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Trabalho de conclusão de curso (TCC) de Engenharia Elétrica da Universidade Anhanguera-Uniderp, apresentado à banca examinadora em 13 de novembro de 2013. Trata-se de um sistema de controle, com microcontrolador, que permite um gerador eólico carregar uma bateria automotiva dentro de parâmetros preestabelecidos, para proteger tanto o gerador quanto a bateria que está submetida à carga.
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UNIVERSIDADE ANHANGUERA UNIDERP PRO-REITORIA DE GRADUAÇÃO
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
Edsel Paulo Rockel
SISTEMA DE MONITORAMENTO E CONTROLE DE GERADOR EÓLICO
Campo Grande – 2013 –
Edsel Paulo Rockel
SISTEMA DE MONITORAMENTO E CONTROLE DE GERADOR EÓLICO
Trabalho de conclusão de curso apresentado à banca examinadora do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Anhanguera-Uniderp, como requisito parcial para a obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Elétrica.
Orientador: Professor Esp. Romualdo Orlandeli Sanches
-
Campo Grande – 2013 –
AGRADECIMENTOS...
Ao professor Romualdo Orlandeli Sanches, meu orientador, pelas sugestões
oportunas, cobranças eventuais e apoio constante.
Ao Luiz Cesar Nocera, pela oportunidade que me concedeu de realizar este
Trabalho com o seu gerador eólico.
Ao Meteorologista Natálio Abrahão Filho, da Estação Meteorológica da
Universidade Anhanguera-Uniderp, por me disponibilizar os dados sobre velocidade
dos ventos na cidade de Campo Grande, os quais foram imprescindíveis para as
demonstrações teóricas neste Trabalho.
À Miriam, minha esposa, pela compreensão e paciência.
RESUMO
Este trabalho mostra o projeto de um sistema eletrônico de controle de carga de
gerador eólico, permitindo que ele carregue uma bateria automotiva, a qual tem
capacidade inferior à mínima estabelecida para o banco de baterias previsto no
manual do gerador eólico. Utiliza-se o recurso de desvio de carga na saída do
gerador, através de transistores de potência do tipo MOSFET (metal–oxide–
semiconductor field-effect), sempre que a tensão ou a corrente elétrica do gerador
exceder parâmetros predeterminados em software contido no microcontrolador do
sistema. O regime de carga é monitorado através de um amperímetro e voltímetro,
mostrado em um visor LCD e há também um cronômetro que grava o tempo de
carga em que a bateria foi submetida durante o período que ela ficou conectada ao
gerador eólico.
Palavras chave: gerador eólico; Air Breeze; bateria automotiva; sensor hall; PSoC;
controle de carga.
ABSTRACT
This paper describes an electronic system designed to control the charge of an
electrical generator driven by a wind turbine so as to allow it to charge an automotive
battery whose storage capacity is smaller than the minimum established for the
battery bank by the turbine’s manufacturer. It must be a diversion style regulator the
with MOSFETs (metal-oxide-semiconductor field-effect transistors) whenever either
the voltage or the electric current of the generator exceeded the parameters pre-
established by the software of the microcontroller. The system load was monitored by
an ammeter and a voltmeter on an LCD display that also contains a clock to record
the load time of the battery for the period that it was connected to the wind turbine. --
----------------------------------------------------------------
Keywords: wind turbine, Air Breeze, automotive battery, hall sensor; PSoC; loading
…… ……….control.
Lista de Figuras
Página
Figura 1 Bateria alcalina, com célula em destaque . 16
Figura 2 Método de dois níveis de tensão . 20
Figura 3 Método de dois níveis de tensão, em função do tempo. 21
Figura 4 Gerador eólico Air Breeze 23
Figura 5 Diagrama de instalação. 24
Figura 6 Gerador eólico instalado sobre o teto do hangar. 27
Figura 7 Bancada de testes do gerador eólico. 27
Figura 8 Diagrama de ligação de amperímetro e voltímetro. 28
Figura 9 Corrente e tensão máxima indicada. 29
Figura 10 Corrente e tensão obtidas com a bateria totalmente carregada. 30
Figura 11 Fluxo de vento através de uma turbina eólica. 31
Figura 12 Gráfico da potência máxima possível – “Máximo de Betz”. 33
Figura 13 Curva do coefic. de pot. Cp, em função da velocidade do vento. 34
Figura 14 Velocidade máxima do vento, em intervalos de 5 minutos. 38
Figura 15 Velocidade média dos ventos, tomada a cada 15 minutos 39
Figura 16 Fluxograma do Sistema de Controle. 40
Figura 17 Diagrama em blocos simplificado. 42
Figura 18 Diagrama em blocos. 43
Figura 19 Diagrama geral do sistema. 43
Figura 20 Conexão do gerador à bateria. 44
Figura 21 Simulação de carga através do trans. IRF4905 (MOSFET P) 45
Figura 22 Gráfico da corrente – ID, em função da tensão – VDS. 46
Figura 23 Desvio de carga do gerador eólico. 47
Figura 24 Monitoramento da tensão da bateria pelo gerador. 48
Figura 25 Sensor de corrente por Efeito Hall, ACS750xCA-50 . 49
Figura 26 Diagrama em blocos do Sensor Hall . 50
Figura 27 Diagrama de uma aplicação típica do Sensor Hall . 50
Figura 28 Aplicação de campo elétrico em uma barra de metal. 51
Figura 29 Diagrama do sensor de corrente (Sensor Hall). 52
Figura 30 Diagrama do sensor de tensão. 53
Figura 31 Diagrama do microcontrolador PSoC CY8C29466-24PXI. 54
Figura 32 Diagrama da fonte de alimentação de 5 V (VDD). 55
Figura 33 Proteção de sobrecarga da bateria. 56
Figura 34 Dispositivo de proteção contra sobrecorrente – PTC 57
Figura 35 Barra de alimentação, com proteção por polyfuses. 57
Figura 36 Sistema do gerador eólico, com as conexões da chave geral. 58
Figura 37 Ambiente de desenvolvimento IDE-PSoC Designer. 60
Figura 38 Variação da tensão de saída do sensor de corrente 61
Figura 39 Identificação dos terminais do microcontrol. PSoC de 28 pinos. 62
Figura 40 Diagrama do sistema de controle de carga. 67
Figura 41 Layout da PCI (Placa de Circuito Impresso). 70
Figura 42 Placa de circuito impresso montada. 71
Figura 43 Monitoramento e Controle de Gerador Eólico. 72
Figura 44 Gráfico de tensão e corrente – com a bateria descarregada 73
Figura 45 Gráfico de tensão e corrente – com a bateria carregada. 75
Figura 46 Ajuste da tensão de regulação (Set Point) 77
Figura 47 Gráfico de tensão e corrente, em teste real, ao vento. 79
Figura 48 Verificação da densidade da solução da bateria. 79
Figura 49 Verificação do tempo de carga. 80
Figura 50 Resistência de desvio fora da caixa do sistema de controle. 81
