BANCADA DE ENERGIAS RENOVÁVEIS - voltcom.com.brvoltcom.com.br/novos/sdj_9000_manual_aluno.pdf · de 22,41 V, a corrente de curto circuito de 0,61 A, ... Refletor É utilizado como

SDJ 9000Manual do Aluno

Minipa do Brasil LtdaRev. 107/06/2017

Bancada 220 V

BANCADA DE ENERGIAS RENOVÁVEIS

SumárioAtenção.........................................................................................................1Ligando a Bancada.......................................................................................2Característica Geral......................................................................................3Equipamentos:..............................................................................................6Exp. 1 Efeito Fotovoltaico............................................................................9Exp. 2 Estudo dos Parâmetros do Painel Solar..........................................18Exp. 3 Estudo dos Parâmetros do Gerador Eólico.....................................31Exp. 4 Estudo das Cargas Disponíveis na Bancada...................................48Exp. 5 Estudo da Variação de Temperatura do Painel Solar......................58Exp. 6 Estudo do Controlador de Carga Com o Painel Solar.....................63Exp. 7 Estudo do Controlador de Carga Com Aplicação Em Sistemas Eólicos de Pequeno Porte...........................................................................79

Atenção

1. A eletricidade é sempre acompanhada por perigo de acidente e por causa disso é necessáriocuidado ao tocar em circuitos conduzidos por eletricidade;

2. Os procedimentos dos experimentos devem ser acompanhados do manual e um instrutor.Especialmente, cuidado para as sequências e operações dos procedimentos;

3. Antes de acionar a bancada leia todo o procedimento relacionado ao experimento;4. Todas as ligações elétricas e mecânicas devem ser feitas com o painel desligado;5. Antes de ligar a bancada, faça a verificação de todas as conexões realizadas na montagem da

experiência. Ao notar a necessidade de correção da montagem do experimento, desligue abancada.

1

Ligando a Bancada

Verifique se a bancada está conectada a rede elétrica, após esta verificação, ligue o disjuntore o DR e aguarde poucos segundos, verifique se não possui nenhum cabo ligado oferecendo riscosde causar um curto circuito, acione a chave verde S1, da energização da bancada para a posição“Liga”.

Solução de Problemas

A Bancada não liga

Verifique se cabo de alimentação está conectado.

Verifique se Disjunto DR está acionado.

Verifique se disjunto termomagnético estáacionado.

Verifique se chave seletora está na posição liga.

Verifique se a tensão de alimentação está deacordo com a indicada na bancada.

A lâmpada halógena do refletor não acende Verifique se houve queima da lâmpada.

O gerador de vento não funcionaVerifique se foram realizadas as conexõeselétricas na entrada do gerador.

Se o motor for energizado utilizando uma dasbaterias, verifique se a bateria está carregada.

As cargas presentes na bancada não funcionam Verifique se a chave seletora (ao lado de cadacarga) está na posição “ON”.

Verifique se houve queima da carga em questão.

Falha de comunicação entre o sistema deaquisição de dados e o computador

Verifique se a bancada está ligada.

Desconecte a USB do computador e reconecte.

Desconecte a USB do computador, feche osoftware Midas Studio, desligue a bancada.Religue a bancada, conecte o cabo USB aocomputador e abra o software Midas Studio.

O aparelho comercial MPPT Solar ChargeController não funcionada

Verifique se a chave seletora (ao lado doequipamento) está na posição condizente com oestudo que está sendo realizado.

Verifique se os parâmetros do equipamento estácom os seus valores corretos.

2

Característica Geral

Item Descrição

1 Disjuntor DR

2 Disjuntor

3 Chave liga/desliga

4 Painel fotovoltaico

5 Ajuste de luminosidade do refletor

6 Conexão da saída do painel fotovoltaico

7 Gerador de vento (máquina elétrica BLDC)

8 Gerador eólico (máquina elétrica CC)

9 Anemômetro

10 Ajuste de velocidade do vento

11 Conexão da saída do gerador eólico

3

TÚNEL DE VENTO

CONVERSOR CC / CA

AQUISIÇÃO DE DADOS

INTERNOBANCADA

CARGA EXT.220V CA

(PWM) 350W

SAÍDA220V CA

CÉLULA FOTOVOLTAICAPOLICRISTALINA 10W Voc 20,6 - Vop 17,3

CÉLULASOLAR

SAÍDA DC

EÓLICA

SAÍDA DC

SOLAR15-50V DC

BATERIA12V DC

CARGA13~15V DC

ENTRADA10~15V DC

TENSÃO DC0~30V

Vdc1

Vdc2

CORRENTE DCMAX. 5A

Adc1

Adc2

TENSÃO AC0~500V

Vac1

CORRENTE ACMAX. 5A

Aac1

ENTRADAS ANALÓGICAS DC4-20mA

AN1 AN2 AN3 AN4

Posiçãodo

Aerogerador

Temperaturano

TúnelTemperatura

daCélula Solar

Auxiliar

ENTRADAS DIGITAIS DC10~30V

DI1 DI2 DI3

Auxiliar

Velocidadeda Hélice

Eólica

Velocidadedo Ventono Túnel

DR

Disjuntor

COMANDODESL. LIGA

Alimentaçãoequipamentos

-S1

LUMINOSIDADE

MIN. MAX.

BATERIA-2-

-F2

AUXILIAR

+ -

12V 7Ah

CARGA0~12V DC

ON

OFF

-S4

GERADOR DE VENTONO TÚNEL

MIN. MAX.

ENTRADA DC

CARGA0~12V DC

ON

OFF

-S3

CARGA220V CA

ON

OFF

-S2

CARREGADOR DE BATERIAS

SOLAR

ALIM.REDE

+-

-F1

+ --F1

+ -

12V 7Ah

BATERIA-1-

R

R

1

2

3

6

1011

12

13

14

15

18 17 16

19

4

5

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9

12 Módulo de aquisição de dados

13 Bateria 2 (auxiliar)

14 Bateria 1

15 Controlador de carga

16 Ventuinha 12 VCC

17 Lâmpada LED 12 V CC

18 Lâmpada dicróica 220 V CA

19 Conversor CC/CA

Modulo de aquisição de dados:

Item Descrição

1 Entrada digital 1 (DI1)



4 Entrada analógica 1 (AN1)



4

AQUISIÇÃO DE DADOS

TENSÃO DC0~30V

Vdc1

Vdc2

CORRENTE DCMAX. 5A

Adc1

Adc2

TENSÃO AC0~500V

Vac1

CORRENTE ACMAX. 5A

Aac1

ENTRADAS ANALÓGICAS DC4-20mA

AN1 AN2 AN3 AN4

Posiçãodo

Aerogerador

Temperaturano

TúnelTemperatura

daCélula Solar

Auxiliar

ENTRADAS DIGITAIS DC10~30V

DI1 DI2 DI3

Auxiliar

Velocidadeda Hélice

Eólica

Velocidadedo Ventono Túnel

R

1 2 3

4 5

6

7

8

9

10

11

12

13


8 Entrada de tensão 1 (DMM1)



11 Entrada de corrente 1 (DMM1)



A bancada possui um completo sistemas de proteção, com disjuntor DR, disjuntortermomagnético e partes elétricas aterradas, conforme norma vigente, isso garantem a segurança dousuário e do equipamento. Ela apresenta uma estrutura em perfil de alumínio anodizado, com 1,6 mde altura, 0,6 m de profundidade e 1,0 m de largura.

Disjuntor DRO disjuntor DR possui um circuito interno capaz de verificar a fuga de corrente para o fio

terra do sistema que ele alimenta, ou seja, quando houver a energização da carcaça do equipamentoou caso uma pessoa leve um choque.ATENÇÃO: O disjuntor pode manter-se acionado caso a “fuga de corrente” seja entre as fases ouentre fase e neutro.

Disjunto Termo MagnéticoO disjuntor termomagnético tem a finalidade de proteger o sistema contra curto-circuito e

sobre correntes.O curto-circuito acontece quando duas fases e neutro entram em contato direto ocasionando

a elevação instantânea da corrente podendo chegar à faixa de kilo ampere (kA), caso isso ocorra aparte magnética do disjuntor será acionada.

A sobre corrente é uma corrente maior que a corrente nominal do disjuntor, normalmente setrata de correntes de intensidade pouco acima da corrente nominal, ao contrário do efeito de curto-circuito, a proteção térmica depende da curva de atuação do disjuntor, tendo a relação tempo Xcorrente, quanto maior a corrente menor o tempo de atuação, como a atuação do disjuntor estarelacionada ao nível de corrente, a atuação pode ocorrer em poucos segundos ou podendo levaralguns minutos.

Chave seletora liga/desligaTem a função de ligar e desligar a energização da bancada de energias renováveis.

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Equipamentos:

A bancada SDJ 9000 procura ser útil para ensinar e/ou comprovar os conceitos físicosrelacionados à geração solar fotovoltaica e à geração eólica, de forma fácil e segura. Nota-se queeste produto foi desenvolvido para atender o ensino desde cursos técnicos até pós-graduação, comas devidas diferenças de aprofundamento teórico necessário para cada curso. Dito isso, osequipamentos presentes na bancada estão apresentados a seguir.

Painel fotovoltaico

O painel fotovoltaico presente na bancada é de tecnologia policristalina, a mais utilizada nomercado atualmente devido ao seu custo-benefício. Sua potência é 10 W, a tensão de circuito abertode 22,41 V, a corrente de curto circuito de 0,61 A, a tensão do ponto de máxima potência é 17,9 V ea corrente do ponto de máxima potência é 0,59 A.

Refletor

É utilizado como um simulador de luminosidade controlada, é composto por uma lâmpadahalógena tipo lapiseira de 300 W.

Sistema mecânico de posicionamento de ângulo solar

Possibilita a simulação do ângulo de incidência luminosa no painel. Este ângulo pode variardentro de uma faixa de 120 graus. Assim, pode-se analisar o funcionamento do painel desde o solnascente até o sol poente.

Gerador de vento

É utilizado para simular o vento incidente no gerador eólico. É um motor elétrico (EmazCF2822), utilizado normalmente em aeromodelos. Sua tensão nominal é 11,1 V, a corrente nominalé 14,5 A sua rotação é de 6100 rpm.

Gerador eólico

O gerador eólico presente na bancada é uma máquina CC de 17,83 W, tesão nominal 24 V.Modelo PM107-KR-S, marca Action Technology, mais informações consulte a folha de dados damáquina. Em sua configuração na bancada, está conectado a uma ponte retificadora.

Em vazio, sem carga a máquina opera com rotação de 4250 rpm e corrente de 0,25A. Já emteste de rotor bloqueado sua corrente é de 5,6 A e torque de 2835,8 g.cm. Com o máximorendimento possível a máquina opera com velocidade de 3508 rpm, corrente de 1,18 A e torque de494,6. O rendimento máximo que a máquina pode chegar é de 62,68 %.

Anemômetro

Mede a velocidade do vento dentro do túnel de vento antes de atingir as pás do gerador. Foidesenvolvido tendo como base o produto anemômetro digital (MDA-11) sua sensibilidade é de0,3~30 m/s.

Sensor magnético de rotação

É responsável pela medição da rotação das pás do gerador eólico e como estão diretamenteconectados, consequentemente da rotação do gerador elétrico.

Sistema mecânico de posicionamento de ângulo eólico

Possibilita a inclinação das pás, alterando o seu ângulo de rolamento (Figura a baixo), parapermitir a captação do vento por diferentes ângulos. Este ângulo pode variar dentro de uma faixa de

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40 graus. Ainda, o ângulo pode ser medido através de um sensor potenciométrico.

Baterias

A bancada possui duas baterias para o armazenamento da energia gerada pelas fontesrenováveis presentes na mesma. As baterias são seladas VLRA e de chumbo ácido. A tensãonominal de 12 V, com corrente nominal de 9,0 Ah e a tensão de flutuação é de 13,5 a 13,8 V.

Controlador de Carga

A principal função do controlador de carga é regular a potência destinada ao carregamentoda bateria e direcionada a carga. Esse é um produto comercial denominado “MPPT Solar ChargeController” da marca ECO-WORTHY. Esse aparelho é capas de rastrear o ponto de máximapotência. A sua tensão nominal de operação é 12 V/ 24 V DC, mais dados podem ser encontradosem seu manual ou nos experimentos 6 ou 7 desse material.

Lâmpada dicróica

É utilizada para pequenos testes e experimentos, recebe energia da forma CA e é acionadaem 220 V.

Lâmpada LED

Também é destinada a pequenos teste ou experimentos que envolvem conceitos da atuaçãode diferentes cargas ligada a uma fonte renovável. Ela tem a tecnologia de uma lâmpada LEDacionada com energia CC e 12 V.

Ventuinha

Tem a mesma finalidade das demais cargas presentes na bancada, de pequenos testes ouexperimentos que tem a finalidade de obter o funcionamento da fonte renovável a diferentes tipos

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Ângulo de incidência de -20° Ângulo de incidência de 0° Ângulo de incidência de 20°

de cargas. Essa carga é uma ventuinha, também conhecida como cooler, com potência de 1,2 W e 12V. É acionada com energia CC.

Sistema de aquisição de dados

O sistema de aquisição de dados foi desenvolvido internamente, junto com a bancada. Ele écomposto por três módulos.

O concentrador, que é um desses módulos, é responsável pelo gerenciamento dos dadosadquiridos nos outros dois módulos, além de realizar a conversão de RS 485 para USB (para autilização acompanhado de um computador). Um dos outros dois módulos é responsável peloscanais de tensão e corrente, já o outro módulo contém os canais analógico e digitais.

O módulo responsável pelos canais de tensão e corrente, recebe três canais de tensãoCA/CC, com uma resolução de 0 a 250 V, e três canais de corrente CA/CC, com resolução de 0 a5aA. Com a utilização dos dois canais é possível obter o fator de potência (FP), a potência real (P),a potência aparente (S) e a potência reativa (Q), sendo necessário o sinal de tensão e correnteestejam conectado no mesmo canal. Porém, o sistema de aquisição de dados não é capaz de aferirharmônicas.

O módulo responsável pelos demais canais, apresenta quatro canais de entradas analógicas,com resolução de 4 a 20 mA, e três canais digitais (frequência até 1 kHz).

A aquisição dos dados é comunicada com o computador através de uma porta USB, onde osoftware Midas studio interpreta esse dados e os apresenta aos usuários.

Conversor CC/CA

O conversor CC/CA é responsável por transformar a energia contínua, que é gerada pelopainel fotovoltaico ou pelo gerador eólico (conectado a ponte retificadora), em energia alternada. Amaioria das cargas presentes em instalações elétricas recebe energia alternada, assim torna-senecessária a utilização desse conversor em sistemas de geração renováveis. O conversor presente nabancada apresenta uma potência de 350 W, tensão de entrada de 10 a 15 V (contínua) e saída110/220 V (alternado) com frequência de 60 Hz.

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Exp. 1 Efeito Fotovoltaico

Descrição do experimento: Estudo do efeito fotovoltaico utilizando a bancada de energias renováveis.

Objetivo: Estudar o efeito fotovoltaico e como isso pode ser analisado utilizando as grandezaselétricas. Variar a incidência luminosa e analisar como isso influência as grandezas elétricas.Relacionar essa variação ao efeito fotovoltaico.

Materiais utilizados: • Computador com o software Midas Studio;• Cabos com bornes de 4 mm;• Resistências (5 W).

Breve Fundamentação teórica:

Semicondutores:Os semicondutores são elementos com resistividade entre a de um condutor e a de um

isolante, e que podem variar segundo as condições físicas a que está submetida. A condução ocorrepelo movimento dos portadores de carga, elétrons, buracos ou íons. São exemplos desemicondutores o silício e o germânio.

Os átomos semicondutores têm características semelhantes. A principal, que distinguem umátomo semicondutor de outros átomos é a quantidade de elétrons na camada de valência. A partir databela periódica, podemos ver que na coluna 14, família 4A, todos os elementos possuem quatroelétrons na camada de valência [4].

O que caracteriza um material condutor é a baixa quantidade de energia que deve ser

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empregada nele para que ele conduza uma corrente elétrica. São exemplos de materiais condutoresa prata, o cobre e o alumínio. Os materiais isolantes têm o princípio contrário, é necessário grandequantidade de energia para que passe por ele uma corrente elétrica, isto é, apresentam umaresistência a passagem da corrente, um impedimento. São exemplos de materiais isolantes oenxofre, a porcelana, a borracha e o vidro. Os materiais semicondutores são materiais comcaracterísticas intermediárias. São exemplos de semicondutores o silício, o germânio e o carbono[2].

Na eletrônica, tanto para componentes como para painéis fotovoltaicos, o silício é o materialmais utilizado atualmente [1].

Material Semicondutor Intrínseco (Puro): Os semicondutores intrínsecos são também chamados de semicondutores puros, pois sua

condutividade elétrica é determinada apenas pelas próprias (intrínsecas) características desse átomo[2].

