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ACUMULADORES E GERENCIADORES DE ENERGIA EM SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTÔNOMOS

BATERIAS


Em sistemas fotovoltaicos autônomos a geração e o consumo de energia elétrica nem sempre coincidem, devido a pouca ou nenhuma radiação solar em períodos noturnos, nublados e chuvosos. Portanto, nesse tipo de topologia é imprescindível a presença de um banco de baterias com a finalidade de proporcionar um fornecimento constante de energia ao consumidor.



TIPOS DE BATERIAS


Existem inúmeros tipos de baterias para serem aplicadas nos sistemas, sendo as baterias de chumbo ácido as mais utilizadas. Elas podem ser classificadas em:

  • Baterias de ácido líquido ou em gel;

  • Baterias seladas ou abertas.

  • Baterias seladas não necessitam de adição de água.

Além das baterias de chumbo ácido, também tem-se as de níquel-cádmio ou níquel-metal-hidreto. A última é a mais cara das mencionadas, porém são mais duradouras e adequadas em função da localidade na qual será inserida.


Bateria de chumbo ácido estacionária com eletrólito líquido

Esse tipo de bateria é muito difundido no mercado, devido a possuir custo reduzido. É semelhante visualmente a uma bateria automotiva, entretanto esta não é adequada para aplicações que necessitam de corrente elétrica por períodos prolongados, que é o caso de sistemas fotovoltaicos.


Bateria de chumbo ácido estacionária com eletrólito em gel

É uma versão melhorada da bateria de chumbo ácido com eletrólito líquido, pois possui maior vida útil, isto é, maior número de ciclos de carga e descarga, mas também, é possível utilizá-la em locais pouco ventilados, pois não libera gases durante seu funcionamento nominal. Entretanto, é equipada com uma válvula de segurança (VRLA - ácido de chumbo regulado) que permite a liberação de gases em casos de sobrecarga, por isso requer o uso de um controlador de carga adequado às suas características, pois é sensível a esses aumentos de corrente elétrica.


Baterias de NiCd e NiMH

As baterias de níquel-cádmio (NiCd) e níquel-metal-hidreto são mais caras do que as baterias de chumbo ácido com eletrólitos líquidos ou em gel. Suas principais características, são:

  • Baixo coeficiente de autodescarga;

  • Suportam altas variações de temperatura;

  • Permitem um alto índice de descargas profundas, na ordem dos 90%;

  • Possuem densidade de carga maiores do que a de chumbo ácido, portanto são menores e ocupam menos espaço.

Raramente esses tipos de baterias são aplicados em sistemas fotovoltaicos, devido ao alto custo em comparação com as mais convencionais. Entretanto, para aplicações muito específicas que necessitam de pouco espaço para instalação e requerem alta confiabilidade e pouca manutenção.

VIDA ÚTIL DAS BATERIAS


A vida útil das baterias é determinada pelo número de ciclos de carga e descarga que elas podem realizar, onde esse conceito depende de dois fatores principais:

  • Profundidade de descarga máxima;

  • Temperatura de operação e armazenamento.

Vida útil em função da temperatura de utilização

A seguir, tem-se um gráfico demonstrando a curva típica do tempo de vida da bateria estacionária de chumbo ácido em função da temperatura, a qual foi submetida.



Depreende-se a partir do gráfico acima, que conforme a temperatura aumenta a vida útil da bateria reduz drasticamente, conforme mencionado anteriormente.

O gráfico mostra que até uma temperatura de 40°C a bateria tem sua vida útil praticamente normal de 100%, entretanto acima dos 40°C sua vida útil começa a diminuir. Por exemplo, operando em 60°C a bateria vai durar apenas 80% do tempo máximo possível para uma determinada profundidade de descarga.

Vida útil em função da profundidade de descarga

O gráfico a seguir ilustra a relação entre a vida útil da bateria (representada em número de ciclos) e a profundidade de descarga.


Analisando o gráfico acima, percebe-se que se a bateria for descarregada de forma moderada, a mesma terá uma vida útil maior podendo ser carregada e descarregada mais vezes. Ao contrário, se a bateria for descarregada até próximo de esgotar sua carga, com profundidades de descargas acima dos 80%, por exemplo, o número de ciclos possíveis será reduzido radicalmente, e por consequência o tempo de vida será mínimo.

CONTROLADORES DE CARGA


Os sistemas fotovoltaicos que utilizam baterias, devem obrigatoriamente empregar um controlador de carga. É um dispositivo que faz a correta conexão entre os módulos fotovoltaicos e as baterias, evitando que as mesmas sejam sobrecarregadas ou descarregadas excessivamente.


PROTEÇÃO DE SOBRECARGA


Tomando como referência às baterias de chumbo ácido, quando elas estão completamente carregadas a medição deve estar entre 14,4 V e 15,5 V. O controlador é responsável por monitorar a tensão nos terminais da bateria, impedindo que ela continue sendo carregada quando a tensão máxima já foi atingida e, quando ocorre isso, o módulo fotovoltaico é desconectado impedindo o sobrecarregamento.


PROTEÇÃO DE DESCARGA EXCESSIVA


A proteção de descarga excessiva, também conhecida como desconexão com baixa tensão, ocorre quando o controlador de carga interrompe o funcionamento do sistema fotovoltaico quando a bateria atinge um nível crítico de carga.


GERENCIAMENTO DA CARGA DA BATERIA


Normalmente as baterias de chumbo ácido possuem um perfil de carga, que sempre que possível, deve ser respeitado para aumentar sua durabilidade. Esse perfil, pode ser dividido em três estágios, que serão descritos a seguir:

Estágio de carregamento pesado

Nesse primeiro estágio a corrente elétrica da bateria é levada para seu valor máximo, devido a tensão da bateria estar baixa (considerando que ela esteja descarregada). Essa etapa prevê o carregamento da bateria o mais rápido possível, drenando toda a energia que os módulos podem entregar.

Estágio de absorção

Quando a tensão da bateria atinge um valor de tensão entre 14,4 V e 15,5 V, ela entrará no estágio de absorção. Nesse momento a bateria está praticamente carregada, mas para que atinja sua capacidade máxima de 100%, é preciso que ocorra um carregamento de forma lenta mantendo a tensão constante, diminuindo gradativamente a corrente.

Estágio de flutuação

Ao final do estágio de absorção a corrente da bateria atinge um valor muito pequeno, e isso indica que ela está completamente carregada. Ao controlador detectar essa condição, o mesmo passa automaticamente para a etapa de flutuação que consiste em manter a bateria carregada, controlando sua tensão na faixa entre 13,2 V e 13,8 V. A seguir, tem-se um gráfico ilustrando os três estágios mencionados.


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FONTES

https://blog.intelbras.com.br/sistemas-fotovoltaicos-hibridos/

https://www.focusenergia.com.br/o-que-e-um-sistema-fotovoltaico-hibrido-e-quais-suas-vantagens/

https://jornal.usp.br/podcast/sistemas-hibridos-sao-alternativas-para-suprimento-de-energia-em-regioes-isoladas/

https://www.portalsolar.com.br/bateria-solar.html

https://www.solarbrasil.com.br/blog/como-escolher-a-bateria-para-um-sistema-de-energia-fotovoltaica-off-grid/




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