Figura 51 Carga do gerador aplicado ao resistor nos instantes de desvio. 82
Lista de Tabelas
Página
Tabela 1: Características dos métodos de carga. 19
Tabela 2: Velocidades médias e máximas de ventos em Campo Grande, MS. 37
Tabela 3: Teste do Sist. de Monit. e Contr. de Carga, com bat. descarregada. 74
Tabela 4: Teste do Sist. de Monit. e Contr. de Carga, com bateria carregada. 76
Tabela 5: Teste em campo do Sist. de Monitoramento e Controle de Carga. 78
Lista de Símbolos
Unidade
A Área da seção transversal das trilhas da placa de circ. Imp. (PCI). m²
CB Capacidade da Bateria. Ah
Coeficiente de potência de uma turbina eólica. adimensional
fclock Clock interno do microcontrolador Hz
I Corrente elétrica. A
Imin Corrente mínima A
Imáx Corrente máxima A
m Fluxo de massa de ar. kg/s
Massa específica do ar. kg/m³
Potência do vento na saída da turbina eólica. W
Potência do vento na entrada da turbina eólica. W
Potência elétrica W
Resistência interna da Bateria
Vmin Tensão mínima V
Vmáx Tensão máxima V
Vmed Tensão média V
VGen Tensão do gerador V
Vf Tensão de flutuação da bateria V
Vst Tensão máxima permitida pelo fabricante da bateria V
VH Tensão HALL V
VREF Tensão de referência V
VBE Tensão entre a base e o emissor de um transistor bipolar. V
VDS Tensão entre o dreno e a fonte de um transistor FET V
VGS Tensão entre a porta e a fonte de um transistor FET. V
VVT Velocidade do vento m/s
v Velocidade do vento livre. m/s
t Tempo s
9
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................... 12
1.1 Objetivo ........................................................................................................................ 12
1.2 Restrições técnicas .................................................................................................... 12
1.3 Descrição e metodologia .......................................................................................... 13
1.4 Sequência da apresentação..................................................................................... 13
2. BATERIAS ................................................................................................................... 15
2.1 Baterias alcalinas ....................................................................................................... 15
2.2 Baterias chumbo ácida .............................................................................................. 16
2.3 Métodos de carga de baterias chumbo ácidas ..................................................... 18
2.4 Conceitos e termos relacionados às baterias ....................................................... 21
3. O GERADOR EÓLICO .............................................................................................. 23
3.1 Instalação e funcionamento ..................................................................................... 23
3.2 Características e especificações técnicas ............................................................. 25
3.2.1 Regulação ................................................................................................................... 26
3.2.2 Desaceleração ............................................................................................................ 26
3.2.3 Travagem .................................................................................................................... 26
4. TESTE EM BANCADA .............................................................................................. 27
4.1. Potência máxima ........................................................................................................ 28
4.1.1. Descrição do teste ..................................................................................................... 28
4.1.2. Análise dos dados ...................................................................................................... 29
5. CÁLCULO DE POTÊNCIA DO VENTO ................................................................. 31
6. DEMONSTRAÇÃO DA NECESSIDADE DO SISTEMA DE CONTROLE ........ 35
5.1 Cálculos teóricos ........................................................................................................ 36
5.2 Velocidade dos ventos na cidade de Campo Grande .......................................... 37
7. PROJETO DO SISTEMA DE CONTROLE ............................................................ 40
7.1. Definição dos valores de limitação do sistema ..................................................... 41
7.2. Diagramas em blocos ................................................................................................ 42
7.3. Estudo e desenvolvimento dos diagramas eletrônicos ........................................ 44
7.3.1. Etapa de potência ...................................................................................................... 44
7.3.1.1.Simulação do circuito de potência ......................................................................... 45
7.3.2. Etapa de desvio .......................................................................................................... 47
7.3.3. Monitoramento do nível de carga da bateria para o gerador .............................. 48
7.3.4. Monitoramento e controle do nível de corrente .................................................... 49
7.3.4.1.Sensor Hall ................................................................................................................ 49
7.3.4.2.O Efeito Hall .............................................................................................................. 50
10
7.3.4.3.Diagrama eletrônico do sensor de corrente ......................................................... 52
7.3.5. Monitoramento e controle do nível de tensão ....................................................... 53
7.3.6. Diagrama do microcontrolador ................................................................................. 54
7.3.7. Fonte de alimentação ................................................................................................ 55
7.3.8. Proteção de sobrecarga ............................................................................................ 56
7.3.9. Chave geral ................................................................................................................. 58
7.4. O microcontrolador PSoC CY8C29466-24PXI ...................................................... 59
