Prática 3
Acumulação de energia:
Estudo do comportamento da bateria de chumbo-ácido.

Introdução
Na maioria dos sistemas fotovoltaicos é empregado um banco de baterias para regularizar o suprimento de energia para os períodos noturno ou de baixa insolação. Existem inúmeros tipos de baterias no mercado, dentre elas as principais são a de chumbo-ácido e a de níquel-cádmio. A de chumbo-ácido é em geral a escolhida em razão de seu baixo custo e facilidade de aquisição e é precisamente essa, portanto, a que veremos nessa experiência.

Definições
Em nossa bancada encontraremos uma bateria modelo YB2,5L-A fabricada pela Lucas-Yuasa do Brasil S.A. que apresenta as seguintes características:

Tensão nominal
Uma bateria não apresenta em seus terminais uma tensão fixa. A tensão nominal, que para a nossa bateria é de 12 V, reprenta a média dos valores encontrados durante um processo normal de descarga.
Capacidade nominal
A capacidade nominal, dada em Ampères-hora, se retirada da bateria a levaria a um estado de total descarregamento. A capacidade nominal da nossa bateria é de 2,5 Ah.
Profundidade de descarga
Nunca devemos descarregar completamente uma bateria de chumbo-ácido. A profundidade de descarga, em torno de 20 % da capacidade nominal, informa que dos 2,5 Ah de nossa bateria só podemos usar 0,2 ´ 2,5 = 0,5 Ah sob pena de danificá-la irremediavelmente. Os acumuladores de níquel-cádmio, ao contrário, devem trabalhar em ciclos de carga e descarga completas para evitar a redução da sua vida útil.
Corrente de carga
Devemos usar uma fonte de corrente para carregar nossa bateria e o seu valor geralmente é encontrado dividindo por 10h a capacidade nominal. A corrente de carga será então de 0,25 A.
A corrente de descarga apresenta também esse mesmo valor.
Tensão de flutuação
A bateria descarrega-se sozinha se abandonada em circuito aberto. É preciso então manter uma fonte de tensão ligada aos seus terminais para que ela permaneça em seu estado de plena carga. Em nosso caso a tensão de flutuação é de 12,9 V.
Tensão de gaseificação
Durante o processo de carga a tensão na bateria sobe lentamente, ultrapassando a tensão nominal e a de flutuação até atingir a tensão de gaseificação. A partir desse momento cessa a acumulação de energia e se insistirmos elém desse ponto a bateria passa a consumir toda a corrente entregue realizando a eletrólise da água, o que pode ser visto com facilidade através da intensa formação de bolhas. A tensão de gaseificação da nossa bateria é de 15,15 V.

O equipamento utilizado
Tanto o processo de carga como o de descarga são monitorados continuamente pelo computador. Aos terminais da bateria está ligado um relê de um pólo por duas posições que comuta a sua ligação entre carga — através do módulo fotovoltaico — e descarga — através do resistor variável. O relê é acionado pelo canal 1 de saída da placa analógico/digital usando apenas um pequeno circuito de apoio.

O laboratório dispõe também de um densímetro já ligado à bateria que permite uma fácil leitura da densidade do eletrólito.

O programa de controle
O programa que usaremos nessa prática chama-se BATERIA.EXE. Da mesma forma que os anteriores ele gera ao seu término um arquivo com o registro da corrente, compondo a primeira coluna, e da tensão, compondo a segunda coluna, de nome BATERIA.TXT. Os ciclos de carga e descarga são suficientemente rápidos para serem acompanhados pelos alunos já que a bateria é de pequeno porte. O processo é realizado de forma semi-automática pois se o final de cada operação é comandado pelo relê, o início é comandado pelo operador. Lembre-se que o arquivo contendo os resultados deve ser aberto pelo MATLAB e os comandos sugeridos para traçar a curva da tensão ao longo do tempo são os seguintes:
load bateria.txt
corrente = bateria(:,6);
tensao = bateria(:,7);
plot (tensao);