A maioria dos materiais só se estabiliza se possuir oito elétrons na camada de valência (omesmo número de um gás nobre). O elemento químico silício possui quatro elétrons na camada devalência, para conseguir a estabilidade os elementos se ligam através de ligações químicas,formando um material estável. Um átomo de silício pode se ligar com outro átomo de silício (vistoque a camada de valência possui quatro elétrons), por se tratar de um elemento não-metal, a ligaçãorealizada é a ligação covalente, onde os elétrons da camada de valência são compartilhados. Assim,vários átomos de silício se ligam através da ligação covalente e formam um cristal semicondutorintrínseco e estável. Na Figura abaixo, é representada uma molécula de intrínseca de silício.

Se observarmos o átomo de silício destacado, veremos que ele possui oito elétrons nacamada de valência. O silício tem apenas quatro elétrons, mas como ele está disposto em umaestrutura cristalina, os outros átomos de silício ao seu redor compartilham um elétrons com essecentral, assim esse átomo central acaba por possui oito elétrons, os quatro que já são deles mais umde cada “vizinho”. A temperatura do zero absoluto (-273°C) todas as ligações covalentes estãocompletas, isso faz-se o material comportar-se como um isolador, já que não há elétrons livres [2].

Semicondutores extrínsecos:Os semicondutores extrínsecos são uma solução para tornar o cristal de silício puro em um

material apto de conduzir corrente elétrica com uma maior facilidade. Para alterar o material,acrescenta-se porcentagem de outros elementos químicos. Ele, também é chamado de semicondutorimpuro, esse material tem características de camada de valência diferente das dos átomos da redecristalina, tornando o semicondutor extrínseco com falta ou sobra de elétrons [3].

Para conseguir produzir os materiais semicondutores extrínsecos, o cristal de silíciointrínseco passa por um processo denominado dopagem. O processo de dopagem baseia-se nainserção de impurezas, isto é, na introdução de átomos de um outro elemento químico, que sejacapaz de realizar ligações covalentes com os átomos de silício, na estrutura cristalina do silício.Essas impurezas mudam as características elétricas do material. Impurezas são materiais quepossuem átomos trivalentes ou pentavalente, das famílias 3A ou 5A da tabela periódica. Sãoelementos químicos que possuem três ou cinco elétrons na camada de valência [5].

As impurezas doadoras (doa elétrons) são os átomos pentavalentes que possuem cinco

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elétrons na camada de valência. São exemplos desses átomos, o antimônio, o Arsênio e o Fósforo. Omais utilizado é o átomo de fósforo.

As impurezas aceitadoras (aceita elétrons) são os átomos trivalentes que possuem trêselétrons na camada de valência. São exemplos desses átomos, o Boro, o Alumínio e o Gálio. O maisutilizado é o átomo de boro.

A dopagem do silício com os elementos pentavalente obtém-se um material com elétronslivres, ou materiais com portadores de carga negativa (semicondutor tipo N). O elétron excessivoestará fracamente ligado ao núcleo do átomo de fósforo (por exemplo). Na figura abaixo pode-sever um semicondutor do tipo N [6].

Se observarmos o átomo de fósforo destacado, veremos que ele possui oito elétrons nacamada de valência e um elétrons excedente. Esse elétrons livre pode circular livremente, isso tornao material um melhor condutor de corrente elétrica.

A dopagem do silício com os elementos trivalentes obtém-se um material com falta deelétrons, ou materiais com portadores de carga positiva (semicondutor tipo P). Essa falta de elétronstambém é conhecida como lacuna. Na figura abaixo está apresentado a estrutura de umsemicondutor do tipo P [5].

Se observarmos o átomo de boro destacado, veremos que ele possui sete elétrons na camadade valência. Os elétrons dos átomos de silício tenderam a ocupar a lacuna existente no átomo doboro. Assim, no semicondutor tipo P as características elétricas também se modificam facilitando apassagem de corrente.

A junção:Os semicondutores extrínsecos são melhores condutores elétricos que o semicondutor

intrínseco [2]. Porém, quando os semicondutores do tipo P ou do pipo N são utilizadosisoladamente, eles não possuem grande interesse no que tange à aplicação na eletrônica e empainéis fotovoltaicos. Quando os cristais de silício tipo P e tipo N são unidos, formam uma junçãoPN. A maior parte dos semicondutores é baseada nas propriedades da fronteira da junção PN.

Na Figura abaixo pode-se analisar a junção de dois cristais extrínsecos de silício, um dopadopositivamente e um negativamente [7].

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B B B

BBB

Quando os dois cristais são unidos, os elétrons excedentes do semicondutor tipo N tendem aser atraídos para as lacunas existentes no semicondutor tipo P. Essa tendência de movimento doselétrons gera um rearranjamento de carga. Ocorre um acúmulo de elétrons no semicondutor P,tornando-o negativamente carregado e uma redução de elétrons no semicondutor N, que o fazeletricamente positivo. Estas cargas aprisionadas pelas lacunas dão origem a um campo elétricopermanente que dificulta a passagem de mais elétrons do lado N para o lado P. Este processoalcança um equilíbrio quando o campo elétrico forma uma barreira capaz de barrar os elétrons livresremanescentes no semicondutor do tipo N [1]. Isso faz com que esse rearranjamento fique sujeitoapenas aos átomos mais próximos da junção (fronteira). A junção rearranjada (recombinada) podeser vista na Figura abaixo [1].

A área rearranjada é chamada de Camada de Depleção ou de barreira de potencial. Essa éuma região onde todos os átomos que existem nessa região estão estáveis, com oito elétrons nacamada de valência.

Essa junção é a base para elementos elétricos como diodos. O diodo é utilizado ao aplicar-seuma data tensão em seus terminais, de forma a polarizá-lo. Ao polarizá-lo diretamente o diodocomporta-se como um curto circuito. Se a tensão aplicada em seus terminais é inversa, polarizaçãoinversa, ele atua como um circuito aberto (diodo ideal).

Efeito fotovoltaico:Se a junção PN for exposta a uma fonte geradora de luz (e consequentemente de fótons),

sendo que esses fótons tenham energia suficientemente maior que a energia de gap, existente entre abanda de condução e a banda de valência, ocorrerá uma geração de elétrons-lacuna. Se essa geraçãoocorrer na região onde o campo elétrico permanente é diferente de zero, as cargas são aceleradas,assim, gerando uma corrente através da junção. O deslocamento de cargas também gera umadiferença de potencial (efeito fotovoltaico). Se as duas extremidades da junção estivereminterligadas (ou ligadas em uma carga) haverá a circulação de elétrons e, consequentemente, umacorrente elétrica. Assim, gerando eletricidade. Esse fenômeno pode ser melhor analisadoobservando a figura a baixo.

Podemos observar que conforme há uma incidência de luz os elétrons livres dos átomos defósforo adquirem energia suficiente para preencher as lacunas dos átomos de boro. Isso ocorre forada região de depleção [1].

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Cristal Tipo P Cristal tipo N

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P

Cristal tipo NCristal Tipo P Camada de Depleção

É importante ressaltar que uma célula fotovoltaica não armazena energia elétrica, masestabelece um fluxo de elétrons conforme há uma incidência luminosa [3]. Quanto maior essaincidência, maior será o fluxo de elétrons e consecutivamente maior será a corrente elétrica gerada.

Assim, o efeito fotovoltaico é caracterizado como a tensão ou corrente elétrica que é geradaatravés da radiação luminosa que incidiu em uma junção PN e alimentando energicamente oselétrons excedentes no semicondutor tipo N, para que esses, ocupassem as lacunas excedentes nosemicondutor tipo P. Como o sentido da corrente junção é unilateral (apenas um sentido decondução) esses elétrons passam por um cabo (ou carga) até chegar as lacunas.

Experiência prática:

Esquema de ligação:

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e-

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Cristal Tipo PCristal tipo N

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P P

P

P P

B B B

BBB

B B B

B B B

BBB

Camada de Depleção

Luz Incidente

CÉLULASOLAR

SAÍDA DC

1 3

CORRENTE DCMAX. 5A

Adc1

Adc2

1 2

TENSÃO DC0~30V

Vdc1

Vdc2

2 3

2 3

Passos para a realização do terceiro estudo:• Ligue a bancada;• Interligue a saída do painel solar à medição de corrente CC em série com uma resistência,

também, conecte em paralelo uma medição de tensão CC, como demonstrado na figura (os números representam os nós do circuito);

• Verifique se a bancada está conectada ao computador; • No computador, inicialize o software Midas Studio;• Crie um Novo projeto (Mais informações consulte o manual do software Midas Studio);

• Adicione um novo gráfico, clique em Adicionar ;

• Na lista Variáveis, selecione Painel Solar ;

• No campo Nome do Eixo, selecione Tensão CC no Painel Solar ;

• Selecione no campo Canal, o canal DMM2 ;

• Adicione ao eixo y, clique em Adiciona Eixo Y;

• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Tensão na célula fotovoltaica”;• Salve o gráfico;• Adicione um segundo gráfico, clique em Adicionar ;


• No campo Nome do Eixo, selecione Corrente CC no Painel Solar ;



• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Corrente na célula fotovoltaica”;• Salve o gráfico;• Selecione a porta serial que está conectando a bancada ao computador;• Ajuste o intervalo de amostragem para 3 segundos;• Salve o projeto, clicando em Salvar projeto , por exemplo: “Efeito fotovoltaico”;

• Clique em Aquisição ;• Na bancada, coloque a luminária na posição de 0° e a intensidade luminosa em 0;• No Midas Studio, clique em Iniciar ;• Na bancada, aumente a intensidade luminosa de 0 à 8 posições do potenciômetro, cuidado

para variar cada posição em uma amostragem diferente;• No computador, clique em Parar ;

• Ao final da aquisição, exporte os dados adquiridos, clique em Exportar.

Tratamento dos dados adquiridos (Realizar em planilha eletrônica):

OBS: Os dados são adquiridos pelo Midas Studio no formato *.csv. Para realizar o tratamento dosdados, salve-os em um formato editável, por exemplo *.ods (LibreOffice) ou *.xlsx (Excel).

Organize os dados adquiridos, completando com as informações que não foram adquiridos(nível de intensidade luminosa). Faça tabelas relacionando a tensão e a corrente medidas com onível de intensidade luminosa (nível 1,2,…). Se houver necessidade, pode-se fazer tabela querelacionam o valor médio por nível de intensidade luminosa, isto é, das muitas medições que foramrealizadas no mesmo nível de incidência luminosa faz-se uma média dos valores de tensão ecorrente correspondente.

14

Exemplo de tabela:IntensidadeLuminosa

Tensão CCno PainelSolar (V)

Corrente CCno Painel

Solar (mA)

Intensidade Tensão Médiapara cada

Intensidade (V)

Corrente Médiapara cada

Intensidade (mA)

1 1

1 2

Para uma melhor compreensão dos resultados do experimento faça os seguintes gráficos:(a) Tensão X Tempo.(b) Corrente X Tempo.(c) Tensão X Intensidade Luminosa.(d) Corrente X Intensidade Luminosa.(e) Tensão Média por Nível X Intensidade Luminosa (Caso necessário);(f) Corrente Média por Nível X Intensidade Luminosa (Caso necessário);

Questionário:1) O que é um semicondutor? Cite exemplos.

2) Qual a diferença de um semicondutor intrínseco e um semicondutor extrínseco? Qual é a relação deles com a técnica de dopagem?

3) Descreva o que acontece quanto se “junta” um semicondutor tipo P com um semicondutor tipo N.

4) O que é a barreira de potencial? Como ela surge? Por que ela é tão importante em um diodo?

5) O que é o efeito fotovoltaico?

6) Disserte sobre o que acontece quando aumenta-se a luminosidade incidente na célula fotovoltaica. Utilize o efeito fotovoltaico e os dados prático adquiridos em sua resposta.

7) Apresente os gráficos e as tabelas em anexo.

Referências Bibliográficas

[1] BRAGA, R. P. Energia solar fotovoltaica: Fundamentos e aplicações, 2008.

[2] CARNEIRO, J. Semicondutores – Modelo matemático da célula fotovoltaica, 2010.

[3] NASCIMENTO, C. A. do. Princípio de funcionamento da célula fotovoltaica, 2004.

[4] MAGANHA, G.V. S. Eletrônica Analógica Aula 1. 2014. Disponível em <http://www.minipaeducation.com.br/Videos/Aula1.mp4>

[5] MAGANHA, G.V. S. Eletrônica Analógica Aula 2. 2014. Disponível em <http://www.minipaeducation.com.br/Videos/Aula%202.mp4>

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Exp. 2 Estudo dos Parâmetros do Painel Solar

Descrição do experimento: Estudo dos Parâmetros do Painel Solar.

Objetivo: Obter o comportamento do painel fotovoltaico. Verificar com as variáveis elétricasreagem a variação do ângulo de incidência luminosa e à diferentes luminosidades.

Materiais utilizados: • Computador com o software Midas Studio;• Cabos com bornes de 4 mm;• Resistências (5 W);• Resistência variável (2 Ω – 60 Ω).


A bancada de energias renováveis tem como um de seus estudos principais, a geração deenergia elétrica através do efeito fotovoltaico. Essa geração ocorre através da conversão de energiaque acontece no painel fotovoltaico, também conhecido como painel solar. Onde através daincidência da radiação eletromagnética, proveniente do sol, em um dispositivo semicondutorfotossensível, gerá o efeito fotovoltaico e, assim, uma corrente elétrica [5].

A célula fotovoltaica consistem em duas camadas de silício dopado com impurezas do tipo pe do tipo n [6]. Seu princípio de funcionamento é o mesmo de um diodo comum, quando é incididoum fóton com energia suficiente para deslocar um elétron de valência, sobre essa junção, esteelétron vai passar para a banda de condução, surgindo um fluxo de corrente [2].

Existem dois principais tipos de painéis solares de silício: os monocristalinos e ospolicristalinos.

As células de silício monocristalino são mais eficientes pois possuem um rendimento de16%, porém apresentam um elevado custo e uma maior complexidade da produção do que a célulade silício policristalina que apresenta um rendimento inferior (11 a 13%) [1]. A tecnologia de painelfotovoltaico presente na bancada é a célula de silício policristalina.

Características elétrica de uma célula fotovoltaica:Existem alguns parâmetros elétricos dos painéis fotovoltaicos que são essenciais para o

compreendimento do mesmo, que são [3]:• Tensão de circuito aberto ( V OC ): corresponde ao valor de tensão quando a corrente de

saída do painel é nula. É o valor máximo da tensão fornecida pelo módulo fotovoltaico. • Corrente de curto circuito ( I SC ): corresponde ao valor de corrente quando a tensão de

saída do painel é nula. É o valor máximo da corrente fornecida pelo módulo fotovoltaico.• Potência máxima ( Pmax ): em um módulo fotovoltaico, para uma dada condição

climática, só existe um ponto onde a potência elétrica gerada tem seu valor máximo. Esteponto corresponde ao produto da tensão respectiva ao ponto de máxima potência e acorrente respectiva ao ponto de máxima potência. Isso pode ser melhor analisado na curvade corrente por tensão ideal de um painel fotovoltaico.

• Tensão de potência máxima ( V MP ): é a tensão correspondente com o ponto de potênciamáxima.

• Corrente de potência máxima ( I MP ): é a corrente correspondente com o ponto depotência máxima.

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É importante notar que tanto no ponto de tensão de circuito aberto quanto no ponto decorrente de curto circuito a potência gerada é nula, isso é uma verdade intrínseca já que a potência éa multiplicação entre a tensão e a corrente.

Curvas características de um módulo fotovoltaico [1] e [5]:

Analisando essas curvas conclui-se que até o ponto de máxima potência o painel comporta-se como uma fonte de corrente, isto é, para grandes variações de tensão têm-se baixa variação decorrente. Após o ponto de máxima potência o painel tende a se comportar como fonte de tensão,pois para baixas variações de tensão têm-se grandes variações no valor da corrente.

Para um estudo mais aprofundado pode-se modelar o painel fotovoltaico por um circuitoelétrico como mostrado na figura [4]:

O fabricante do painel, que está presente na bancada, apresenta os seguintes parâmetros:

Parâmetro Valor

Pmax 10 W

V MP 17,9 V

I MP 0,56 A

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V OC 22,41 V

I SC 0,61 A

Com esses parâmetros podemos calcular a resistência equivalente que leva ao ponto demáxima potência no painel.

RMP=V MP

I MP

=17,90,56

=31,96Ω

Experiência prática:Essa experiência é dividida em três estudos. O primeiro estudo será com o painel

fotovoltaico na condição de circuito aberto. O segundo com o painel na condição de curto circuito eo terceiro com carga. Com o objetivo de que o aluno tenha condições de comparar as três condiçõese montar a curva característica do painel.