7.4.1. Descrição do microcontrolador ................................................................................ 59
7.4.2. Configurações do microcontrolador ........................................................................ 60
7.4.3. Amperímetro ............................................................................................................... 61
7.4.4. Voltímetro .................................................................................................................... 65
7.4.5. Contagem do tempo de carga ................................................................................. 65
7.4.6. Controle de potência ................................................................................................. 67
8. MONTAGEM DO SISTEMA DE CONTROLE ....................................................... 69
8.1. Placa de circuito impresso ........................................................................................ 69
9. TESTES DO EQUIPAMENTO ................................................................................. 73
9.1. Testes em bancada ................................................................................................... 73
9.1.1. Com a bateria fraca ................................................................................................... 73
9.1.2. Com a bateria carregada .......................................................................................... 75
9.1.3. Ajuste do Set Point .................................................................................................... 76
9.2. Teste real, com vento ................................................................................................ 78
9.3. Aquecimento da resistência de desvio ................................................................... 80
9.3.1. As causas do aquecimento ...................................................................................... 82
10. CONCLUSÃO ............................................................................................................. 84
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..........................................................................86
ANEXO A: Especificações técnicas do gerador eólico Air Breeze. ...........................89
ANEXO B: Diagrama completo do Sistema de Monitoramento e Controle ...............90
ANEXO C: Especificações técnicas do transistor POWER MOSFET IRF4905.........91
ANEXO D: Especificações técnicas do diodo schottky MBR1060.............................92
ANEXO E: Especificações técnicas do transistor POWER MOSFET IRF2907.........93
ANEXO F: Datasheet do resistor de desvio de caga, 2,2W×150W...........................94
ANEXO G: Planilha com velocidades dos ventos .....................................................95
12
1. INTRODUÇÃO
Os geradores eólicos de pequeno porte são fabricados com o objetivo de
fornecer energia elétrica a embarcações, residências, pequenas indústrias ou
comunidades. Podem ser instalados isoladamente ou com a interligação de vários
geradores em paralelo ou ainda combinando-os com painéis fotovoltaicos.
Atualmente esses sistemas são ligados diretamente à rede elétrica, mas,
dependendo da escala de produção de energia ou da localidade onde estão
instalados, ainda utilizam-se bancos de baterias para armazenar a energia produzida
pelo vento.
Neste Trabalho, o gerador eólico utilizado para carregar uma bateria
automotiva é o Air Breeze. Ele não tem, em princípio, esta finalidade, pois é
destinado a carregar bancos de baterias. Sem sistema de controle, o gerador Air
Breeze só pode ser ligado a bancos de baterias de no mínimo 400 Ah. Baterias com
menos capacidade, se ligadas a ele, são danificadas, devido ao excesso de carga
que recebem.
1.1 Objetivo
O presente Trabalho consiste em desenvolver um equipamento
eletroeletrônico, microprocessado, que possibilite ao gerador eólico Air Breeze
carregar uma bateria de automóvel sem causar danos à bateria, por excesso de
carga, e também sem causar danos ao gerador, por aumento excessivo do seu giro
quando estiver desconectado da bateria, girando livre, em ocasiões de ventos fortes.
1.2 Restrições técnicas
De acordo com o manual do gerador, o Air Breeze não está concebido para
funcionar com sistemas de controle que utilizam a técnica de modulação por PWM
(Pulse Width Modulation) ou do tipo shunt (SOUTHWEST, 2011). Por esse motivo,
optou-se por desenvolver um sistema de controle com derivação, que desvia para
uma carga resistiva a saída do gerador quando a tensão ou a corrente produzida
pelo gerador exceder os limites máximos estabelecidos no software do Sistema de
Controle.
13
1.3 Descrição e metodologia
O Sistema de Controle não contém relés eletromecânicos. A comutação é
feita através de transistores de potência do tipo MOSFET (metal–oxide–
semiconductor field-effect). O sensor de corrente para o amperímetro é um sensor
HALL (ACS750); para o voltímetro a referência é tomada com divisor de tensão feito
com resistores e todos os dados – do amperímetro, voltímetro e cronômetro – são
processados por um microcontrolador PSOC CY8C29466-24PXI. A escolha deste
microcontrolador foi porque ele contém módulos analógicos internos, amplificador
programável (PGA) e um conversor analógico-digital duplo (Dual ADC). Para a
elaboração e testes do software – feito em liguagem C, no PSOC designer 5.4 – é
utilizada uma placa de desenvolvimento da Cypress (CY3210-PSOC EVAL1). A
visualização das indicações de corrente, tensão e tempo de carga é através de um
display LCD (liquid crystal display) de 16 caracteres × 2 linhas (SC1602A).
Devido à imprevisibilidade de ocorrência de ventos, o sistema de controle
contém também um cronômetro (timer) que é disparado toda vez que o gerador
eólico fornece corrente de carga à bateria. Cada tempo gravado é somado à
gravação anterior e o total mostrado em um visor LCD.
1.4 Sequência da apresentação
Apesar deste Trabalho ter como foco o carregamento de baterias
automotivas, essas baterias não são tecnicamente as mais recomendadas para
comporem bancos de baterias destinadas ao fornecimento de energia elétrica a
residências, embarcações ou pequenas edificações comerciais (BASTOS, 2013;
MOURA, 1996). Por isso, este Trabalho inicia-se com uma pesquisa bibliográfica
sobre os diferentes tipos de baterias existentes no mercado, com um enfoque
especial às baterias automotivas.
