante sua recarga À medida que ensaios de carga foram sendo realizados, pôde-se notar que a capacidade adquirida pelas baterias ao final de cada processo diminuía gradualmente. Constatou-se, então, que o motivo de tal comportamento foi o efeito cumulativo de sucessivas recargas que não passavam pela etapa lenta proposta pelo primeiro estágio do método estudado. A fim de solucionar este problema, foram realizados novos ensaios que tiveram como primeiro passo a imposição de uma baixa corrente de flutuação. Como resultado, a capacidade adquirida pelas baterias após finalização da recarga voltou a ser satisfatória. IV. CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1]T.R. Cromptom, Battery Reference Book, Third Edition, Newnes ISBN: X. [2]WEG, Motores de Indução alimentados por inversores de freqüência PWM. Acedido em 25/05/2011, em [3]Toroid do Brasil, Carregador de Baterias de Chumbo- Ácido com PIC16F876A. Acedido em 25/05/2011, em: [4]PowerSonic, Sealed Lead-Acid Batteries: Technical Manual. Acedido em 25/05/2011, em [5]Acumuladores Moura, Catálogo Técnico da Bateria da linha Clean 45Ah, modelo 12MF45. Neste trabalho foi realizado um estudo acerca do comportamento de baterias de ciclo profundo, de forma que