Primeiro estudo:

Passos para a realização do primeiro estudo:• Ligue a bancada;• Na bancada, interligue a saída do painel solar à medição de tensão CC, como demonstrado

na figura à cima, os números representam os nós do circuito;• Conecte a bancada ao computador através da porta USB; • No computador, inicialize o software Midas Studio;• Crie um Novo projeto (Mais informações consulte o manual do software Midas Studio);






• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Tensão no painel solar circuito aberto”;• Salve o gráfico;• Selecione a porta serial que está conectando a bancada ao computador;• Ajuste o intervalo de amostragem para 3 segundos;• Salve os gráficos;• Salve o projeto, clicando em Salvar projeto , por exemplo: “Painel solar circuito em aberto”;

• Clique em Aquisição ;• Na bancada, coloque a luminária na posição de -60°;• Ajuste a luminosidade no seu valor máximo;• No Midas Studio, clique em Iniciar ;

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• Na bancada, varie o ângulo de incidência luminosa 30° para cada amostragem até atingir 60°;

• No computador, clique em Parar ;

• Exporte os dados adquiridos, clique em Exportar ;• Clique na seta voltar;• Depois, clique em Aquisição , uma segunda vez;• Na bancada, coloque a luminária na posição de 0° e a intensidade luminosa em 0;• No Midas Studio, clique em Iniciar ;• Na bancada, aumente a intensidade luminosa de 0 à 7 posições do potenciômetro, cuidado



Segundo estudo:

Passos para a realização do segundo estudo:• Com a bancada ligada, interligue a saída do painel solar à medição de corrente CC, como

demonstrado na figura à cima, os números representam os nós do circuito;• Verifique se a bancada está conectada ao computador; • No computador, inicialize o software Midas Studio;• Crie um Novo projeto (Mais informações consulte o manual do software Midas Studio);






• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Corrente no painel solar circuito em curto

circuito”;• Salve o gráfico;• Selecione a porta serial que está conectando a bancada ao computador;• Ajuste o intervalo de amostragem para 3 segundos;• Salve o projeto, clicando em Salvar projeto , por exemplo: “Painel solar circuito em curto

circuito”;• Clique em Aquisição ;• Na bancada, coloque a luminária na posição de -60°;• Ajuste a luminosidade no seu valor máximo;• No Midas Studio, clique em Iniciar ;• Na bancada, varie o ângulo de incidência luminosa 30° para cada amostragem até atingir

20

60°;• No computador, clique em Parar ;

• Exporte os dados adquiridos, clique em Exportar ;• Clique na seta voltar;• Depois, clique em Aquisição , uma segunda vez; • Na bancada, coloque a luminária na posição de 0° e a intensidade luminosa em 0;• No Midas Studio, clique em Iniciar ;• Na bancada, aumente a intensidade luminosa de 0 à 7 posições do potenciômetro, cuidado



Terceiro estudo:

Passos para a realização do terceiro estudo:• Com a bancada ligada, interligue a saída do painel solar à medição de corrente CC em série

com uma resistência, também, conecte em paralelo uma medição de tensão CC, como demonstrado na figura (os números representam os nós do circuito);







• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Tensão no painel solar circuito com carga”;• Salve o gráfico;• Adicione um segundo gráfico, clique em Adicionar ;



21



• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Corrente no painel solar circuito com carga”;• Salve o gráfico;• Selecione a porta serial que está conectando a bancada ao computador;• Ajuste o intervalo de amostragem para 3 segundos;• Salve o projeto, clicando em Salvar projeto , por exemplo: “Painel solar circuito com carga”;

• Clique em Aquisição ;• Na bancada, coloque a luminária na posição de -60°;• Ajuste a luminosidade no seu valor máximo;• No Midas Studio, clique em Iniciar ;• Na bancada, varie o ângulo de incidência luminosa 30° para cada amostragem até atingir

60°;• No computador, clique em Parar ;

• Exporte os dados adquiridos, clique em Exportar ;• Clique na seta voltar;• Depois, clique em Aquisição , uma segunda vez;• Na bancada, coloque a luminária na posição de 0° e a intensidade luminosa em 0;• No Midas Studio, clique em Iniciar ;• Na bancada, aumente a intensidade luminosa de 0 à 7 posições do potenciômetro, cuidado


• Exporte os dados adquiridos, clique em Exportar ;• Clique na seta voltar;• Depois, clique em Aquisição , uma terceira vez;• Na bancada, verifique se a luminária está na posição de 0° e que a sua intensidade luminosa

está no valor máximo;• No Midas Studio, clique em Iniciar ;• Na bancada, cubra 1/4 do painel solar, espere acontecer uma amostragem, cubra 1/2 do

painel solar, espere acontecer mais uma amostragem, cubra 3/4 do painel solar, espere acontecer outra amostragem e cubra completamente o painel solar;


• Exporte os dados adquiridos, clique em Exportar ;• Clique na seta voltar;• Clique em Editar projeto ;

• Adicione um terceiro gráfico, clique em Adicionar ;


• No campo Nome do Eixo, selecione Potência Real no Painel Solar ;



• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Potência no painel solar circuito com carga”;• Salve o gráfico;• Depois, clique em Aquisição , uma quarta vez;

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• Na bancada, garanta que a luminária está na posição de 0°, a intensidade luminosa no máximo e o painel está sem sombra;

• Substitua a resistência fixa por uma resistência variável (2 Ω – 60 Ω );• Garanta que a resistência está no seu menor valor;• No Midas Studio, clique em Iniciar ;• Aumente a resistência a cada 2 Ω até o valor máximo, cuidado para cada valor novo esteja

em uma amostragem diferente da anterior;• No computador, clique em Parar ;




Organize os dados adquiridos, completando com as informações que não foram medidas(ângulo e intensidade luminosa):

Referente ao primeiro estudo:Faça tabelas relacionando ângulo com tensão de circuito aberto e intensidade (pode ser

intensidade 1,2,…) com tensão de circuito aberto. Se houver necessidade, pode-se fazer tabela querelacionam o valor médio por ângulo, isto é, das muitas medições que foram realizadas no mesmoângulo de incidência luminosa faz-se uma média dos valores de tensão em aberto correspondente. Omesmo pode ser feito para a intensidade luminosa.

Exemplo de tabela:Tratamento de Dados Circuito em Aberto

Ângulo Incidência (º) Tensão CC no Painel Solar (V)

Ângulo (º) Tensão Média para cadaÂngulo (V)

-60 -60

-60 -30

Intensidade Luminosa Tensão CC no Painel Solar (V)

Intensidade Tensão Média para cadaIntensidade (V)

1 1

1 2

Para uma melhor compreensão dos resultados do experimento faça os seguintes gráficos:(a) Tensão X Tempo;(b) Tensão X Ângulo;(c) Tensão Média por Ângulo X Ângulo (Caso necessário);(d) Tensão X Intensidade Luminosa;(e) Tensão Média por Ângulo X Intensidade Luminosa (Caso necessário);

Trace a linha de tendência onde for possível e retire a sua equação.

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Referente ao segundo estudo:Faça tabelas relacionando ângulo com a corrente de curto circuito e intensidade (pode ser

intensidade 1,2,…) com a corrente de curto circuito. Se houver necessidade, pode-se fazer tabelaque relacionam o valor médio por ângulo, isto é, das muitas medições que foram realizadas nomesmo ângulo de incidência luminosa faz-se uma média dos valores de corrente de curto circuitocorrespondente. O mesmo pode ser feito para a intensidade luminosa.


Ângulo Incidência (º) Corrente CC noPainel Solar (mA)

Ângulo (º) Corrente Média para cadaÂngulo (V)

-60 -60

-60 -30

Intensidade Luminosa Corrente CC noPainel Solar (mA)

Intensidade Corrente Média para cadaIntensidade (V)

1 1

1 2

Para uma melhor compreensão dos resultados do experimento faça os seguintes gráficos:(a) Corrente X Tempo;(b) Corrente X Ângulo;(c) Corrente Média por Ângulo X Ângulo (Caso necessário);(d) Corrente X Intensidade Luminosa;(e) Corrente Média por Ângulo X Intensidade Luminosa (Caso necessário);


Referente ao Terceiro estudo:Faça tabelas relacionando ângulo com tensão e a corrente e intensidade (pode ser

intensidade 1,2,…) com tensão e corrente. Se houver necessidade, pode-se fazer tabela querelacionam o valor médio por ângulo, isto é, das muitas medições que foram realizadas no mesmoângulo de incidência luminosa faz-se uma média dos valores de tensão e corrente correspondente. Omesmo pode ser feito para a intensidade luminosa.

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Exemplo de tabela:Tratamento de Dados Circuito com Carga Fixa

ÂnguloIncidência (º)



Solar (mA)

Ângulo (º) Tensão Médiapara cadaÂngulo (V)

Corrente Médiapara cada Ângulo

(mA)

-60 -60

-60 -30

IntensidadeLuminosa



Solar (mA)

Intensidade Tensão Médiapara cada

Intensidade (V)

Corrente Médiapara cada

Intensidade (mA)

1 1

1 2

Para uma melhor compreensão dos resultados do experimento faça os seguintes gráficos.(a) Corrente X Tempo;(b) Corrente X Tempo;(c) Tensão X Ângulo;(d) Corrente X Ângulo;(e) Tensão Média por Ângulo X Ângulo (Caso necessário);(f) Corrente Média por Ângulo X Ângulo (Caso necessário);(g) Tensão X Intensidade Luminosa;(h) Corrente X Intensidade Luminosa;(i) Tensão Média por Ângulo X Intensidade Luminosa (Caso necessário);(j) Corrente Média por Ângulo X Intensidade Luminosa (Caso necessário);


Faça, também, uma tabela relacionando a porcentagem do painel coberto com tensão e a corrente.

Exemplo de tabela:Painel coberto (%) Tensão CC no Painel

Solar (V)Painel coberto (%) Corrente CC no Painel

Solar (mA)

0 0

0 0

Para uma melhor compreensão dos resultados do experimento faça os seguintes gráficos.(a) Tensão X Tempo;(b) Corrente X Tempo;(c) Tensão X Porcentagem de Sombra;(d) Corrente X Porcentagem de Sombra;


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Para finalizar, faça tabelas relacionando resistência com tensão, corrente e potência.

Exemplo de tabela:Resistência (Ω) Tensão CC

no Painel Solar (V)

Resistência (Ω) Corrente CCno Painel

Solar (mA)

Resistência (Ω) Potência Realno PainelSolar (W)

2 2 2

2 2 2

Para uma melhor compreensão dos resultados do experimento faça os seguintes gráficos.(a) Tensão X Tempo;(b) Corrente X Tempo;(c) Potência X Tempo;(d) Corrente X Tensão;(e) Tensão X Resistência;(f) Corrente X Resistência;(g) Potência X Resistência;(h) Potência X Tensão;(i) Potência X Corrente.


Questionário:1) Os valores de tensão e corrente são mais altos para algum ângulo? Justifique. Esse fenômeno ocasiona algum problema na prática? Pesquise métodos para minimizar este problema.

2) Compare os dados obtidos com o circuito sem a carga e com o circuito com a carga fixa. Aponte as diferenças e explique o que as ocasionam.

3) Os valores de tensão e corrente são proporcionais à luminosidade da lâmpada? Se sim, quanto vale essa proporção?

4) Por que os valores de tensão e corrente diminuem ao se cobrir parte do painel? Pode-se concluir que esse decaimento é exponencial ou linear? Justifique.

5) Existe um ponto de máxima potência? Por que com a variação da resistência a potência varia?

6) Qual a conclusão pode-se obter a partir do gráfico de Corrente X Tensão no estudo variando a resistência de carga? De que modo essas variáveis estão correlacionadas? Delimite as regiões onde o painel está funcionando como fonte de corrente e fonte de tensão. Explique como você chegou nessas conclusões.

7) Analisando o gráfico de Corrente X Tensão do estudo variando a resistência e os estudos de circuito aberto e curto circuito, como você pode relacioná-los?


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Referências Bibliográficas:

[1] CABRAL, J. B. R. F. Conversor CC-CC não isolado de elevado ganho para aplicação noprocessamento de energia solar fotovoltaica, 2013.

[2] FACCHINELLO, G.G. Projeto de um inversor com comando auto-oscilante para emprego em um sistema autônomo de bombeamento de água a partir de painéis fotovoltaicos, 2014.

[3] GAVILÁN, E. J. M. Estudo da influência de diferentes modulações na tensão de modo comum e eficiência de inversores monofásicos aplicado ao processamento de energia solar fotovoltaica, 2013.

[4] ODAGUIRI, V. T. Conversor de impedância com aplicação em células fotovoltaicas, 2015.

[5] STEIN, F. G. Conversão de energia solar fotovoltaica com rastreamento de máxima potência aplicado ao conversor boost, 2012.


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Exp. 3 Estudo dos Parâmetros do Gerador Eólico

Descrição do experimento: Estudo do sistema de geração eólica.

Objetivo: Entender como funciona um sistema de geração eólica. Comparar um sistema degeração eólica comercial com o existente na bancada. Obter o comportamento elétrico do geradoreólico. Verificar com as variáveis elétricas reagem a variação do ângulo de incidência do vento naspás e à diferentes velocidades de vento.

Materiais utilizados: • Computador com o software Midas Studio;• Cabos com bornes de 2 mm e 4 mm;• Resistências (5 W);• Resistência variável (2 Ω – 60 kΩ).


O vento:A energia eólica é definida como a energia cinética de translação contida nas massas de ar

em movimento (vento) [1] e [4]. Ela é consequência da radiação solar, uma vez que os ventos sãogerados pelo aquecimento não uniforme da superfície terrestre e pelo movimento do planeta [2].

Assim, as massas de ar mais quentes sobem na atmosfera e geram zonas de baixa pressãojunto à superfície da terra. Como consequência, massas de ar frio deslocam-se para essas zonas debaixa pressão e dão origem ao vento por convecção. Como a terra rotaciona, o ar é deslocado pelaforça de Coriolis, uma pseudo-força inercial. Ainda, as regiões tropicais, sendo mais próximas dosol, são mais aquecidas que as regiões polares. Que também por convecção gera ventos.

Para avaliar a velocidade e a qualidade do vento em um certo local, é necessário levar emconsideração todos os parâmetros regionais que influenciam nas condições do vento, os principaisfatores são[3]:

• A variação da velocidade do vento com a altura: os ventos mais fortes e constantes situam-seem alturas superiores a um quilômetro da superfície terrestre;

• A temperatura: a temperatura da superfície forma um mecanismo local para geração deventos, com variações sazonais de direção e intensidade;

• Rugosidade do terreno: a rugosidade do terreno é caracterizada pela vegetação, utilização daterra e construções. O mar apresenta uma rugosidade muito baixa. Deste modo, os ventos nomar são mais constantes;

• Obstáculos: os obstáculos também exercem grande influência sobre a velocidade dos ventos,podendo se manifestar com enfraquecimento, a partir de turbulência (a turbulência é um tipode vento local e é definido como sendo uma variação não linear quer em intensidade, querna direção da velocidade do vento) e sombra eólica, ou fortalecimento, a partir decompressão horizontal ou vertical.Pode-se utilizar uma distribuição de probabilidade de Weibull para caracterizar a frequência

de ocorrência de determinada velocidade de vento.

Vantagens e Desvantagens:A geração de energia elétrica utilizando a energia do vento tem grandes atrativos, como [8]:

• Tempo reduzido de construção do parque eólico;• Construção modular, de fácil expansão;• Não emissão de gases de efeito estufa;

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• Independência da variação dos preços de combustíveis;• Possibilidade de uso do terreno para outros fins, como agricultura e pecuária;• Regime de vento complementar ao regime hidrológico, possibilitando armazenamento de

água durante períodos de poucas chuvas;• A instalação pode ocorrer em regiões secas, pois não necessita de água para a produção de

eletricidade, como é o caso das termoelétricas, incluindo as nucleares.

Como todo sistema, apresenta algumas desvantagens:• Poluição visual;• Ruído audível durante a rotação das pás;• Cintilação luminosa (luz do sol através das pás em movimento).• Alto custo inicial de implantação;• Difícil previsibilidade da velocidade do vento;• Velocidade dos ventos com intensidade variáveis e intermitentes;• Morte de pássaros, apesar de ser em um nível muito inferior a morte de pássaros em linhas

de transmissão ou pela poluição atmosférica.

Aerogerador:Para gerar energia elétrica através da energia cinética do vento é necessário um aerogerador.

Se houver um conjunto de aerogeradores diz-se que constituem uma fazenda eólica (Wind farms) ouum parque eólico. Esses aerogeradores podem ser conectados a banco de bateria ou, maiscomumente a rede elétrica (através de conversores de potência).