Em seguida há a apresentação do gerador eólico Air Breeze. Além das
informações contidas no seu manual de instruções, fornecido pelo fabricante do
gerador, mostra-se uma sequência de testes que foi realizada em bancada
especialmente montada para este fim, para comprovar com prática experimental os
parâmetros técnicos desse gerador eólico e também para demonstrar a necessidade
14
do Sistema de Controle a ser desenvolvido neste TCC (Trabalho de Conclusão de
Curso).
Nos capítulos subsequentes há a elaboração do projeto do sistema de
controle, sua execução e testes finais.
As definições de parâmetros e seus respectivos cálculos – referentes ao
Sistema de Controle – são mostradas durante a apresentação do projeto e na fase
de testes do equipamento em bancada e em campo, com eventuais mudanças do
projeto original, em função dos resultados obtidos nos testes práticos.
O diagrama geral e outras documentações podem ser vistas em anexos, nas
últimas páginas desta monografia.
15
2. BATERIAS
Há diversos tipos de baterias, cuja escolha depende do uso a que se pretende
fazer dela. Essa escolha nem sempre é feita levando-se em conta apenas
parâmetros técnicos – que dizem respeito às especificações da bateria, sua
capacidade de se submeter a descargas profundas ou fornecer altas correntes em
curto espaço de tempo. O fator econômico, mais precisamente o preço da bateria, a
facilidade de aquisição e assistência técnica são fatores que em muitas ocasiões
pesam mais na hora da escolha.
2.1 Baterias alcalinas
A bateria de NI-CAD é um dos mais eficientes armazenadores de energia
elétrica disponíveis. Ela é rígida, compacta, provê correntes elevadas na saída,
apesar de seu pouco peso, carrega rapidamente, possui excelentes características
de funcionamento a baixas temperaturas e mantém uma tensão relativamente
constante na saída, até descarregar-se completamente (EMBRAER, 1977).
As baterias alcalinas, em especial as de Níquel-Cádmio (NiCd) ou Níquel
Metal Hidreto (NiMH), admitem descargas profundas de até 90% da capacidade
nominal, com baixíssimo coeficiente de autodescarga. A sua capacidade de
absorção de carga é superior a 80% e possui alto rendimento mesmo sob variações
extremas de temperatura. Durante a manutenção é possível substituir células
individualmente. A tensão de cada célula é de 1,2 volts e devem ser totalmente
descarregadas antes de serem submetidas à recarga, devido ao efeito memória
(EMBRAER, 1983).
Tecnicamente, as baterias alcalinas são as mais indicadas para o uso em
banco de baterias, mas o seu alto custo de aquisição e manutenção as tornam
inviáveis na maioria dos casos. Essas baterias requerem equipamentos especiais
para monitorar o processo de carga, porque não podem sofrer superaquecimento,
devido ao risco de incêndio. O ambiente de armazenamento e manuseio dessas
baterias não pode ser o mesmo de baterias chumbo ácidas, devido ao risco de
ocorrerem reações químicas que as danifiquem (EMBRAER, 1983).
A Figura 1 mostra detalhes de uma bateria alcalina, com a tampa superior
retirada.
16
Figura 1: Bateria alcalina, com célula em destaque . Fonte: Manual de Sistemas Elétricos – (EMBRAER, 1983, p. 43).
2.2 Baterias chumbo ácida
Baterias chumbo ácida são as mais utilizadas para armazenamento de
energia e podem ser classificadas como:
1- Baterias SLI (Starting, Lighting and Igniton – arranque, iluminação e
ignição);
2- Baterias de tração;
3- Baterias estacionárias.
1- As baterias SLI – ou baterias de arranque, também conhecidas como
automotivas – são desenvolvidas para operarem durante períodos curtos,
como na partida do motor de um automóvel. As placas que constituem as
suas células são finas e em grande quantidade, o que resulta em uma
maior superfície ativa entre elas e suportam altas descargas de corrente
em curtos espaços de tempo. Por não serem utilizadas durante longos
ciclos (tempos longos de descarga) e não suportarem descargas
profundas, elas não são as mais recomendadas para sistemas de bancos
de baterias, apesar de usadas em sistemas de baixo custo (SAAD, 2012).
2- As baterias de tração podem ser submetidas a descargas profundas,
aceitam ciclos longos e possuem placas mais grossas e duráveis. Devido
a essas características, elas são geralmente utilizadas em veículos elétricos
e são recomendadas para sistemas eólicos e fotovoltaicos autônomos.
17
3- As baterias estacionárias são comumente utilizadas em no-breaks para
computadores, equipamentos telefônicos e outros sistemas onde não se
pode ter interrupção da alimentação. Estas baterias permitem descargas
mais profundas se comparadas às baterias SLI.
Conforme o regime de descarga, temperatura de operação e aspectos
construtivos da bateria, as placas positivas ou negativas serão ou limitadoras da
capacidade ou superdimensionadas. Por exemplo: nas baterias de tração,
construídas especialmente para uso com correntes de média intensidade (uso
industrial), na faixa de temperatura entre 10º e 30ºC, a placa negativa é limitadora da
capacidade. Já para as altas correntes de descarga das baterias automotivas, na
mesma faixa de temperatura, é a placa positiva a limitadora da capacidade, porque a
placa negativa é superdimensionada (MOURA, 1996).