A evolução da tensão
O estado de carga de uma bateria na verdade só pode ser determinado através da medição da densidade do eletrólito, ou seja, da concentração de ácido sulfúrico dissolvido na água. Esse dado é, no entanto, de obtenção muito difícil ou mesmo impossível nas baterias seladas. A solução encontrada foi associar empiricamente cada valor de densidade a uma determinada tensão. Os resultados encontrados não são exatos mas admite-se que, para uma bateria de chumbo-ácido de 12 V, a tensão não deve cair abaixo de 10,4 V durante a descarga nem deve subir além de 14,4 V durante a carga. Veja nas figuras seguintes o comportamento da tensão nos terminais da bateria quando essas limitações não são obedecidas:

Com base nesses gráficos programamos o computador para interromper o processo de carga quando a tensão atingir 15,15 V e o processo de descarga quando a tensão atingir 11,5 V.
O processo completo de carga e descarga da bateria é então realizado automaticamente com o resultado seguinte...

No instante 1 inicia-se o processo de carga com uma corrente constante de 0,35 A. No instante 2 o relê é acionado e a tensão, agora em circuito aberto, cai a um nível de repouso de 12,70 V, correspondente a uma densidade de 1,240 kg/l. Entre os pontos 3 e 4 ocorre a descarga da bateria a uma corrente também constante de 0,53 A. A tensão de repouso, correspondente ao ponto 5, é de 12,38 V e a densidade de 1,155 kg/l. Não foi adotada a corrente de 0,25 A para a carga e descarga para que o ciclo se realizasse mais rapidamente.
Note que essa última figura retrata muito bem a atuação de um controlador de carga, limitando a faixa de operação da bateria e impedindo que ela seja danificada por descargas profundas ou ressecamento do eletrólito.

Realização da prática
Gravação do ciclo completo da bateria: monte o circuito para iniciar o carregamento da bateria. Meça a densidade do eletrólito. Carregue o programa BATERIA.EXE e ligue as lâmpadas.
Após o chaveamento do relê aguarde alguns minutos, desligue as lâmpadas e meça novamente a densidade.
Inicie a descarga da bateria através do resistor fixo em paralelo com uma pequena lâmpada. Após o chaveamento do relê proceda da mesma forma que antes: aguarde alguns minutos e meça a desidade do eletrólito. Encerre o programa de gravação dos dados.
Avaliação dos resultados: trace as curvas de corrente e tensão para o ciclo completo. Calcule a carga e a descarga em Ah. Os valores são iguais? Os dados de densidade são coerentes com as respectivas tensões de repouso? Calcule a eficiência da bateria.

Conclusões
Está plenamente operacional o Laboratório de Energia Solar da UFRJ. O primeiro curso foi encerrado no segundo período de 1997 e os alunos puderam comprovar experimentalmente os fenômenos estudados em sala de aula. É desnecessário enfatizar a importância da experimentação na didática de Engenharia Elétrica: daí todo o esforço realizado na concretização desse projeto.
Como sugestão para o desenvolvimento do trabalho resta desenvolver uma prática de inversores, onde os alunos podem ver como um sistema fotovoltaico, que trabalha com corrente contínua, pode substituir a rede elétrica, que opera em corrente alternada. Já estão em andamento também os trabalhos de expansão do Laboratório, que contará com um painel composto de 16 módulos instalados no teto do bloco I da Universidade; permitindo que se realizem estudos com iluminação natural e também da ligação do sistema à rede elétrica.

Bibliografia

• Sick, Friedrich; Erge, Thomas - Photovoltaics in Buildings
James & James (Science Publishers); IEA (International Energy Agency), 1996.

• Lorenzo, Eduardo - Electricidad Solar - Ingeniería de los Sistemas Fotovoltaicos
PROGENSA - Promotora General de Estudios S.A., 1994.

• Grupo de Trabalho de Energia Solar Fotovoltaica - Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos
1995.