Os principais componentes de um aerogerador estão apresentados a seguir, conforme [5], [6]e [9]:

• Nacele: Contém os componentes aerogerador incluindo entre outros a caixa de engrenageme o gerador elétrico;

• Pás do rotor (hélices): Captura a energia existente no vendo e a transfere para o cone dorotor;

• Cubo: Liga as pás ao eixo de baixa rotação da turbina eólica;• Eixo de baixa rotação: Conecta o cone do rotor a caixa de engrenagens. Nesse eixo estão

instaladas as tubulações hidráulicas utilizadas para habilitar a operação do freioaerodinâmico;

• Caixa de engrenagens (opcional): É utilizada para converter a baixa rotação e o altoconjugado da turbina eólica em alta velocidade e mais baixo conjugado que podem serusados pelo gerador;

• Eixo de alta rotação: Aciona o gerador elétrico. Ele pode ser equipado com um freio adisco, usado em caso de falha do freio aerodinâmico ou na partida da turbina eólica;

• Gerador elétrico: Convertem a energia mecânica rotacional de seu eixo em energia elétrica.Qualquer máquina elétrica pode atuar como um gerador, porém em grande sistema utiliza-seou as máquinas síncronas (principalmente de ímãs e com muitos polos, nesse caso não há anecessidade da caixa de engrenagem) ou de indução (que necessitando da caixa deengrenagem mas, se for com rotor de gaiola não necessita de conversores de potência. Eainda, se for com o rotor bobinado, pode-se utilizar conversores de potência com potêncianominal inferior a potência nominal do gerador);

• Conversor eletrônico (Opcional): É utilizado para fazer a conexão da energia gerada com aenergia da rede assegurando a mesma frequência e outros aspectos que são essenciais. Énecessário em sistemas que utilizam velocidade variável, pois a partir dele é possívelcontrolar a potência extraída do vento;

• Transformador elevador: Eleva a tensão gerada para níveis de transmissão;• Controle de giro: É conhecido também como mecanismo de orientação. Utiliza motores

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elétricos para girar a nacele junto ao rotor contra o vento;• Torre: sustenta a nacele e o rotor na altura onde os ventos possuem melhores condições para

o aproveitamento eólico;• Sensores de vento: Basicamente, são o anemômetro e a veleta. O anemômetro mede a

velocidade do vento enquanto que a velete monitora a direção do vento.A figura a seguir, retirada de [6], apresenta a localização de cada componente de um

aerogerador.

Princípios Aerodinâmicos:A energia cinética associada a uma coluna de ar que se desloca a uma velocidade uniforme e

constante é a energia disponível para uma turbina eólica [3]. O ar é captado pelas pás da turbina querealizam um movimento circular. Assim, a energia absorvida pela turbina pode ser expresso pelataxa de extração de energia cinética do tubo de vento de entrada. Ao passar pela turbina, há umaperda de energia cinética da coluna de ar, isso gera a diminuição da velocidade do vento. Como avazão é constante, o tubo de vento, após a passagem pela turbina, possui um diâmetro maior que oinicial, como visto na figura a seguir.

Assim, pode-se escrever que a área de varredura das pás se dá por:AS=π r S

2 ,onde rs é o raio de varredura. Sabendo que a energia cinética é dada por:

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EC=12

m ν2 ,

a potência instantânea é descrita como

p=dWdt

=dEC

dtconsiderando que a energia EC é toda convertida em trabalho W .

A massa do fluxo é dada por:m=ρ AS νt t

de modo que a potência mecânica que atinge a turbina Pt é:

Pt=EC t

t=

12ρ AS νt t

νt2

t=

12ρ AS νt

3 ,

onde νt é a velocidade do vento (m/s) e ρ é a densidade específica (kg/m3).Como a potência mecânica ( Pm ) tem várias perdas, a potência Pt multiplicada pelo

rendimento resultará na potência mecânica.

Pm=ηt(12

ASρνt3) .

A potência mecânica da turbina é uma função cúbica da velocidade do vento.A lei de Betz ou limite de Betz estabelece a potência máxima teórica que pode ser extraída

do vento. Este limite é devido a própria natureza das turbinas.A velocidade que entra na lâmina ν1 da turbina é maior do que a velocidade ν3 que a

deixa, segundo a figura logo a cima. Portanto substituindo essas informações obtemos:

P3=12

AS ρ(ν1−ν3)3=

12

ASρ(ν1+ν3

2)(ν1

2−ν3

2) .

A potência disponível para a turbina é dada por:

P1=12

A s ρν13 .

Assim, podemos calcular a eficiência da turbina:

ηt=P3

P1

=

(ν1+ν3

2)(ν1

2−ν3

2)

ν3=

12(1−

ν32

ν12 )(1+

ν3ν1

) .

Para obter máxima eficiência teórica deriva-se a equação a cima em relação ao tempo eiguala-se a zero:

d ηt

dt=

12[1−2(

ν3ν1

)−3(ν3ν1

)2

]=0

ν3ν1

=13

.

Substituindo esse resultado na mesma equação antes de ser derivada, obtém-se o rendimentomáximo teórico, ou a lei de Betz:

ηt máx≈59,3 %.

Essa mesma conclusão pode ser obtida através da lei de conservação das massas, utilizandoa segunda lei de Newton (princípio do empuxo) e a conservação de energia de Bernoulli.

Define-se coeficiente de potência ( CP(λ ,β) ) como sendo o valor máximo de potênciaque se pode extrair de uma turbina eólica. O coeficiente de potência é função do ângulo de passodas hélices (β), que diz respeito ao ângulo da força de sustentação do vento na pá, e da relaçãolinear entre a velocidade do vento e a velocidade da ponta da hélice (λ), também conhecida comovelocidade de ponta de eixo (TSR) [8]. Essas são características construtivas das pás, por isso, ocoeficiente de potência geralmente é determinado de forma prática.

A velocidade de ponta da turbina é a relação entre a velocidade tangencial na ponta da pá do

31

rotor e a velocidade do vento incidente. O ponto de máxima potência é função diretamente desseparâmetro. O gráfico a baixo, retirado de [1], apresenta a característica de TSR para uma dadaturbina eólica.

Pode-se avaliar a família de curvas descritas por um coeficiente de potência de uma turbinaespecífica. Conforme o ângulo de passo aumenta as curvas diminuem a amplitude. Assim,idealmente o ângulo de passo deveria ser zero.

Velocidade Fixa e Velocidade Variável: As turbinas eólicas podem ser classificadas conforme o sistema de velocidade que atuam [7].

Em velocidade de rotação fixa ou velocidade de rotação variável. A seguir será apresentado ascaracterísticas de cada modo, sistemas em que podem ser aplicadas, suas vantagens e desvantagens.

Operação em velocidade fixa: Como o próprio nome indica, a operação em velocidade fixa se dá com a rotação da turbina

operando em uma velocidade quase constante [7]. Essa velocidade angular é diretamenteinfluenciada peça frequência da rede e pelo número de polos da máquina de geração. Isso ocorrepois nessa configuração geralmente é utilizado o gerador de indução com gaiola de esquilo,segundo [1] e [5]. E esse gerador é conectado diretamente a rede elétrica [3]. A frequência da redefixa uma frequência de rotação (velocidade angular). Essa rotação fixa não é controlável, assim, nãoé possível armazenar as variações do vento em forma de energia rotacional mecânica. A figura aseguir, retirada de [5], apresenta a característica de relação de velocidade de ponta de eixo (TSR) deuma turbina operando nessas condições.

Observa-se que para várias velocidades do vento a turbina operará apenas em umavelocidade de rotação. Assim, a potência gerada será máxima apenas para uma certa velocidade dovento [5]. Com isso, esse modo de operação leva a turbina a uma perda de eficiência nas demais

32

velocidades do vento. Esse modo de operação apresenta como vantagens o baixo custo de implementação, a

robustez do sistema e a facilidade para realizar a conexa a rede. A conexão a rede apesar de ser deforma direta necessita um banco de capacitores variáveis para compensar a energia reativa [1].

Já as desvantagens se dão na necessidade do gerador estar conectado em redes fortes(barramento infinito), pois as variações de vento seriam convertidas em flutuações de tensão efrequência se conectados a redes fracas [1]. Os sistemas mecânicos devem ser projetados paraabsorver turbulências geradas pela variação da velocidade do vento [5]. Em casos de falta da redeelétrica a tensão e a potência reativa não é controlada, isso pode levar a instabilidade de tensão [1].

Operação com velocidade variável:Com a operação com velocidade variável o gerador pode operar em várias velocidades de

rotação. Isso ocorre, pois há um desacoplamento entre a frequência de operação da máquinageradora e da frequência da rede em que esta está conectada [1]. Esse desacoplamento é realizadopor estrutura de conversores de potência, que geram uma etapa de corrente contínua entre oprocesso de geração de energia. Assim, a turbina pode ajustar a sua velocidade conforme avelocidade do vento sem causar danos a estrutura mecânica ou elétrica do sistema [7].

O controle da potência, da tensão e da frequência é realizado por meio desse conversor depotência. Para turbinas eólicas de grande porte é desejável a operação com velocidade variável [5]pois consegue-se retirar maior potência da turbina, através de algorítimos de rastreamento de pontode máxima potência.

Na figura a seguir, retirado de [5], apresenta-se a característica de relação de velocidade deponta de eixo (TSR) de uma turbina operando nessas condições.

Observa-se que é possível variar a velocidade angular da turbina conforme a velocidade dovento varia, com o objetivo de “caminhar” pelos pontos de máxima potência relativo a cada faixa develocidade do vento. Para que seja possível a extração da máxima potência da turbina deve-semanter o TSR constante em seu valor ótimo. Ainda, para conseguir essa característica de máximapotência, foram desenvolvidos, ao longo da história tecnológica das turbinas eólicas, váriosalgorítimos chamados de rastreadores de ponto de máxima potência (Maximum Power PointTracking – MPPT).

As principais vantagens da operação com velocidade variável são:• O aumento da produção de energia elétrica, com a mesma energia cinética disponível pelo

vento, para uma grande faixa de velocidade do vento;• Energia de melhor qualidade, pode-se controlar a quantidade necessária de geração de

energia ativa e reativa;• Solicitação de esforços mecânicos reduzido, reduzindo os desgastes nos componentes

mecânicos e o ruído acústico;• Aumento da confiabilidade do sistema de geração.

A principal desvantagem desse mesmo sistema é o custo dos conversores de potência e a

33

inserção necessária desse equipamento ao sistema de geração.

Métodos de limitação de potência:Para velocidades do vento superiores da velocidade nominal de operação é necessário limitar

a potência mecânica da turbina. Essa limitação pode ser efetuada por meios passivos ou ativos [5]:• Limitações passivos: o perfil das pás é projetado de tal forma que quando certa velocidade é

ultrapassada a pá gere em si mesma perdas aerodinâmicas de potência;• Limitações ativas: varia-se o passo da pá com o objetivo de diminuir a força de arrasto que

pressiona a pá, limitando a potência.

Dentre os dois tipos de limitações exitem três principais métodos utilizados atualmente [3]:• Controle de potência com perdas aerodinâmicas passivas: Nesse método as pás são fixas no

rotor, ou seja, não existe mecanismo para girar as pás em torno do seu próprio eixo. Essemétodo utiliza o fato que o ângulo de ataque aumenta com o aumento da velocidade dovento, e ocasiona perdas aerodinâmicas. Assim, esse método é auto regulado.

• Controle de potência com variação ativa do passo: As turbinas eólicas com pás que podemrotacionar em torno do seu eixo longitudinal conseguem limitar a potência de saída atravésdo ângulo de ataque. As pás são giradas no sentido de diminuir o ângulo de ataque, econsequentemente diminuindo as forças aerodinâmicas.

• Controle de potência com perdas aerodinâmicas ativa: Este método tem por objetivocombinar as vantagens da regulação por passo com a robustez da regulação por perdaaerodinâmica passiva. A direção de rotação das pás em torno do seu eixo é realizada demodo a aumentar o ângulo de ataque e, consequentemente, diminuir a força de sustentação eaumentar a força de arrasto.

Experiência prática:Essa experiência é dividida em três estudos. O primeiro estudo será com o gerador eólico na

condição de circuito aberto. O segundo com o gerador na condição de curto circuito e o terceirocom carga. Com o objetivo de que o aluno tenha condições de comparar as três condições.

Primeiro estudo:

Passos para a realização do primeiro estudo:• Ligue a bancada;• Na bancada, interligue a saída do gerador eólico à medição de tensão CC, como

demonstrado na figura à cima, os números representam os nós do circuito;

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• Para adquirir o ângulo do gerador, faça a ligação conforme apresentado na figura à cima. Para a velocidade do vento interligue as entradas digitais como apresentado na mesma figura;

• Conecte a bancada ao computador através da porta USB; • No computador, inicialize o software Midas Studio;• Crie um Novo projeto (Mais informações consulte o manual do software Midas Studio);


• Na lista Variáveis, selecione Gerador Eólico ;

• No campo Nome do Eixo, selecione Tensão CC no Gerador Eólico ;



• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Tensão no gerador eólico circuito aberto”;• Salve o gráfico;• Adicione um segundo gráfico, clique em Adicionar ;


• No campo Nome do Eixo, selecione Ângulo do Aerogerador ;

• Selecione no campo Canal, o canal AN1 ;


• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Ângulo do gerador eólico circuito aberto”;• Salve o gráfico;• Adicione um terceiro gráfico, clique em Adicionar ;


• No campo Nome do Eixo, selecione Velocidade do Vento ;

• Selecione no campo Canal, o canal DI2 ;


• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Velocidade do vento para o circuito na condição

de circuito aberto”;• Salve o gráfico;• Selecione a porta serial que está conectando a bancada ao computador;• Ajuste o intervalo de amostragem para 3 segundos;• Salve o projeto, por exemplo: “Gerador eólico circuito em aberto”;• Clique em Aquisição ;• Na bancada, coloque o gerador na posição de -20°;• Ajuste a intensidade do vento no seu valor máximo;• No Midas Studio, clique em Iniciar ;• Na bancada, varie o ângulo de incidência a cada 5° para cada amostragem até atingir 20°,

sugere-se realizar variações angulares menores, porém que cada variação ocorra em um período de amostragem diferente;

• No computador, ao final do estudo, clique em Parar ;

• Exporte os dados adquiridos, clique em Exportar ;• Clique na seta voltar;• Depois, clique em Aquisição , uma segunda vez;

35

• Na bancada, coloque o gerador na posição de 0° e a velocidade do vento em 0;• No Midas Studio, clique em Iniciar ;• Na bancada, aumente a velocidade movendo o potenciômetro lentamente, cuidado para

variar cada posição em uma amostragem diferente;• No computador, clique em Parar ;


Segundo estudo:

Passos para a realização do segundo estudo:• Na bancada, interligue a saída do painel solar à medição de corrente CC, como demonstrado

na figura à cima, os números representam os nós do circuito;• Para adquirir o ângulo do gerador, faça a ligação conforme apresentado na figura à cima.

Para a velocidade do vento interligue as entradas digitais como apresentado na mesma figura;




• No campo Nome do Eixo, selecione Corrente CC no Gerador Eólico ;



• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Corrente no gerador eólico circuito em curto

circuito”;• Salve o gráfico;• Adicione um segundo gráfico, clique em Adicionar ;





• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Ângulo do gerador eólico circuito aberto”;• Salve o gráfico;

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• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Velocidade do vento para o circuito na condição

de curto circuito do aerogerador”;• Salve o gráfico;• Selecione a porta serial que está conectando a bancada ao computador;• Ajuste o intervalo de amostragem para 3 segundos;• Salve o projeto, por exemplo: “Gerador eólico circuito em curto circuito”;• Clique em Aquisição ;• Na bancada, coloque o gerador na posição de -20°;• Ajuste a intensidade do vento no seu valor máximo;• No Midas Studio, clique em Iniciar ;• Na bancada, varie o ângulo de incidência luminosa 1° para cada amostragem até atingir 20°,

pode-se realizar variações menores, porém que cada variação ocorra em um período de amostragem diferente;


• Exporte os dados adquiridos, clique em Exportar ;• Clique na seta voltar;• Depois, clique em Aquisição , uma segunda vez;• Na bancada, coloque o gerador na posição de 0° e a velocidade do vento em 0;• No Midas Studio, clique em Iniciar ;• Na bancada, aumente a velocidade movendo o potenciômetro lentamente, cuidado para



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Terceiro estudo:

Passos para a realização do terceiro estudo:• Na bancada, faça a ligação dos módulos conforme demonstrado na figura à cima, os

números representam os nós do circuito, utilize uma carga fixa;• Para adquirir o ângulo do gerador, faça a ligação conforme apresentado na figura à cima.