Os principais fatores construtivos que influem na capacidade de um elemento
são: matéria ativa e concentração de eletrólito; espessura das placas; área de
contato das placas com o eletrólito; porosidade das placas, e os componentes das
placas e da grade (MOURA,1996). Citando como exemplo a espessura das placas,
em geral altas correntes exigem placas finas – como são as das baterias
automotivas. Como o tempo disponível para que ocorra a reação é mais curto nas
correntes elevadas, convém que os íons obtenham uma penetração maior nas
placas e de forma mais acelerada, antecipando o contato com a matéria ativa. As
placas grossas são mais apropriadas para descargas lentas, como, por exemplo, as
baterias de no-breaks (estacionárias). Baterias com placas finas apresentam menor
vida útil que as baterias com placas grossas.
As baterias chumbo ácida também se distinguem pela forma de seu eletrólito:
Há as baterias inundadas e as baterias seladas.
Baterias inundadas são as clássicas baterias que dispõem de abertura para
a verificação do nível e concentração do eletrólito, assim como para a reposição de
água destilada ou deionizada.
Baterias Seladas são similares às inundadas, mas possuem eletrólito
suficiente em reserva para operarem dentro dos seus ciclos normais de vida,
dispensando reposição de água e manutenção. Elas não dispõem de aberturas para
verificação de estado, nível de eletrólito e reposição de água, o que pode limitar sua
vida útil. Por este motivo não devem sofrer sobrecarga, descargas profundas, e altas
18
temperaturas. É primordial serem carregadas adequadamente para o aumento de
performance e durabilidade (SAAD, 2012).
Há variações construtivas de baterias chumbo ácidas (VRLA e Gel, por
exemplo), igualmente seladas, requerendo, portanto, os mesmos cuidados.
Há algumas desvantagens apresentadas pelas baterias de chumbo e ácido,
tais como a dificuldade de se determinar com precisão o SOC (State of Carge ou
estado de carga, que é a quantidade de carga presente na bateria em relação à
carga máxima), principalmente quando a bateria está em operação (com carga ou
descarga em andamento) e a baixa densidade de energia que ela armazena, em
relação aos outros tipos de baterias. A durabilidade de uma bateria de chumbo e
ácido depende do regime de carga e descarga e da temperatura de operação
(COELHO, 2001).
O valor típico de tensão nos terminais de uma bateria de chumbo e ácido é
aproximadamente 2,14 V por célula, se completamente carregada (BASTOS, 2013).
O valor dessa tensão na verdade depende do seu estado de carga, se está sendo
carregada, descarregada ou em circuito aberto. Em geral, a tensão de uma célula
varia entre 1,75 e 2,5 volts, sendo a média cerca de 2 volts; a qual se costuma
chamar de tensão nominal da célula (MOURA, 1996). Se a bateria de chumbo ácida
não for utilizada por algum tempo, sua capacidade é reduzida devido à auto
descarga. Assim, uma tensão de flutuação deve ser imposta nos terminais da bateria
quando ela não estiver em operação, em torno de 2,2 V por célula (COELHO, 2001).
A capacidade de armazenagem de energia de uma bateria depende da
velocidade de descarga. A capacidade nominal que a caracteriza corresponde a um
tempo de descarga de 20 horas (C20) (NBR15914, 2013). Quanto maior for o tempo
de descarga, maior será a quantidade de energia que a bateria fornece. Um tempo
de descarga típico em sistemas eólicos e fotovoltaicos é 100 h. Por exemplo: uma
bateria que possua uma capacidade de 80 Ah, em 10 h (capacidade nominal), terá
100 Ah de capacidade em 100 h (MOURA, 1996).
2.3 Métodos de carga de baterias chumbo ácidas
O tempo de carga e o rendimento são dois fatores muito importantes para a
carga de uma bateria. A carga rápida requer corrente maior e isso diminui o
rendimento. Ambos (tempo de carga e rendimento) devem ser tratados de forma a
se obter um equilíbrio. Os fatores que limitam o processo de carga são: a tensão
19
terminal e a temperatura, já que tensões e temperaturas elevadas danificam e
reduzem a vida útil da bateria (COELHO, 2001).
A capacidade armazenada por uma bateria, durante o processo de carga, são
os ampères-hora adquiridos durante o processo. Esses ampères-hora armazenados
são extraídos da bateria durante a descarga. Segundo a lei dos ampères-hora de
Woodbridge, 1935, quando a bateria se encontra em estado de carga baixo, a
aceitação de carga é elevada e vai diminuindo à medida que a bateria vai carregando.
A aceitação de carga depende não só das condições de carga, mas também da
construção da bateria, do tempo de uso e da temperatura (BASTOS,_2013).
Os métodos de carga de bateria vistos na literatura são cinco: corrente
constante; tensão constante; potência constante; corrente pulsada e métodos
mistos, nos quais existem estágios de alternâncias entre os outros métodos
(COELHO, 2001; BOSCH, 2007; SAAD, 2012).
Tabela 1 Características dos métodos de carga.
Fonte: COELHO, 2001.
Na Tabela 1 são apresentadas as características dos métodos de carga. O
método de corrente constante o que apresenta um dos melhores resultados, porque
20
a corrente é controlada, evitando aquecimento. Porém, a bateria pode ser danificada
por ficar exposta a tensões elevadas (valores mais altos do que os limites máximos
permitidos pelo fabricante da bateria), então a tensão deve ser gerenciada durante
todo o processo.
No método de tensão constante a corrente tende a alcançar valores elevados
em determinados momentos, por isso deve ser utilizado para pequenos intervalos de
tempo. A temperatura deve ser observada para evitar aquecimento excessivo.
De acordo com a Tabela 1, vê-se que o método de potência constante deve
ser utilizado também com supervisão da temperatura da solução e somente para
curtos intervalos de tempo. Mas difere do método de tensão constante, porque a
potência injetada diminuí à medida que a bateria vai adquirindo carga. Neste método
a redução de potência não ocorre, fazendo com que as perdas ôhmicas sejam
superiores em relação ao método de tensão constante, devido à injeção de uma
potência mais elevada durante todo o processo.