Para a velocidade do vento interligue as entradas digitais como apresentado na mesma figura;




• No campo Nome do Eixo, selecione tensão CC no Gerador Eólico ;



• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Tensão no gerador eólico circuito com carga”;• Salve o gráfico;• Adicione um segundo gráfico, clique em Adicionar ;





• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Corrente no gerador eólico circuito com carga”;• Salve o gráfico;• Adicione um terceiro gráfico, clique em Adicionar ;

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• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Ângulo do gerador eólico circuito com carga”;• Salve o gráfico;• Adicione um quarto gráfico, clique em Adicionar ;





• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Velocidade do vento circuito com carga”;• Salve o gráfico;• Selecione a porta serial que está conectando a bancada ao computador;• Ajuste o intervalo de amostragem para 3 segundos;• Salve o projeto, por exemplo: “Gerador eólico circuito com carga”;• Clique em Aquisição ;• Na bancada, coloque o gerador na posição de -20°;• Ajuste a intensidade do vento no seu valor máximo;• No Midas Studio, clique em Iniciar ;• Na bancada, varie o ângulo de incidência luminosa 1° para cada amostragem até atingir 20°,

pode-se realizar variações menores, porém que cada variação ocorra em um período de amostragem diferente;


• Exporte os dados adquiridos, clique em Exportar ;• Clique na seta voltar;• Depois, clique em Aquisição ;• Na bancada, coloque o gerador na posição de 0° e a velocidade do vento em 0;• No Midas Studio, clique em Iniciar ;• Na bancada, aumente a velocidade movendo o potenciômetro lentamente, cuidado para


• Exporte os dados adquiridos, clique em Exportar ;• Clique na seta voltar;• Clique em Editar projeto ;






• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Potência no gerador eólico circuito com carga”;• Salve o gráfico e o projeto;

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• Depois, clique em Aquisição ;• Na bancada, garanta que o Gerador está na posição de 0° e a velocidade do vento no

máximo; • Substitua a resistência fixa por uma resistência variável (2 Ω – 60 Ω );• Garanta que a resistência está no seu menor valor;• No Midas Studio, clique em Iniciar ;• Aumente a resistência a cada 2 Ω até o valor máximo, cuidado para cada valor novo esteja

em uma amostragem diferente da anterior;• No computador, clique em Parar ;




Organize os dados adquiridos, completando com as informações que não foram medidas (resistência), para melhorar a compreensão dos resultados e para uma interpretação mais fácil da influência entre as variáveis estudadas:

Referente ao primeiro estudo:Faça tabelas relacionando ângulo com tensão de circuito aberto e velocidade do vento com

tensão de circuito aberto.


Ângulo do Aerogerador (º) Tensão CC no Gerador Eólico (V)

Velocidade do Vento (m/s) Tensão CC no Gerador Eólico (V)

Para uma melhor compreensão dos resultados do experimento faça os seguintes gráficos:(a) Tensão X Tempo;(b) Tensão X Ângulo;(c) Tensão X Velocidade do Vento.


Referente ao segundo estudo:Faça tabelas relacionando ângulo com a corrente de curto circuito e a velocidade do vento

com a corrente de curto circuito.

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Ângulo do Aerogerador (º) Corrente CC no Gerador Eólico (mA)

Velocidade do Vento (m/s) Corrente CC no Gerador Eólico (mA)

Para uma melhor compreensão dos resultados do experimento faça os seguintes gráficos:(a) Tensão X Tempo;(b) Corrente X Tempo;(c) Corrente X Ângulo;(d) Corrente X Velocidade do vento.


Referente ao Terceiro estudo:Faça tabelas relacionando ângulo com tensão e a corrente e a velocidade do vento com

tensão e corrente.

Exemplo de tabela:Tratamento de Dados Circuito com Carga Fixa

Ângulo do Aerogerador (º) Tensão CC no Gerador Eólico(V)

Corrente CC no GeradorEólico (mA)

Velocidade do Vento (m/s) Tensão CC no Gerador Eólico(V)


Para uma melhor compreensão dos resultados do experimento faça os seguintes gráficos:(a) Tensão X Tempo;(b) Corrente X Tempo;(c) Tensão X Ângulo;(d) Corrente X Ângulo;(e) Tensão X Velocidade do Vento;(f) Corrente X Velocidade do Vento;(g) Potência X Velocidade do Vento.

Trace a linha de tendência onde for possível e retire a sua equação.Para finalizar, faça tabelas relacionando resistência com tensão, corrente e potência.

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Exemplo de tabela:Resistência (Ω) Tensão CC

no Gerador Eólico (V)

Resistência (Ω) Corrente CCno GeradorEólico (mA)

Resistência (Ω) Potência Realno GeradorEólico (W)

2 2 2

2 2 2

Para uma melhor compreensão dos resultados do experimento faça os seguintes gráficos:(a) Tensão X Tempo;(b) Corrente X Tempo;(c) Potência X Tempo;(d) Corrente X Tensão;(e) Tensão X Resistência;(f) Corrente X Resistência;(g) Potência X Resistência; (h) Potência X Tensão;(i) Potência X Corrente.(j) Tensão X Velocidade do Vento;(k) Corrente X Velocidade do Vento;(l) Potência X Velocidade do Vento.


Questionário:1) O que é a turbulência? O que torna um vento turbulento? Na sua opinião, o aerogerador da bancada recebe um vento turbulento? Por quê?

2) O aerogerador da bancada atua em velocidade fixa ou variável? Justifique.

3) Cite três vantagens e três desvantagem da geração de energia pela geração eólica, na sua opinião, ela se demonstra vantajosa? Justifique.

4) Quais componentes de um aerogerador comercial podem ser caracterizados (vistos/trocados)por equipamentos presentes na bancada? Faça um comparativo desses componentes do aerogerador e da bancada. Indique as semelhanças ou diferenças.

5) Na sua opinião, seria necessário implementar um método de limitação de potência na bancada? Se sim, qual seria mais adequado? Justifique. Se não, por quê?

6) O que é o limite de Betz? Esse limite é imposto sobre o rendimento da turbina, sobre o rendimento do gerador elétrico ou sobre o rendimento do sistema de geração?

7) Para qual ângulo do aerogerador a potência gerada é maior? Justifique e comprove com dados experimentais.

8) Para qual velocidade do túnel de vento a potência gerada é maior? Justifique e comprove com dados experimentais.

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[1] COLLIER, D. A. F. Modelagem e controle de retificadores PWM trifásicos conectados ageradores síncronos a ímãs permanentes em sistemas de conversão de energia eólica, 2011.

[2] FERREIRA, A. A. de A. Sistema de produção de energia eólica, 2011.

[3] JACOB, N. M. Estudo do fluxo de potência de um gerador de indução de dupla alimentação atuando em um sistema de geração eólica-elétrica, 2013.

[4] MAIA, T. A. C. Projeto e construção de um gerador a ímãs permanentes de fluxo axial para turbina eólica de pequena potência, 2011.

[5] MARQUES, J. Turbinas eólicas: modelo, análise e controle do gerador de indução com dupla alimentação, 2004.

[6] PEREIRA, M. M. Um estudo do aerogerador de velocidade variável e sua aplicação para fornecimento de potência elétrica constante, 2004.

[7] REIS, J. M. V. da S. Comportamento dos geradores eólicos síncronos com conversores diante de curto-circuito no sistema, 2013.

[8] SALLES, M. B. de C. Modelagem e análises de geradores eólicos de velocidade variável conectados em sistemas de energia elétrica, 2009.

[9] VOLTOLINI, H. Modelagem e controle de geradores de indução duplamente alimentados com aplicação em sistemas eólicos, 2007.

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Exp. 4 Estudo das Cargas Disponíveis na Bancada

Descrição do experimento: Estudar a relação de diferentes cargas com uma das fontes renováveis.

Objetivo: Analisar o comportamento de diferentes tipos de cargas que estão presentes na bancadadidática de energias renováveis. Comparar o funcionamento elétrico de cada uma dessas cargas.Entender o comportamento dessas cargas com fontes de energia renováveis.

Materiais utilizados: • Computador com o software Midas Studio;• Cabos com bornes de 4 mm.


Diodo:O diodo é um semicondutor, isto é, pode se comportar como um condutor ou um isolante

dependendo do nível de tensão que é aplicado em seus terminais [6]. O diodo é formado a partir dajunção de dois semicondutores, um do tipo P (excesso de lacunas) e outro do tipo N (excesso deelétrons). O diodo real apresenta um comportamento não linear entre a tensão e a corrente. Acorrente que passa pelo diodo responde a seguinte equação [4]:

iD=I S(evd

nV T−1) ,onde iD é a corrente no diodo, v D é a queda de tensão em cima do diodo, I S é a corrente desaturação inversa, V T é uma constante proporcional a temperatura de operação e n é o fator deidealidade ( 1<n<2 ). A baixo está o gráfico da função que representa esta equação, junto com osímbolo que representa o diodo.

Modelos de Diodo:Para simplificar a análise de circuitos, fez-se modelos com características menos complexas

do que o componente real. Aqui iremos mostras três desse modelos: modelo do diodo ideal, modelorepresentando a barreira de potencial e modelo considerando a resistência do diodo.

No primeiro modelo, diodo ideal, têm-se o seguinte comportamento gráfico e arepresentação em circuitos:

A curva característica de corrente X tensão, está representada à cima, ao lado do símbolo dodiodo, tem uma característica não linear. Quando há queda de tensão em cima do componente nãoha corrente circulando e quando circula corrente não existe queda de tensão. Estas características

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representam o diodo ideal. Sem considerar perdas ou a tensão de polarização da região de depleção.Para realizar a análise desse componente em um circuito elétrico deve-se considerar duas situações:

Polarização direta: ocorre quando o lado P é submetido a um potencial positivo relativo aolado N do diodo. Quando isso acontece, diz-se que o diodo está em condução. Seu comportamentoem um circuito equivale a um curto circuito, ou um interruptor fechado;

Polarização inversa: ocorre quando o lado N fica submetido a um potencial positivorelativo ao lado P do componente, isso gera um aumento da barreira de potencial que existe naregião de depleção. Quando isso acontece, diz-se que o diodo está bloqueado. Seu comportamentoequivale a um circuito aberto, ou um interruptor aberto.

Pode-se optar por um modelo um pouco mais realista, que considera a tensão de polarizaçãonecessária para romper a barreira de potencial que se estabelece na região de depleção. A curvacaracterística, bem como a representação em circuitos elétricos desse modelo, está descrito nafigura abaixo.

Observa-se que neste modelo a tensão v D ainda tem o mesmo comportamento, porém atransição de estados (condução ou bloqueio) acontece quando a queda de tensão sobre o diodo idealé maior do que V 0 . V 0 é uma informação que está no datasheet do fabricante, em diodos desilício de baixa potência é considerado 0,7.

Ainda, pode-se modelar o diodo considerando a resistência interna, como está na figuraabaixo.

Esse modelo considera que quando o diodo está em condução, há uma resistência quedelimita o comportamento tensão X corrente. A resistência geralmente é fornecida no datasheet.Essa resistência representa a colisão dos portadores com a rede cristalina do material. Assim, nessemodelo deve-se levar em conta que o diodo entra em condução a partir de uma queda de tensãoligeiramente maior que a barreira de potencial V 0 e à existência de uma resistência elétricaatravés da junção quando o diodo está sob polarização direta.

Diodo emissor de luz: Um tipo especial de diodo é o diodo emissor de luz, em inglês Light Emitting Diode (LED),

seu funcionamento é idêntico a um diodo, porém ele emite luz quando polarizado diretamente [3].O deslocamento de portadores da banda de condução provoca a liberação de energia (emissão defótons) em forma de luz. As diferenças entre os LEDs e diodos são basicamente os valores dosparâmetros V 0 e RD , esses parâmetros também variam conforme a cor da luz que o LED emite[1]. O símbolo característico também é diferente, conforme mostrado na figura a baixo.

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A cor da luz emitida pelo LED depende do material semicondutor que o constitui [5].Atualmente o Led vem sendo amplamente utilizado para iluminação.

Ventoinha:A segunda carga estudada é uma ventoinha, que nada mais é do que um DC Brushless motor

(BLDC), um motor CC sem escovas de potência igual a 1,2 W. Ele contem sete pares de polos emseu rotor que é magnético, é bifásico e possui torque de relutância. A sua comutação aconteceatravés de um sensor Hall interligado com drivers de saída [2]. Na figura a seguir apresenta-se ummodelo do motor (não foi representado a relutância).

Para entender seu funcionamento, precisamos lembrar o funcionamento de um motor. Osmotores convertem energia elétrica em energia mecânica, para isso, existe um passo intermediário,que passa pelo meio magnético.

O campo magnético é estabelecido pelos ímãs, que garantem ao motor uma maior densidadede potência se comparado a motores com enrolamento de campo [7]. Como os ímãs estão inseridosno rotor não há necessidade de escovas para realizar a comutação, isso torna o motor mais robusto ecom baixo teor de ruido audível.

Utiliza um sensor Hall com um conjunto de transistor operando como interruptores paracomutar entre os dois pares de polos do estator. Comutam a cada 180° gerando uma forçacontraeletromotriz quadrada.

Experiência prática:Essa experiência é dividida em dois estudos. O primeiro estudo será com o painel

fotovoltaico conectado a uma lâmpada LED e o segundo o painel será conectado a uma ventoinha,as duas cargas estão presentes na bancada. O objetivo desses estudos e a comparação dos diferentestipos de carga conectados a uma fonte não linear (painel fotovoltaico).

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Primeiro estudo:

Passos para a realização do primeiro estudo:• Ligue a bancada;• Na bancada, interligue a saída do painel solar à medição de corrente CC em série com a

carga lâmpada de LED, também, conecte em paralelo uma medição de tensão CC, como demonstrado na figura à cima, os números representam os nós do circuito;



• Na lista Variáveis, selecione Carga ;

• No campo Nome do Eixo, selecione Tensão CC na Carga ;



• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Tensão na carga lâmpada de LED”;• Salve o gráfico;• Adicione um segundo gráfico, clique em Adicionar ;


• No campo Nome do Eixo, selecione Corrente CC na Carga ;



• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Corrente na carga lâmpada de LED”;• Salve o gráfico;• Adicione um terceiro gráfico, clique em Adicionar ;


• No campo Nome do Eixo, selecione Potência Real na Carga ;


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• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Potência na carga lâmpada de LED”;• Salve o gráfico;• Selecione a porta serial que está conectando a bancada ao computador;• Ajuste o intervalo de amostragem para 3 segundos;• Salve o projeto, por exemplo: “Painel solar circuito com a carga lâmpada de LED”;• Clique em Aquisição ;• Na bancada, coloque a luminária na posição de 0° e a intensidade luminosa em 0;• No Midas Studio, clique em Iniciar ;• Varie a tensão em cima da carga, acompanhando pelo software Midas Studio ou com um

multímetro caso sinta dificuldade. Para uma melhor condução do experimento, ajuste o potenciômetro na posição que o filamento da luminária comece a ficar na cor alaranjada. Tente variar a tensão no máximo a cada 2 V até aproximadamente 14 V. Tome cuidado para cada variação acontecer em uma amostragem;



Segundo estudo:

Passos para a realização do segundo estudo:• Na bancada, interligue a saída do painel solar à medição de corrente CC em série com a

carga ventoinha, também, conecte em paralelo uma medição de tensão CC, como demonstrado na figura à cima, os números representam os nós do circuito;






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• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Tensão na carga ventoinha”;• Salve o gráfico;• Adicione um segundo gráfico, clique em Adicionar ;





• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Corrente na carga ventoinha”;• Salve o gráfico;• Adicione um terceiro gráfico, clique em Adicionar ;





• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Potência na carga ventoinha”;• Salve o gráfico;• Selecione a porta serial que está conectando a bancada ao computador;• Ajuste o intervalo de amostragem para 3 segundos;• Salve o projeto, por exemplo: “Painel solar circuito com a carga ventoinha”;• Clique em Aquisição ;• Na bancada, coloque a luminária na posição de 0° e a intensidade luminosa em 0;• No Midas Studio, clique em Iniciar ;• Varie a tensão em cima da carga, acompanhando pelo software Midas Studio, de 1 em 1 V

até 12aV, tome cuidado para cada variação acontecer em uma amostragem;• Anote para qual faixa de tensão a ventoinha é acionada;• No computador, clique em Parar ;

• Exporte os dados adquiridos, clique em Exportar;• Clique na seta voltar;• Depois, clique em Aquisição , uma segunda vez;• Na bancada, coloque a luminária na posição de 0° e a intensidade luminosa máxima;• No Midas Studio, clique em Iniciar ;• Decremente a tensão em cima da carga, acompanhando pelo software Midas Studio, de 1 em

1aV até 0aV, tome cuidado para cada variação acontecer em uma amostragem;• Anote para qual faixa de tensão a ventoinha é desacionada;• No computador, clique em Parar ;



OBS: Os dados são adquiridos pelo Midas Studio no formato *.csv. Para realizar o tratamento dos dados, salve-os em um formato editável, por exemplo *.ods (LibreOffice) ou *.xlsx (Excel).

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Organize os dados adquiridos, para melhorar a compreensão dos resultados e para uma interpretação mais fácil da influência entre as variáveis estudadas:

Referente ao primeiro estudo:Faça uma tabela contendo os valores adquiridos de tensão, corrente e potência.

Exemplo de tabela:Tensão na Carga (V) Corrente na Carga (mA) Potência na Carga (W)

Para uma melhor compreensão dos resultados do experimento faça os seguintes gráficos:(a) Tensão X Tempo;(b) Corrente X Tempo;(c) Potência X Tempo;(d) Corrente X Tensão;(e) Potência X Tensão;(f) Potência X Corrente;(g) Corrente X Tensão (após o acionamento da lâmpada);(h) Potência X Tensão (após o acionamento da lâmpada);(i) Potência X Corrente (após o acionamento da lâmpada).


Referente ao segundo estudo:Faça uma tabela contendo os valores adquiridos de tensão, corrente e potência, na condição

de acionamento do motor BLDC.

Exemplo de tabela:Tensão na Carga (V) Corrente na Carga (mA) Potência na Carga (W)

Para uma melhor compreensão dos resultados do experimento faça os seguintes gráficos:(a) Tensão X Tempo;(b) Corrente X Tempo;(c) Potência X Tempo;(d) Corrente X Tensão;(e) Potência X Tensão;(f) Potência X Corrente;(g) Corrente X Tensão (antes de acionar a ventoinha);(h) Corrente X Tensão (após o acionamento da ventoinha).


Repita este mesmo tratamento de dados para o caso do desacionamento da ventoinha.

Questionário:1) Qual foi o comportamento do gráfico Tensão X Corrente no primeiro estudo? E após o acionamento da lâmpada? Explique porque não é o mesmo comportamento nos dois gráficos.

2) Qual foi o comportamento do gráfico Potência X Corrente? E após o acionamento da

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lâmpada? Explique porque não é o mesmo comportamento nos dois gráficos.

3) Qual foi o comportamento do gráfico Potência X Tensão? E após o acionamento da lâmpada? Explique porque não é o mesmo comportamento nos dois gráficos.

4) Qual carga consome maior potência?

5) Por que para uma mesma tensão, a potência nos dois tipos de carga não é a mesma?

6) Por que a tensão e corrente diminuem no momento que a ventoinha é acionada?



[1] DIAS, M. P. Avaliação do emprego de um pré-regulador boost de baixa frequência no acionamento de leds de iluminação, 2012.

[2] DIODES, I. Datasheet – High voltage hall effect latch, 2013.

[3] SENAI. Fundamentos de eletrônica – Diodos especiais, 2007.

[4] VERÍSSIMO, L. O diodo, 2002

[5] PINTO, R. A. Projeto e implementação de lâmpadas para iluminação de interiores empregando diodos emissores de luz (LEDS), 2008.

[6] WENDLING, M. Diodo semicondutor, 2011.

[7] ZHAO, J e YU, Y. Brushless DC motor fundamentals application note, 2011.

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Exp. 5 Estudo da Variação de Temperatura do Painel Solar

Descrição do experimento: Estudar a influência da temperatura no painel fotovoltaico.

Objetivo: Avaliar os efeitos elétricos da temperatura no painel fotovoltaicos. Relacionar os efeitosque ocorrem com a física dos materiais e o efeito fotovoltaico, já estudado.

Materiais utilizados: • Computador com o software Midas Studio;• Cabos com bornes de 2 mm e 4 mm;• Resistências (5 W).


A temperatura apresenta um efeito importante na potência de saída de um painel solar. Atensão de saída sofre maior influência da temperatura do painel, sendo que a tensão decresce com oaumento da temperatura, resultando em uma diminuição da potência máxima e consequentementeda eficiência [1].

Essa dependência ocorre porque quando a temperatura aumenta, a vibração dos átomos desilício se torna mais intensa e os choques com os fótons levam-no a produzir um valor de correnteligeiramente mais alto, para uma mesma incidência de radiação [2].

Além disso, os elétrons livres e lacunas possuirão excesso de energia térmica fazendo comque esses tendam a percorrer o caminho inverso ao imposto pelo campo elétrico formado pelajunção PN, ocasionando uma diminuição da tensão de saída [3].

A seguir está a curva característica que relaciona a corrente pela tensão considerando váriastemperaturas de operação.

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Experiência prática:

Passos para a realização do primeiro estudo:• Ligue a bancada;• Na bancada, interligue a saída do painel solar em série com o medidor de corrente com a

medição de tensão CC e em paralelo com uma carga fixa, como demonstrado na figura à cima (os números representam os nós do circuito);







• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Tensão no painel solar”;• Salve o gráfico;• Adicione um segundo gráfico, clique em Adicionar ;





• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Corrente no painel solar”;• Salve o gráfico;• Adicione um segundo gráfico, clique em Adicionar ;

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• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Potência no painel solar”;• Salve o gráfico;• Adicione um terceiro gráfico, clique em Adicionar ;


• No campo Nome do Eixo, selecione Temperatura no Painel Solar ;



• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Temperatura do painel solar”;• Salve o gráfico;• Selecione a porta serial que está conectando a bancada ao computador;• Ajuste o intervalo de amostragem para 6 segundos;• Salve o projeto, por exemplo: “Painel Solar e a não linearidade com a temperatura”;• Clique em Aquisição ;• Na bancada, coloque a luminária na posição de 0°;• Ajuste a luminosidade no seu valor máximo;• No Midas Studio, clique em Iniciar ;• Faça as medições por 25 minutos;• No computador, clique em Parar ;





Faça uma tabela contendo os valores adquiridos do tempo, tensão, corrente, potência etemperatura.

Exemplo de tabela:

Tempo (s) Tensão na Carga(V)

Corrente na Carga (mA)

Potência na Carga (W)

Temperatura (°C)

Para uma melhor compreensão dos resultados do experimento faça os seguintes gráficos:(a) Tensão X Tempo;(b) Corrente X Tempo;(c) Potência X Tempo;

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(d) Temperatura X Tempo;(e) Corrente X Tensão;(f) Tensão X Temperatura;(g) Corrente X Temperatura;(h) Potência X Temperatura.


Questionário:1) Por que a tensão gerada diminui ao longo do tempo? Justifique utilizando os conceitos aprendidos nos experimentos já estudados.

2) A variação da tensão é linear em relação a temperatura?

3) Houve estabilização? Em que tempo ela começou a aconteceu?



[1] CABRAL, J. B. R. F. Conversor CC-CC não isolado de elevado ganho para aplicação noprocessamento de energia solar fotovoltaica, 2013.

[2] FACCHINELLO, G.G. Projeto de um inversor com comando auto-oscilante para emprego em um sistema autônomo de bombeamento de água a partir de painéis fotovoltaicos, 2014.

[3] STEIN, F. G. Conversão de energia solar fotovoltaica com rastreamento de máxima potência aplicado ao conversor boost, 2012.

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Exp. 6 Estudo do Controlador de Carga Com o Painel Solar

Descrição do experimento: Estudo do controlador de carga.

Objetivo: Analisar o funcionamento do controlador de carga com o painel solar como fonte deenergia e a bateria como carga. Analisar o funcionamento do mesmo dispositivo, com a mesmafonte de energia porém, a carga não sendo apenas a bateria, mas também uma carga resistiva.Observar a diferença dos dois estudos e assim, o comportamento do dispositivo.

Materiais utilizados: • Computador com o software Midas Studio;• Cabos com bornes de 4 mm;• Resistências (5 W).


O controlador de carga é utilizado em sistemas fotovoltaicos ou eólicos para controlar acarga da bateria. Sua principal função é garantir o fluxo de energia entre o painel fotovoltaico e obanco de bateria que será carregado, evitando a sobrecarga, a descarga excessiva e controlar ocarregamento das baterias.

Banco de baterias:A bateria é um componente muito importante em um sistema de geração solar ou eólico,

pois esses sistemas de geração tem como característica ter a potência gerada variante no tempo. Nosolar em períodos noturnos pouco se gera [2]. E o eólico necessita de vento em uma determinadavelocidade mínima para que haja a geração de energia. Assim, a bateria armazena a energia gerada ealimenta a carga quando a fonte geradora não está sendo suficiente para isso [3].

A bateria é um dispositivo eletroquímico que converte a energia armazenada na formaquímica em energia elétrica ou vice-versa, através do processo eletroquímico de oxidação e redução(redox) [4]. A sua principal função é armazenar a energia gerada para ser usada quando não hágeração ou quando a carga consome mais do que é gerado. Além disso, a bateria tambémproporciona autonomia nos momentos sem insolação (no caso da fonte geradora ser a solar) ouvento (no caso da fonte geradora ser a eólica), estabiliza a tensão do módulo fotovoltaico e fornecealtas correntes em pequenos intervalos de tempo (conforme a necessidade da carga) [2].

As baterias podem ser classificadas como [7]:• Primárias: Baterias que não são recarregáveis. Exemplo pilhas alcalinas;• Secundárias: Baterias que tem a capacidade de ser recarregáveis, possibilitando a

inserção de uma corrente com polaridade oposta em seus terminais. Dentro dessas,ainda pode-se sub classificá-las como [6]:

Baterias automotiva ou SLI (Starting, Lighting and Igniton): é construída com o objetivode operarem em ciclos de curta duração, porém com altas descargas de corrente. Possuem umgrande número de placas finas. São comumente utilizadas pela indústria automotiva na partida deveículos. Não permite descargas profundas;

Baterias de tração: na sua construção possui placas mais grossas e duráveis, assim permitedescargas mais profundas e ciclos mais longos. São geralmente utilizadas em veículos elétricos. Sãopopulares para o uso em sistemas fotovoltaicos devido à capacidade dos ciclos e sua longa vida útil;

Baterias estacionárias: são geralmente utilizadas em no-breaks ou short-breaks para proverenergia em caso de faltas em computadores, equipamentos telefônicos e outras cargas oudispositivos críticos que não podem ter interrupção da alimentação. Geralmente elas são projetadas

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para ficarem a maior parte do tempo em estado de flutuação, ou seja, estado de carga próxima ao decarga plena, funcionando apenas ocasionalmente com descargas profundas.

Baterias de Chumbo ácido:As baterias mais utilizadas em sistemas de energia solar ou eólico são as de chumbo ácido

[1]. Dentre as suas vantagens estão:• Podem ser descarregadas repetidamente em até 80% de sua capacidade;• Menor taxa de autodescarga comparada a outras baterias recarregáveis;• Menor custo e manutenção relativamente simples.

Mas também apresenta algumas desvantagens:• Ciclo de vida reduzido;• Mau desempenho em temperaturas muito elevadas ou muito baixas;• Presença de chumbo que é prejudicial ao meio ambiente.

As baterias, como qualquer dispositivo, tem um ciclo de vida. Porém, o ciclo de vida dasbaterias de chumbo ácido tem uma dependência muito grande com a quantidade de descargas e asua profundidade, o quanto essa descarga consumiu da carga da bateria. Quanto maior for aprofundidade da descarga, maior será a perda de capacidade da bateria e consequentemente menorserá a sua vida útil [1].

Então, a capacidade de uma bateria corresponde na quantidade de corrente que ela é capasde fornecer em um determinado tempo (Ah) até que ela fique descarregada. O valor da capacidadeda bateria, vai depender da temperatura de operação, da tensão final da descarga e da corrente dadescarga. A profundidade da descarga, figura a baixo, representa o percentual da capacidade dabateria que foi utilizado. Esse processo de carga e descarga pode ser repetido por algumas centenasde vezes. Assim, como visto na figura a baixo, o número de ciclos (cargas e recargas) éinversamente proporcional à profundidade da descarga. Ainda, a situação de operação mais danosapara uma bateria de chumbo ácido é quando a mesma opera sob temperaturas elevadas.

Para entender a necessidade de um carregador de carga é importante saber como ocorre umcarregamento de uma bateria [7] e [1], figura a baixo. O processo de carregamento divide-se em trêsfases:

1ª Fase de corrente constante:É a fase inicial, com a bateria descarregada, onde é feita a partir de uma taxa de recarga

constante, cuida-se para que essa corrente imposta seja aceita pela bateria, para que essa não geregases e perda de eletrólito. O tempo dessa etapa depende da corrente de carga imposta. A tensão vaisubindo à medida que a bateria vai sendo carregada. Ao atingir uma tensão limite (tensão de

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gaseificação) da bateria, essa etapa acaba.2ª Fase de tensão constante:Nesta fase, deve ser mantida a tensão constante (tensão limite) deixando a corrente cair com

o aumento gradual da carga da bateria. Quando a corrente for próxima de c/100 (c/n é taxa de carga,define a corrente de carga/descarga de forma a relacionar com a sua capacidade máxima), a bateriaestará completamente carregada, passando-se a fase de flutuação.

3ª Fase de flutuação:Nessa fase a tensão é reduzida para a tensão de flutuação. Esta tensão de flutuação mantém a

bateria carregada, compensando as próprias perdas químicas internas da bateria.

Os controladores de carga são circuitos eletrônicos que gerenciam a energia que entra e saidas baterias, de forma a protegê-las [3]. Para isso, os controladores realizam as seguintes funções:

Prevenção de sobrecarga: Os sistemas fotovoltaicos são desenvolvidos para operarem naspiores condições climáticas. Assim, quando encontram períodos de uma maior incidência luminosa,quando as baterias já alcançaram um estado pleno de carga, é necessário que o controlador limite ouinterrompa a energia que excedente.

Prevenção de descarga excessiva: Quando ocorre períodos muito chuvosos onde há baixaincidência de luz ou períodos onde há um maior consumo de energia, a geração pelos painéissolares pode não ser suficiente para manter a bateria em seu nível máximo de carga. Como a tensãode uma bateria cai quando esta se descarrega de forma mais profunda, a tensão de operação dosistema pode não ser atendida. Assim, é importante limitar o ponto de descarga de uma bateria,desligando as cargas, não só para evitar que esta tenha seu tempo de vida reduzido, mas tambémpara impedir que a sua tensão caia abaixo dos níveis desejados para o sistema.

Terminologia e definições:Set points do controlador: São os níveis com os quais o controlador executa funções de

controle sobre a carga que flui de/para a bateria. Para a maioria dos controladores, define-se quatroset points;

Tensão de regulação (voltage regulation VR): É uma das especificações mais importantes deum controlador e define o ponto máximo de tensão permitido a uma bateria, o que limita asobrecarga. Ao ser atingido, o regulador de carga irá desconectar os painéis solares da bateria ouregular a corrente proveniente dos mesmo, dependendo do tipo de controlador.

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Tensão de desconexão (disconnect voltage DV) por baixa carga: Para evitar os problemasdecorrentes de descargas excessivas da bateria, o controlador desliga as cargas conectadas à bateriaem uma tensão arbitrária e predeterminada para evitar que esta se descarregue excessivamente.

Tensão de reconexão das cargas (reconnect voltage RV): Após o ponto de desconexão porbaixa carga, quando o controlador desliga as cargas do sistema, se os painéis solares continuam acarregar a bateria, a sua tensão começa a subir. A tensão de reconexão das cargas representa umestado de cargas suficiente para que a bateria seja conectada e alimente o sistema.

Tipos de controladores de carga: Os controladores de carga podem ser classificados de duas formas, pelo tipo de controle e

pela forma de desconectar o painel [6].Em relação a forma de desconectar o painel fotovoltaico: Paralelo (shunt) ou série.Controlador do tipo paralelo (shunt):

Esse é o tipo de circuito utilizado no controlador do tipo paralelo, tem como principalcomponente o interruptor em paralelo com o painel. Quando o controlador percebe que a bateria jáestá carregada ele manda um comando para o interruptor eletrônico ser acionado, causando umcurto circuito no painel fotovoltaico. O diodo garante que não haja um curto circuito nos terminaisda bateria. Os interruptores eletrônicos opcionais conectam a bateria a carga. Quando essesinterruptores estão acionados a bateria alimenta a carga, assim que o controlador de carga perceberque a tensão da bateria atingir um valor mínimo de carga, ele bloqueia os interruptores eletrônicos,interrompendo o fluxo de energia da bateria para a carga. Os painéis fotovoltaicos podem se curto-circuitados, pois apresentam resistência interna que limita a corrente em curto-circuito. Este curto-circuito pode ser pleno ou controlado, dependendo do tipo de controlador. Ainda, o controladorparalelo pode ser subclassificado como:

Shunt interrompido: que apenas estabelece um curto circuito pleno e interrompe ofornecimento de corrente à bateria. O painel fotovoltaico é desconectado da bateria quando a tensãosobre a mesma atine a tensão de regulação. A partir deste ponto a bateria segue descarregando atéatingir a tensão de reconexão, quando o elemento shunt religa o painel, voltando a alimentar abateria. Esse método ocorre de forma cíclica;

Shunt linear: que controla a corrente do interruptor eletrônico de forma a melhor regular atensão aplicada sobre a bateria e otimizar a carga. O controlador regula a corrente que passa peloelemento shunt. Dessa forma, a corrente total que passa pelo painel fotovoltaico resulta em umaqueda de tensão no próprio painel fotovoltaico. Assim, ao controlar a corrente no interruptoreletrônico controla-se e otimiza a tensão aplicada à bateria.

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Controlador do tipo série:

Esse é o tipo de circuito utilizado no controlador do tipo série, tem como principalcomponente o interruptor eletrônico entre o gerador fotovoltaico e a bateria. O princípio defuncionamento desse circuito é o mesmo do circuito do controlador em paralelo, quando osinterruptores eletrônicos que estão entre o gerador e a fonte estão acionados o painel carrega abateria. Quando o controlador identifica que a bateria já está carregada os interruptores são abertos,interrompendo o fluxo de carga do painel fotovoltaico para a bateria. A segunda etapa com a bateriaalimentando a carga é idêntico ao funcionamento do controlador em paralelo. Ainda, o controladorsérie pode ser subclassificado como:

Série interrupção: é o mais simples dos controladores, apenas abrindo e fechando o circuitoentre o gerador fotovoltaico e a bateria à medida que a tensão da bateria atinja as tensões deregulação e de reconexão, respectivamente. Consequentemente opera de forma cíclica e, na medidaem que a bateria vai se carregando, o tempo de carga é mais rápido e o ciclo vai sendo mais curto.