Dos métodos mistos utilizados, destaca-se o método com dois níveis,
mostrado na Figura 2. Este método se baseia na união das características dos
métodos de corrente constante e do método de tensão constante, alternados de forma
a utilizar as melhores características de cada um (COELHO, 2001; BASTOS, 2013).
Figura 2: Método de dois níveis de tensão . Fonte: COELHO, 2001.
Supondo a bateria descarregada, aplica-se no primeiro estágio uma corrente
mínima, controlada (Imin), evitando-se, com isso, picos de corrente e formação
excessiva de gases. Esta etapa é mantida até que a bateria atinja uma tensão
mínima de trabalho (Vmin).
21
Ao ser alcançado Vmin, inicia-se o processo de carga da segunda etapa,
injetando a corrente de carga desejada Imax. Com a injeção de uma corrente de carga
elevada, a tensão tende a subir a uma taxa proporcional à corrente. No momento em
que ela atinge o valor máximo permitido pelo fabricante da bateria (Vst), a terceira
etapa é iniciada, fixando-se este valor de sobretensão na bateria.
A terceira etapa tem a função de reduzir o tempo de carga por meio da
regulação de uma sobretensão Vst. Como a tensão é fixa, a corrente de carga inicia
um processo de queda, à medida que a bateria se aproxima da carga completa.
Ao ser atingida a carga completa, inicia-se a quarta etapa, que tem a função
de compensar a autodescarga da bateria, aplicando-se uma tensão de flutuação Vf,
uma vez que a bateria está carregada e não está em operação. Após o uso da
bateria, caso o processo de carga se inicie com uma carga diferente de zero, o
processo necessitará ser reiniciado a partir da segunda etapa.
A Figura 3 mostra a representação do método com dois níveis de tensão em
função do tempo (t).
Figura 3: Método de dois níveis de tensão, em função do tempo. Fonte: COELHO, 2001.
2.4 Conceitos e termos relacionados às baterias
A 1.ª Lei de Faraday estabelece que durante uma eletrólise, a massa de uma
substância libertada em qualquer um dos eletrodos, bem como a massa da substância
decomposta, é diretamente proporcional à quantidade de eletricidade que passa pela
solução. Decorrente dessa Lei, surge o conceito de capacidade (MOURA, 1996).
A capacidade de uma bateria é expressa na unidade de ampère-hora ou, de
forma menos usual, na unidade watt-hora.
A capacidade em ampère-hora mede a quantidade de eletricidade que a
bateria plenamente carregada pode fornecer numa descarga a uma determinada
22
corrente até uma tensão final estabelecida, denominada tensão de corte. A
capacidade em watt-hora, por outro lado, é a energia que a bateria pode fornecer
durante a mesma descarga. A capacidade em watt-hora pode ser obtida
multiplicando-se a capacidade em ampère-hora pelo valor médio da tensão durante
o período de descarga. Portanto, na medida da capacidade é necessário especificar o
regime de descarga, a tensão final de corte e a temperatura da descarga (MOURA, 1996).
No teste de capacidade mais usual, se toma um valor constante para a
corrente de descarga, de modo que a capacidade é dada pela expressão CB = I . t,
onde I é a corrente de descarga, t é o tempo decorrido desde o início da descarga
até a tensão final de corte.
Define-se regime de descarga tanto pelo tempo total da descarga, quanto
pela corrente. Por exemplo: numa descarga completa de 20 horas de duração, com
corrente de 1,8 A, o regime de descarga pode ser especificado como “regime de 20
horas” ou “regime de 1,8 A”.
Já a tensão de corte é a tensão mínima admissível de operação da bateria em
descarga e varia conforme o regime. Ao descarregar além desse limite se observa a
queda brusca da tensão. Esta prática conduz a prejuízos estruturais na bateria, sem
nenhum ganho significativo em capacidade.
Outros termos relacionados à capacidade são:
1- Capacidade Nominal: trata-se da capacidade assegurada pelo fabricante
para uma bateria nova e em condições de operação especificadas. Um
acumulador com capacidade de 36 Ah, para 20 h de descarga, se
representa como C20. A corrente que é capaz de fornecer durante 20 horas
é de 1,8 A e se representa por I(C20)=1,8A.
2- Profundidade de descarga: são os ampères-hora extraídos de uma
bateria plenamente carregada, expressos como uma porcentagem da
capacidade.
3- Estado de carga (EC): ampères-hora disponíveis em uma bateria
expressos como uma porcentagem da capacidade.
4- Ciclo de vida: número total de ciclos que uma bateria pode suportar sob
certas condições.
5- Vida: período durante o qual uma bateria é capaz de operar, mantendo a
capacidade e o nível de rendimento.
23
3. O GERADOR EÓLICO
O gerador eólico utilizado neste Trabalho é um aerogerador de pequeno
porte, que pode ser instalado em barcos, topo de edifícios, residências e outros
locais que tenham uma demanda adequada a sua capacidade de geração de
energia elétrica e haja ocorrência de ventos constantes. É fabricado nos Estados
Unidos e incorpora tecnologia de última geração.
Os folders de propaganda deste aerogerador informam que ele é silencioso,
eficiente e necessita de pouco vento para gerar energia (SOUTHWEST, 2011).
A Figura 4 mostra o gerador eólico.
Figura 4: Gerador eólico Air Breeze Fonte: Rockel, 2013
3.1 Instalação e funcionamento
O fabricante do gerador eólico recomenda que a altura mínima da torre deve
ser de 25 pés (7,6 m) em campo aberto ou 20 pés (6 m) acima de construções
próximas, porque a turbulência dos ventos reduz a eficiência e provoca desgastes
nas partes rotativas do gerador. Há diversas configurações de instalação possíveis,
associadas com painéis solares ou vários geradores eólicos agrupados, mas essas
configurações não serão abordadas neste Trabalho, porque não se relacionam com
24
o projeto. Considerar-se-á apenas um gerador, cujo diagrama de instalação está
mostrado na Figura 5.
Figura 5: Diagrama de instalação do gerador eólico AIR BREEZE. Fonte: Manual do proprietário Air Breeze (SOUTHWEST, 2011, p. 13).
O fabricante do gerador eólico recomenda ligar o gerador diretamente ao seu
banco de baterias. É necessária a instalação de um interruptor de passagem, para
fornecer um modo conveniente de desligá-lo. Quando o interruptor desliga o gerador
do banco de baterias, ele coloca em curto os terminais do gerador, para evitar que o
rotor dispare por ação do vento – quando esse estiver muito intenso.
25
As turbinas eólicas funcionam através da captura de energia cinética do ar em
movimento (o vento), convertendo-a em movimento de rotação de seu eixo, que está
acoplado a um alternador, que produz energia elétrica.
As pás giram em resposta ao vento. Dependendo da força do vento,
continuarão girando até elevar a tensão elétrica produzida a um nível acima da
tensão do banco de baterias, iniciando o carregamento.
O gerador eólico possui um alternador trifásico e seu controle é comandado
por um microcontrolador interno. O microcontrolador monitora a velocidade do rotor,
o nível de carga e a tensão do banco de baterias e, em função dessas variáveis,
atua nos circuitos internos do gerador – conforme informa o fabricante do gerador
(SOUTHWEST, 2011).
A seguir são descritos os recursos que o gerador tem, conforme consta no
manual do proprietário.
3.2 Características e especificações técnicas
O Air Breeze é um aerogerador leve, com apenas 6 kg, e seu rotor tem
diâmetro de 1,17 m. Ele necessita de uma velocidade mínima do vento de 2,7 m/s
(9,7 km/h) para começar a girar. Em testes realizados em bancada, que serão
mostrados no capítulo seguinte, constatou-se que o início do giro do rotor do gerador
não significa, necessariamente, que ele já tenha potência suficiente para carregar
uma bateria.
Para definir a potência nominal do gerador, que é de 160 watts, o fabricante
tomou como referência ventos com velocidade de 28 mph, que corresponde a
aproximadamente 12,5 m/s (45 km/h).
Outras especificações técnicas podem ser vistas no Anexo A, que se encontra
no final desta publicação.
O gerador roda livremente se estiver desligado, sem uma carga elétrica
conectada nele. Se o vento estiver muito intenso, ele pode atingir rapidamente o
limite máximo de velocidade e é travado pelo sistema interno de segurança. A
repetição sucessiva deste processo pode danificar o gerador. Por isso, na ausência
de carga elétrica, deve-se deixar os seus terminais curto-circuitados.
Ele possui os seguintes recursos de proteção automática:
26
1- Regulação;
2- Desaceleração;
3- Travagem.
3.2.1 Regulação
O ponto de regulação (set point) vem definido de fábrica para 14,1 volts, mas
pode ser ajustado entre 13,6 e 17 volts. Não se trata de regulagem da saída do
gerador, como, em princípio, se pode pensar. Dá-se o nome de ponto de regulação,
ou set point, ao valor de tensão atingida pelo banco de baterias, durante a carga, em
que se considera que ele esteja totalmente carregado.
Quando a tensão do banco de baterias atinge o set point, o gerador entra no
modo “regulação”. Neste momento ele deixa de produzir energia e a rotação das pás
diminui drasticamente. O gerador permanece em regulação até a tensão do banco
de baterias atingir um valor ligeiramente abaixo do set point. Quando esse nível é
atingido, chamado de “nível de transição", as pás do gerador eólico retornam à
rotação normal, em resposta ao vento.
O modo de regulação é indicado por um LED, existente na parte debaixo do
corpo do gerador eólico, o qual pisca cerca de duas vezes por segundo.
3.2.2 Desaceleração
O modo desaceleração ocorre com uma redução abrupta da rotação do
gerador para cerca de 500 - 700 rpm. O gerador entra nesse modo quando a
velocidade do vento atinge 15,6 m/s (56,16 km/h) e permanece neste modo até a
velocidade do vento diminuir para 14 m/s (50,4 km/h). Se for detectado uma
velocidade de vento de 22 m/s (79,2 km/h), a turbina ficará totalmente desligada por
5 minutos.
O LED indica o modo de desaceleração piscando aproximadamente 10 vezes
por segundo.
3.2.3 Travagem
O modo de travagem ocorre quando os terminais de saída do gerador eólico
são postos em curto-circuito. Esse procedimento pode ser feito manualmente,
acionando o interruptor do gerador, ou automaticamente, com comando interno do
gerador, quando há ventos muito fortes.
27
4. TESTE EM BANCADA
O gerador eólico escolhido como objeto de pesquisa para a realização deste
Trabalho fica instalado sobre o teto de um hangar no aeroporto Teruel, conforme se
vê na foto apresentada na Figura 6.
Figura 6: Gerador eólico instalado sobre o teto do hangar. Fonte: ROCKEL, 2013.
Para verificar in loco as suas características e especificações técnicas, ele foi
retirado desse local e instalado em uma bancada, sem as pás da hélice, de forma
que o seu giro pôde ser feito com uma furadeira elétrica, de rotação variável,
mostrada na Figura 7. Assim, a realização dos testes não ficaram restritas à
ocorrência de ventos.