Série linear: nessa subdivisão do controlador o elemento de chaveamento opera na regiãolinear, controlando a sua corrente de forma a manter a tensão da bateria constante de regulação. Ointerruptor eletrônico acaba dissipando a diferença de tensão entre a energia fornecida pelo painelfotovoltaico e a energia absorvida pela bateria.

Série interrupção por modulação de pulso (PWM): Esse tipo de controlador interrompecompletamente a conexão entre o painel fotovoltaico e a bateria, porém de uma forma pulsadarelativamente rápida. Dessa forma, a dissipação é reduzida, visto que o elemento série (interruptoreletrônico) funciona no corte ou saturação, de forma a controlar a corrente como se fosse umregulador série linear.

Dados do controlador de carga (MPPT solar charge controller) presente na bancada, retirado dea[5]:

Parâmetro Valor

Tensão nominal 12 V/ 24 V DC

Máxima tensão de circuito aberto da fonte geradora 15 – 50 V DC

Máxima potência da fonte geradora 300 W – 12 V / 600 W – 24V

Máxima corrente de saída 20 A

Máxima corrente de carga e descarga 20 A

Método de controle PWM 3 estágios

Temperatura de operação -20 até 50 °C

Classe de proteção IP22

Eficiência máxima do MPPT > 98%

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Experiência prática:Essa experiência é dividida em dois estudos. O primeiro estudo será realizado conectando o

painel fotovoltaico no controlador de carga e o controlador de carga em uma bateria. No segundoestudo além das conexões já realizadas, conecta-se uma carga no controlador de carga. O objetivo éo estudo do controlador de carga nas duas ligações. Também, que o aluno realize uma comparaçãodos resultados obtidos nos dois casos e com isso tire suas conclusões sobre o funcionamento dodispositivo.

Primeiro estudo:

Passos para a realização do primeiro estudo:• Ligue a bancada;• Na bancada, faça a ligação dos módulos conforme demonstrado na figura à cima, os

números representam os nós do circuito;• Conecte a bancada ao computador através da porta USB; • No computador, inicialize o software Midas Studio;• Crie um Novo projeto (Mais informações consulte o manual do software Midas Studio);










61


• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Corrente no painel solar”;• Salve o gráfico;• Adicione um terceiro gráfico, clique em Adicionar ;


• No campo Nome do Eixo, selecione Potência CC no Painel Solar ;



• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Potência no painel solar”;• Salve o gráfico;• Adicione um quarto gráfico, clique em Adicionar ;

• Na lista Variáveis, selecione Bateria ;

• No campo Nome do Eixo, selecione Tensão CC na Bateria ;



• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Tensão na bateria”;• Salve o gráfico;• Adicione um quinto gráfico, clique em Adicionar ;


• No campo Nome do Eixo, selecione Corrente CC na Bateria ;



• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Corrente na bateria”;• Salve o gráfico;• Adicione um sexto gráfico, clique em Adicionar ;


• No campo Nome do Eixo, selecione Potência CC na Bateria ;



• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Potência na bateria”;• Salve o gráfico;• Selecione a porta serial que está conectando a bancada ao computador;• Ajuste o intervalo de amostragem para 3 segundos;• Salve o projeto, por exemplo: “Estudo do controlador de carga da bateria utilizando como

fonte de energia o painel solar”;• Na bancada, inicialize o Controlador de carga pressionando os botões conforme a ordem

mostrada na figura abaixo (Primeiro o botão Menu, Segundo MPPT Demo);

62

• Clique em Aquisição ;• Na bancada, coloque a luminária na posição de -60°;• Ajuste a luminosidade no seu valor máximo;• No Midas Studio, clique em Iniciar ;• Na bancada, varie o ângulo de incidência luminosa 20° para cada amostragem até atingir

60°, tenha cuidado para cada variação acontecer em um período de amostragem distinto;• No computador, clique em Parar ;


Segundo estudo:

63

Passos para a realização do segundo estudo:• Na bancada, faça a ligação dos módulos conforme demonstrado na figura à cima, os

números representam os nós do circuito;• Conecte a bancada ao computador através da porta USB; • No computador, inicialize o software Midas Studio;• Crie um Novo projeto (Mais informações consulte o manual do software Midas Studio);











• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Corrente no painel solar”;• Salve o gráfico;• Adicione um terceiro gráfico, clique em Adicionar ;


• No campo Nome do Eixo, selecione Potência CC no Painel Solar ;



• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Potência no painel solar”;• Salve o gráfico;• Adicione um quarto gráfico, clique em Adicionar ;









64







• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Potência na bateria”;• Salve o gráfico;• Adicione um sétimo gráfico, clique em Adicionar ;





• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Tensão na carga”;• Salve o gráfico;• Adicione um oitavo gráfico, clique em Adicionar ;





• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Corrente na carga”;• Salve o gráfico;• Adicione um nono gráfico, clique em Adicionar ;


• No campo Nome do Eixo, selecione Potência CC na Carga ;



• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Potência na carga”;• Salve o gráfico;• Selecione a porta serial que está conectando a bancada ao computador;• Ajuste o intervalo de amostragem para 3 segundos;• Salve o projeto, por exemplo: “Estudo do controlador de carga da bateria utilizando como

fonte de energia o painel solar e como carga a bateria e uma carga”;• Clique em Aquisição ;• Na bancada, coloque a luminária na posição de -60°;• Ajuste a luminosidade no seu valor máximo;• No Midas Studio, clique em Iniciar ;

65

• Na bancada, varie o ângulo de incidência luminosa 20° para cada amostragem até atingir 60°, tenha cuidado para cada variação acontecer em um período de amostragem distinto;





Organize os dados adquiridos, completando com as informações que não foram medidas (ângulo), para melhorar a compreensão dos resultados e para uma interpretação mais fácil da influência entre as variáveis estudadas:

Referente ao primeiro estudo:Faça tabelas relacionando o ângulo com a tensão, a corrente e a potência no painel e na

bateria. Se houver necessidade, pode-se fazer tabela que relacionam o valor médio por ângulo, isto é, das muitas medições que foram realizadas no mesmo ângulo de incidência luminosa faz-se uma média dos valores de tensão correspondente.

Exemplo de tabela:Painel Fotovoltaico

Ângulo Incidência (°) Tensão CC no PainelSolar (V)

Corrente CC no PainelSolar (mA)

Potência Real no PainelSolar (W)

-60

-60

Ângulo Incidência (°) Tensão Média paracada Ângulo (V)

Corrente Média paracada Ângulo (mA)

Potência Média paracada ângulo

-60

-40

Bateria

Ângulo Incidência (°) Tensão CC na Bateria(V)

Corrente CC na Bateria(mA)

Potência Real naBateria (W)

-60

-60




-60

-40

66

Para uma melhor compreensão dos resultados do experimento faça os seguintes gráficos:(a) Tensão no Painel X Tempo;(b) Corrente no Painel X Tempo;(c) Potência no Painel X Tempo;(d) Tensão na Bateria X Tempo;(e) Corrente na Bateria X Tempo;(f) Potência na Bateria X Tempo;(g) Tensão no Painel X Ângulo;(h) Corrente no Painel X Ângulo;(i) Potência no Painel X Ângulo;(j) Tensão na Bateria X Ângulo;(k) Corrente na Bateria X Ângulo;(l) Potência na Bateria X Ângulo;(m) Tensão na Bateria X Tensão no Painel;(n) Corrente na Bateria X Corrente no Painel;(o) Potência na Bateria X Potência no Painel.


Referente ao segundo estudo:Faça tabelas relacionando o ângulo com a tensão, a corrente e a potência no painel, na

bateria e na carga. Se houver necessidade, pode-se fazer tabela que relacionam o valor médio por ângulo, isto é, das muitas medições que foram realizadas no mesmo ângulo de incidência luminosa faz-se uma média dos valores de tensão correspondente.

Exemplo de tabela:Painel Fotovoltaico

Ângulo Incidência (°) Tensão CC no PainelSolar (V)

Corrente CC no PainelSolar (mA)

Potência Real no PainelSolar (W)

-60

-60




-60

-40

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Bateria

Ângulo Incidência (°) Tensão CC na Bateria(V)


Potência Real naBateria (W)

-60

-60




-60

-40

Carga

Ângulo Incidência (°) Tensão CC na Carga(V)

Corrente CC na Carga(mA)

Potência Real na Carga(W)

-60

-60




-60

-40

Para uma melhor compreensão dos resultados do experimento faça os seguintes gráficos:(a) Tensão no Painel X Tempo;(b) Corrente no Painel X Tempo;(c) Potência no Painel X Tempo;(d) Tensão na Bateria X Tempo;(e) Corrente na Bateria X Tempo;(f) Potência na Bateria X Tempo;(g) Tensão na Carga X Tempo;(h) Corrente na Carga X Tempo;(i) Potência na Carga X Tempo;(j) Tensão no Painel X Ângulo;(k) Corrente no Painel X Ângulo;(l) Potência no Painel X Ângulo;(m) Tensão na Bateria X Ângulo;(n) Corrente na Bateria X Ângulo;(o) Potência na Bateria X Ângulo;(p) Tensão na Carga X Ângulo;(q) Corrente na Carga X Ângulo;(r) Potência na Carga X Ângulo;(s) Potência no Painel X Potência na Bateria;(t) Potência na Bateria X Potência na Carga;

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(u) Potência no Painel X Potência na Carga.Trace a linha de tendência onde for possível e retire a sua equação.

Questionário:1) Por que é necessário utilizar um controlador de carga?

2) No primeiro estudo qual a relação entre a potência de entrada no controlador de carga e a potência de saída?

3) Qual a relação entre a potência de entrada no controlador a potência de saída (Segundo estudo)?

4) Por que a corrente na bateria pode ficar com valores negativo?

5) Site as diferenças que ocorrem no primeiro para o segundo estudo. O que ocasiona essas diferenças?



[1] BASTOS, R. F. Sistema de gerenciamento para carga e descarga de baterias (chumbo-ácido) e para busca do ponto de máxima potência gerada em painéis fotovoltaicos empregados em sistemas de geração distribuída, 2013.

[2] COELHO, D. M. Método 7C energia solar fotovoltaica, Capítulo 5ºC – Componentes, Aula Bateria. Vídeo aula indisponível gratuitamente.

[3] COELHO, D. M. Método 7C energia solar fotovoltaica, Capítulo 5ºC – Componentes, Aula Carga. Vídeo aula indisponível gratuitamente.

[4] DAMASCENO, A. C. H. Controle preditivo de corrente aplicado a um controlador de carga de baterias baseado em conversor CC-CC bidirecional, 2008.

[5] ECO-WORTHY. Manual – MPPT solar charge controller.

[6] OLIVEIRA, L. G. M. Estratégia de controle de carga e descarga em sistemas fotovoltaicos domiciliares, 2005.

[7] SAAD, M. da C. Controlador de carga e descarga de baterias, microcontrolado com PIC, com aplicação em sistemas de fornecimento de energia em geral, incluindo sistemas fotovoltaicos, 2012.

69

Exp. 7 Estudo do Controlador de Carga Com Aplicação Em Sistemas Eólicos de Pequeno Porte.

Descrição do experimento: Estudo do sistema eólico de pequeno porte, e fixar os conhecimentos sobre o controlador de carga.

Objetivo: Entender o funcionamento de sistemas eólicos de pequeno porte. Entender anecessidade de um controlador de carga em sistemas de geração eólica de pequeno porte, já que emsistemas de geração eólica de grande porte não há essa necessidade. Analisar o funcionamento docontrolador de carga com o gerador eólico como fonte de energia e a bateria como carga a sercontrolada. Analisar o funcionamento do mesmo dispositivo, com a mesma fonte de energia porémcom uma carga resistiva, além da bateria para serem controlados pelo dispositivo. Observar adiferença dos dois estudos e assim, o comportamento do dispositivo.

Materiais utilizados: • Computador com o software Midas Studio;• Cabos com bornes de 2 mm e 4 mm;• Resistências (5 W).

Breve Fundamentação teórica:A geração de energia elétrica através da energia eólica pode ser de grande porte, onde o

gerador é conectado a rede elétrica, ou de pequeno porte, onde a energia é utilizada para ocarregamento de baterias [11]. Com a utilizada de aerogeradores conectados a baterias é necessárioconectar ambos a um controlador de carga, com o objetivo de controlar a carga e descarga da bateriae o fluxo de energia que será entregue para a carga [8]. Assim, é importante estudar como essa fontede energia age conectada a um controlador de carga.

O controlador de carga é utilizado em sistemas fotovoltaicos ou eólicos (de pequeno porte)[7] para controlar a carga da bateria. Sua principal função é garantir o fluxo de energia entre ogerador eólico e o banco de bateria que será carregado, evitando a sobrecarga, a descarga excessivae controlar o carregamento das baterias.

Banco de baterias:A bateria é um componente muito importante em um sistema de geração solar ou eólico,

pois esses sistemas de geração tem como característica ter a potência gerada variante no tempo. Nosolar em períodos noturnos pouco se gera [2]. E o eólico necessita de vento em uma determinadavelocidade mínima para que haja a geração de energia [5]. Assim, a bateria armazena a energiagerada e alimenta a carga quando a fonte geradora não está sendo suficiente para isso [3].

A bateria é um dispositivo eletroquímico que converte a energia armazenada na formaquímica em energia elétrica ou vice-versa, através do processo eletroquímico de oxidação e redução(redox) [4]. A sua principal função é armazenar a energia gerada para ser usada quando não hágeração ou quando a carga consome mais do que é gerado. Além disso, a bateria tambémproporciona autonomia nos momentos sem insolação (no caso da fonte geradora ser a solar) ouvento (no caso da fonte geradora ser a eólica), estabiliza a tensão do módulo fotovoltaico e fornecealtas correntes em pequenos intervalos de tempo (conforme a necessidade da carga) [2].

As baterias podem ser classificadas como [10]:• Primárias: Baterias que não são recarregáveis. Exemplo pilhas alcalinas;• Secundárias: Baterias que tem a capacidade de ser recarregáveis, possibilitando a

inserção de uma corrente com polaridade oposta em seus terminais. Dentro dessas,ainda pode-se sub classificá-las como [9]:

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Baterias automotiva ou SLI (Starting, Lighting and Igniton): é construída com o objetivode operarem em ciclos de curta duração, porém com altas descargas de corrente. Possuem umgrande número de placas finas. São comumente utilizadas pela indústria automotiva na partida deveículos. Não permite descargas profundas;

Baterias de tração: na sua construção possui placas mais grossas e duráveis, assim permitedescargas mais profundas e ciclos mais longos. São geralmente utilizadas em veículos elétricos. Sãopopulares para o uso em sistemas fotovoltaicos devido à capacidade dos ciclos e sua longa vida útil;

Baterias estacionárias: são geralmente utilizadas em no-breaks ou short-breaks para proverenergia em caso de faltas em computadores, equipamentos telefônicos e outras cargas oudispositivos críticos que não podem ter interrupção da alimentação. Geralmente elas são projetadaspara ficarem a maior parte do tempo em estado de flutuação, ou seja, estado de carga próxima ao decarga plena, funcionando apenas ocasionalmente com descargas profundas.

Baterias de Chumbo ácido:As baterias mais utilizadas em sistemas de energia solar ou eólico são as de chumbo ácido

[1]. Dentre as suas vantagens estão:• Podem ser descarregadas repetidamente em até 80% de sua capacidade;• Menor taxa de autodescarga comparada a outras baterias recarregáveis;• Menor custo e manutenção relativamente simples.

Mas também apresenta algumas desvantagens:• Ciclo de vida reduzido;• Mau desempenho em temperaturas muito elevadas ou muito baixas;• Presença de chumbo que é prejudicial ao meio ambiente.

As baterias, como qualquer dispositivo, tem um ciclo de vida. Porém, o ciclo de vida dasbaterias de chumbo ácido tem uma dependência muito grande com a quantidade de descargas e asua profundidade, o quanto essa descarga consumiu da carga da bateria. Quanto maior for aprofundidade da descarga, maior será a perda de capacidade da bateria e consequentemente menorserá a sua vida útil [1].

Então, a capacidade de uma bateria corresponde na quantidade de corrente que ela é capasde fornecer em um determinado tempo (Ah) até que ela fique descarregada. O valor da capacidadeda bateria, vai depender da temperatura de operação, da tensão final da descarga e da corrente dadescarga. A profundidade da descarga, figura a baixo, representa o percentual da capacidade dabateria que foi utilizado. Esse processo de carga e descarga pode ser repetido por algumas centenasde vezes. Assim, como visto na figura a baixo, o número de ciclos (cargas e recargas) éinversamente proporcional à profundidade da descarga. Ainda, a situação de operação mais danosapara uma bateria de chumbo ácido é quando a mesma opera sob temperaturas elevadas.

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Para entender a necessidade de um carregador de carga é importante saber como ocorre umcarregamento de uma bateria [10] e [1], figura a baixo. O processo de carregamento divide-se emtrês fases:

1ª Fase de corrente constante:É a fase inicial, com a bateria descarregada, onde é feita a partir de uma taxa de recarga

constante, cuida-se para que essa corrente imposta seja aceita pela bateria, para que essa não geregases e perda de eletrólito. O tempo dessa etapa depende da corrente de carga imposta. A tensão vaisubindo à medida que a bateria vai sendo carregada. Ao atingir uma tensão limite (tensão degaseificação) da bateria, essa etapa acaba.

2ª Fase de tensão constante:Nesta fase, deve ser mantida a tensão constante (tensão limite) deixando a corrente cair com

o aumento gradual da carga da bateria. Quando a corrente for próxima de c/100 (c/n é taxa de carga,define a corrente de carga/descarga de forma a relacionar com a sua capacidade máxima), a bateriaestará completamente carregada, passando-se a fase de flutuação.

3ª Fase de flutuação:Nessa fase a tensão é reduzida para a tensão de flutuação. Esta tensão de flutuação mantém a

bateria carregada, compensando as próprias perdas químicas internas da bateria.

Os controladores de carga são circuitos eletrônicos que gerenciam a energia que entra e sai

72

das baterias, de forma a protegê-las [3]. Para isso, os controladores realizam as seguintes funções:Prevenção de sobrecarga: Os sistemas fotovoltaicos são desenvolvidos para operarem nas

piores condições climáticas. Assim, quando encontram períodos de uma maior incidência de vento,quando as baterias já alcançaram um estado pleno de carga, é necessário que o controlador limite ouinterrompa a energia que excedente.

Prevenção de descarga excessiva: Quando ocorre períodos com vento insuficiente para amínima rotação da turbina ou períodos onde há um maior consumo de energia, a geração eólicapode não ser suficiente para manter a bateria em seu nível máximo de carga. Como a tensão de umabateria cai quando esta se descarrega de forma mais profunda, a tensão de operação do sistema podenão ser atendida. Assim, é importante limitar o ponto de descarga de uma bateria, desligando ascargas, não só para evitar que esta tenha seu tempo de vida reduzido, mas também para impedir quea sua tensão caia abaixo dos níveis desejados para o sistema.

Terminologia e definições:Set points do controlador: São os níveis com os quais o controlador executa funções de

controle sobre a carga que flui de/para a bateria. Para a maioria dos controladores, define-se quatroset points;

Tensão de regulação (voltage regulation VR): É uma das especificações mais importantes deum controlador e define o ponto máximo de tensão permitido a uma bateria, o que limita asobrecarga. Ao ser atingido, o regulador de carga irá desconectar os painéis solares da bateria ouregular a corrente proveniente dos mesmo, dependendo do tipo de controlador.

Tensão de desconexão (disconnect voltage DV) por baixa carga: Para evitar os problemasdecorrentes de descargas excessivas da bateria, o controlador desliga as cargas conectadas à bateriaem uma tensão arbitrária e predeterminada para evitar que esta se descarregue excessivamente.

Tensão de reconexão das cargas (reconnect voltage RV): Após o ponto de desconexão porbaixa carga, quando o controlador desliga as cargas do sistema, se os painéis solares continuam acarregar a bateria, a sua tensão começa a subir. A tensão de reconexão das cargas representa umestado de cargas suficiente para que a bateria seja conectada e alimente o sistema.

Tipos de controladores de carga: Os controladores de carga podem ser classificados de duas formas, pelo tipo de controle e

pela forma de desconectar o gerador [9].Em relação a forma de desconectar o gerador eólico: Paralelo (shunt) ou série.Controlador do tipo paralelo (shunt):

Esse é o tipo de circuito utilizado no controlador do tipo paralelo, tem como principalcomponente o interruptor em paralelo com o gerador. Quando o controlador percebe que a bateria jáestá carregada ele manda um comando para o interruptor eletrônico ser acionado, causando umcurto circuito no gerador eólico. O diodo garante que não haja um curto circuito nos terminais dabateria. Os interruptores eletrônicos opcionais conectam a bateria a carga. Quando essesinterruptores estão acionados a bateria alimenta a carga, assim que o controlador de carga perceberque a tensão da bateria atingir um valor mínimo de carga, ele bloqueia os interruptores eletrônicos,

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interrompendo o fluxo de energia da bateria para a carga. Os geradores eólicos, por um tempolimitado, podem se curto-circuitados, pois apresentam resistência interna que limita a corrente emcurto-circuito. Este curto-circuito pode ser pleno ou controlado, dependendo do tipo de controlador.Ainda, o controlador paralelo pode ser subclassificado como:

Shunt interrompido: que apenas estabelece um curto circuito pleno e interrompe ofornecimento de corrente à bateria. O gerador eólico é desconectado da bateria quando a tensãosobre a mesma atine a tensão de regulação. A partir deste ponto a bateria segue descarregando atéatingir a tensão de reconexão, quando o elemento shunt religa o gerador, voltando a alimentar abateria. Esse método ocorre de forma cíclica;

Shunt linear: que controla a corrente do interruptor eletrônico de forma a melhor regular atensão aplicada sobre a bateria e otimizar a carga. O controlador regula a corrente que passa peloelemento shunt. Dessa forma, a corrente total que passa pelo gerador eólico resulta em uma quedade tensão no próprio gerador. Assim, ao controlar a corrente no interruptor eletrônico controla-se eotimiza a tensão aplicada à bateria.

Controlador do tipo série:

Esse é o tipo de circuito utilizado no controlador do tipo série, tem como principalcomponente o interruptor eletrônico entre o gerador fotovoltaico e a bateria. O princípio defuncionamento desse circuito é o mesmo do circuito do controlador em paralelo, quando osinterruptores eletrônicos que estão entre o gerador e a fonte estão acionados o gerador carrega abateria. Quando o controlador identifica que a bateria já está carregada os interruptores são abertos,interrompendo o fluxo de carga do gerador eólico para a bateria. A segunda etapa com a bateriaalimentando a carga é idêntico ao funcionamento do controlador em paralelo. Ainda, o controladorsérie pode ser subclassificado como:

Série interrupção: é o mais simples dos controladores, apenas abrindo e fechando o circuitoentre o gerador eólico e a bateria à medida que a tensão da bateria atinja as tensões de regulação ede reconexão, respectivamente. Consequentemente opera de forma cíclica e, na medida em que abateria vai se carregando, o tempo de carga é mais rápido e o ciclo vai sendo mais curto.

Série linear: nessa subdivisão do controlador o elemento de chaveamento opera na regiãolinear, controlando a sua corrente de forma a manter a tensão da bateria constante de regulação. Ointerruptor eletrônico acaba dissipando a diferença de tensão entre a energia fornecida pelo geradoreólico e a energia absorvida pela bateria.

Série interrupção por modulação de pulso (PWM): Esse tipo de controlador interrompecompletamente a conexão entre o gerador eólico e a bateria, porém de uma forma pulsadarelativamente rápida. Dessa forma, a dissipação é reduzida, visto que o elemento série (interruptoreletrônico) funciona no corte ou saturação, de forma a controlar a corrente como se fosse umregulador série linear.

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Dados do controlador de carga (MPPT solar charge controller) presente na bancada, retiradodea[6]:

Parâmetro Valor

Tensão nominal 12 V/ 24 V DC

Máxima tensão de circuito aberto da fonte geradora 15 – 50 V DC

Máxima potência da fonte geradora 300 W – 12 V / 600 W – 24 V

Máxima corrente de saída 20 A

Máxima corrente de carga e descarga 20 A

Método de controle PWM 3 estágios

Temperatura de operação -20 até 50 °C

Classe de proteção IP22

Eficiência máxima do MPPT > 98%

Experiência prática:Essa experiência é dividida em dois estudos. O primeiro estudo será realizado conectando o

gerador eólico no controlador de carga e o controlador de carga em uma bateria. No segundo estudoalém das conexões já realizadas, conecta-se uma carga no controlador de carga. O objetivo é oestudo do controlador de carga nas duas ligações. Também, que o aluno realize uma comparaçãodos resultados obtidos nos dois casos e com isso tire suas conclusões sobre o funcionamento dodispositivo.

Primeiro estudo:

Passos para a realização do primeiro estudo:• Ligue a bancada;• Na bancada, faça a ligação dos módulos conforme demonstrado na figura à cima, os

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números representam os nós do circuito;• Para adquirir o ângulo do gerador, faça a ligação conforme apresentado na figura à cima;• Conecte a bancada ao computador através da porta USB; • No computador, inicialize o software Midas Studio;• Crie um Novo projeto (Mais informações consulte o manual do software Midas Studio);






• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Tensão no gerador eólico”;• Salve o gráfico;• Adicione um segundo gráfico, clique em Adicionar ;





• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Corrente no gerador eólico”;• Salve o gráfico;• Adicione um terceiro gráfico, clique em Adicionar ;


• No campo Nome do Eixo, selecione Potência CC no Gerador Eólico ;



• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Potência no gerador eólico”;• Salve o gráfico;• Adicione um quarto gráfico, clique em Adicionar ;










• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Corrente na bateria”;

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• Salve o gráfico;• Adicione um sexto gráfico, clique em Adicionar ;










• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Ângulo do gerador eólico”;• Salve o gráfico;• Selecione a porta serial que está conectando a bancada ao computador;• Ajuste o intervalo de amostragem para 3 segundos;• Salve o projeto, por exemplo: “Estudo do controlador de carga da bateria utilizando como

fonte de energia o gerador eólico”;• Na bancada, inicialize o Controlador de carga pressionando os botões conforme a ordem

mostrada na figura abaixo (Primeiro o botão Menu, Segundo MPPT Demo);

• Clique em Aquisição ;• Na bancada, coloque a luminária na posição de -20°;• Ajuste a velocidade do vento no seu valor máximo;• No Midas Studio, clique em Iniciar ;• Na bancada, varie o ângulo de incidência do vento de 1° para cada amostragem até atingir

20°, pode-se realizar variações menores, sendo porém que cada variação ocorra em um período de amostragem diferente;


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Segundo estudo:

Passos para a realização do segundo estudo:• Na bancada, faça a ligação dos módulos conforme demonstrado na figura à cima, os

números representam os nós do circuito;• Para adquirir o ângulo do gerador, faça a ligação conforme apresentado na figura à cima;• Conecte a bancada ao computador através da porta USB; • No computador, inicialize o software Midas Studio;• Crie um Novo projeto (Mais informações consulte o manual do software Midas Studio);






• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Tensão no gerador eólico”;• Salve o gráfico;• Adicione um segundo gráfico, clique em Adicionar ;





• No eixo x, selecione Tempo ;

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• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Corrente no gerador eólico”;• Salve o gráfico;• Adicione um terceiro gráfico, clique em Adicionar ;


• No campo Nome do Eixo, selecione Potência CC no Gerador Eólico ;



• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Potência no gerador eólico”;• Salve o gráfico;• Adicione um quarto gráfico, clique em Adicionar ;




















• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Tensão na carga”;• Salve o gráfico;• Adicione um oitavo gráfico, clique em Adicionar ;

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• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Corrente na carga”;• Salve o gráfico;• Adicione um nono gráfico, clique em Adicionar ;


• No campo Nome do Eixo, selecione Potência CC na Carga ;



• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Potência na carga”;• Salve o gráfico;• Adicione um décimo gráfico, clique em Adicionar ;





• No eixo x, selecione Tempo ;• Coloque o título no gráfico, por exemplo: “Ângulo do gerador eólico circuito com carga”;• Salve o gráfico;• Selecione a porta serial que está conectando a bancada ao computador;• Ajuste o intervalo de amostragem para 3 segundos;• Salve o projeto, por exemplo: “Estudo do controlador de carga da bateria utilizando como

fonte de energia o gerador eólico e como carga a bateria e uma carga”;• Clique em Aquisição ;• Na bancada, coloque a luminária na posição de -20°;• Ajuste a velocidade do vento no seu valor máximo;• No Midas Studio, clique em Iniciar ;• Na bancada, varie o ângulo de incidência do vento de 5° para cada amostragem até atingir

20°, pode-se realizar variações menores, sendo porém que cada variação ocorra em um período de amostragem diferente;






Referente ao primeiro estudo:Faça tabelas relacionando o ângulo com a tensão, a corrente e a potência no gerador e na

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bateria.

Exemplo de tabela:Gerador Eólico

Ângulo do Gerador(°)

Tensão CC no GeradorEólico (V)


Potência Real no GeradorEólico (W)

-20

-15

Bateria

Ângulo Incidência(°)

Tensão CC na Bateria(V)


Potência Real na Bateria(W)

-20

-15

Para uma melhor compreensão dos resultados do experimento faça os seguintes gráficos:(a) Tensão no Gerador X Tempo;(b) Corrente no Gerador X Tempo;(c) Potência no Gerador X Tempo;(d) Tensão na Bateria X Tempo;(e) Corrente na Bateria X Tempo;(f) Potência na Bateria X Tempo;(g) Tensão no Gerador X Ângulo;(h) Corrente no Gerador X Ângulo;(i) Potência no Gerador X Ângulo;(j) Tensão na Bateria X Ângulo;(k) Corrente na Bateria X Ângulo;(l) Potência na Bateria X Ângulo;(m) Tensão na Bateria X Tensão no Gerador;(n) Corrente na Bateria X Corrente no Gerador;(o) Potência na Bateria X Potência no Gerador.


Referente ao segundo estudo:Faça tabelas relacionando o ângulo com a tensão, a corrente e a potência no gerador, na

bateria e na carga.

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Exemplo de tabela:Gerador Eólico


Tensão CC no GeradorEólico (V)


Potência Real no GeradorEólico (W)

-20

-15

Bateria


Tensão CC na Bateria(V)


Potência Real na Bateria(W)

-20

-15

Carga


Tensão CC na Carga(V)

Corrente CC na Carga(mA)

Potência Real na Carga(W)

-20

-15

Para uma melhor compreensão dos resultados do experimento faça os seguintes gráficos:(a) Tensão no Gerador X Tempo;(b) Corrente no Gerador X Tempo;(c) Potência no Gerador X Tempo;(d) Tensão na Bateria X Tempo;(e) Corrente na Bateria X Tempo;(f) Potência na Bateria X Tempo;(g) Tensão na Carga X Tempo;(h) Corrente na Carga X Tempo;(i) Potência na Carga X Tempo;(j) Tensão no Painel X Ângulo;(k) Corrente no Painel X Ângulo;(l) Potência no Painel X Ângulo;(m) Tensão na Bateria X Ângulo;(n) Corrente na Bateria X Ângulo;(o) Potência na Bateria X Ângulo;(p) Tensão na Carga X Ângulo;(q) Corrente na Carga X Ângulo;(r) Potência na Carga X Ângulo;(s) Potência no Gerador X Potência na Bateria;(t) Potência na Bateria X Potência na Carga;(u) Potência no Gerador X Potência na Carga.


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Questionário:1) Qual a principal diferença de um sistema de geração eólica de grande porte para um sistema de geração eólica de pequeno porte?

2) Por que é necessário um banco de baterias em um sistema de geração eólica de pequeno porte?

3) Qual é o tipo de bateria utilizado em sistemas de geração? Por quê?

4) Por que é necessário utilizar um controlador de carga?

5) E no segundo estudo qual é a relação entre a potência que entra e que sai nesse dispositivo?

6) Por que a corrente na bateria pode ficar com valores negativos?



[1] BASTOS, R. F. Sistema de gerenciamento para carga e descarga de baterias (chumbo-ácido) e para busca do ponto de máxima potência gerada em painéis fotovoltaicos empregados em sistemas de geração distribuída, 2013.

[2] COELHO, D. M. Método 7C energia solar fotovoltaica, Capítulo 5ºC – Componentes, Aula Bateria. Vídeo aula indisponível gratuitamente.

[3] COELHO, D. M. Método 7C energia solar fotovoltaica, Capítulo 5ºC – Componentes, Aula Carga. Vídeo aula indisponível gratuitamente.

[4] DAMASCENO, A. C. H. Controle preditivo de corrente aplicado a um controlador de carga de baterias baseado em conversor CC-CC bidirecional, 2008.

[5] Dutra, R. Energia eólica – Princípios e tecnologia, 208.

[6] ECO-WORTHY. Manual – MPPT solar charge controller.

[7] MONTEIRO, R. R. Análise da implantação de um sistema híbrido eólico-solar alimentar ERBs em lugares isolados: O caso da estação antonina/PR, 2007.

[8] MOSKO, F.; RIBAS H. R. de O.; RAMOS L. F. Conversor elétrico para o gerador eólicode baixo custo, 2004.

[9] OLIVEIRA, L. G. M. Estratégia de controle de carga e descarga em sistemas fotovoltaicos domiciliares, 2005.

[10] SAAD, M. da C. Controlador de carga e descarga de baterias, microcontrolado com PIC, com aplicação em sistemas de fornecimento de energia em geral, incluindo sistemas fotovoltaicos, 2012.

[11] TIBOLA, G. Sistema eólico de pequeno porte para geração de energia elétrica com

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rastreamento de máxima potência, 2009.

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Documents

BANCADA DE ENERGIAS RENOVÁVEIS - voltcom.com.brvoltcom.com.br/novos/sdj_9000_manual_aluno.pdf · de 22,41 V, a corrente de curto circuito de 0,61 A, ... Refletor É utilizado como