Figura 7: Bancada de testes do gerador eólico. Fonte: ROCKEL, 2013.
28
4.1. Potência máxima
Para verificar a potência máxima do gerador, utilizou-se uma bateria
automotiva de 12 volts × 60 Ah conectada diretamente ao gerador, conforme o
diagrama mostrado na Figura 8.
Figura 8: Diagrama de ligação de amperímetro e voltímetro. Fonte: ROCKEL, 2013.
Para a obtenção da potência máxima do gerador eólico, aplicada à bateria,
durante o giro do gerador em bancada, utilizou-se dois multímetros selecionados
para medir corrente e tensão respectivamente. Para facilitar o registro desses dados,
manteve-se acionada a tecla HOLD MAX em cada um dos instrumentos, para
congelar a imagem do visor no valor máximo indicado.
4.1.1. Descrição do teste
Com a furadeira elétrica acoplada ao gerador eólico, aumentou-se
gradualmente a rotação até atingir o limite máximo permitido pelo sistema de
proteção automática do gerador, o qual então travou o gerador – como se o “vento”
tivesse atingido a velocidade de 15,6 m/s (56,16 km/h). Nesse instante, os valores
indicados nos instrumentos eram:
1- Imáx = 13,25 A;
2- Vmáx = 14,66 V.
A bateria não estava carregada, apresentando tensão de 11,93 V, antes do
início do giro.
A Figura 9 mostra a indicação de corrente e tensão registradas pelos
multímetros no final do teste.
29
Figura 9: Corrente e tensão máxima indicada. Fonte: ROCKEL, 2013.
Com os dados obtidos de corrente e tensão, a potência aplicada pelo gerador
à bateria, no instante final, foi de:
4.1.2. Análise dos dados
A potência nominal do gerador eólico é 160 W. No teste realizado obteve-se
194,25 W. Esta aparente discrepância certamente se justifica pela rotação aplicada
ao gerador. O fabricante do gerador estipulou como parâmetro de definição da
potência nominal ventos com velocidade de 12,5 m/s (45_Km/h). No teste, elevou-se
a rotação do gerador até o sistema de segurança interno dele travar, indicando que
a rotação aplicada correspondia a ventos com velocidade de aproximadamente 15,6
m/s (56,16 km/h). Portanto, o gerador foi submetido a um esforço extremo – máxima
rotação permitida – e, nesse instante, atingiu 194,25 W de potência.
Sabe-se que, dependendo das condições de carga, a bateria oferece uma
certa resistência à corrente de carga, limitando-a. Se a bateria estiver descarregada,
sua resistência (para o gerador) será baixa e a corrente de carga alta. Assim que
começa a carregar, sua resistência interna (para o gerador) aumenta e a corrente de
carga diminui.
A bateria que foi submetida ao teste não estava totalmente descarregada
(com 11,93 V antes do giro). A tensão de corte, em circuito aberto, de uma bateria
automotiva, é em torno de 10,5_V (MOURA, 1996). A 50% de carga ela possui 2,03 V
por célula e 1,95 V quando totalmente descarregada (COELHO, 2001). Mesmo assim,
durante o giro, a corrente subiu rapidamente, com pouco aumento de tensão. Pode-
Eq. 1
30
se inferir, diante dessas considerações, que o crescimento da intensidade de
corrente de carga seria ainda maior com a bateria totalmente descarregada.
Um segundo teste foi realizado, com a bateria totalmente carregada, para
observar se, nesta condição, o aumento de tensão seria mais significativo do que o
aumento de corrente e obteve-se os seguintes dados no final do giro:
1- Tensão da bateria antes do giro: 12,73 volts.
2- Imáx = 7,63 A
3- Vmáx = 16,37 V
Figura 10: Corrente e tensão obtidas com a bateria carregada. Fonte: ROCKEL, 2013.
Observou-se que a tensão aumentou mais rapidamente do que a corrente
durante o giro. Mas, o teste foi encerrado antes do sistema de segurança do gerador
travar, não atingindo a potência máxima. Foi o suficiente para permitir o cálculo da
resistência interna da bateria (para o gerador) no instante final de cada giro (Eq. 2).
Pela Lei de Ohm,
A resistência interna da bateria, considerando o instante final do primeiro e
segundo teste, respectivamente, é:
A potência aplicada pelo gerador sobre a bateria é sempre a máxima
disponível, em função do vento, enquanto os valores de tensão e corrente de carga
dependerão do estado de carga da bateria (EC).
Eq. 2
31
5. CÁLCULO DE POTÊNCIA DO VENTO
A equação da continuidade de Bernoulli define que a vazão de fluído é
constante para diferentes localizações ao longo do tubo de vazão, considerando-se
que não há fluxo de massa através dos limites do tubo de vazão e assumindo-se
que a massa específica do ar é constante, o que é válido para velocidades do vento
menores que 100 m/s (fluído incompressível) (CUSTÓDIO, 2009).
Ao converter a energia cinética do vento, a turbina eólica provoca a redução
da velocidade do vento na saída do rotor, o que resulta no aumento do diâmetro do
tubo de vazões, como se vê na Figura 11.
Figura 11: Fluxo de vento através de uma turbina eólica. Fonte: Electrónica, (http://www.electronica-pt.com/index.php/content/view/17/29/).
A potência do vento extraída pela turbina eólica é a diferença de potência
entre o fluxo de ar na entrada e na saída do rotor eólico, como demonstra a equação 3:
Onde:
Pt = potência extraída do vento pela turbina eólica (W),
Pe = potência disponível no vento na entrada do rotor eólico (W);
Ps = potência disponível no vento na saída do rotor eólico (W).
Se o vento perde muita velocidade atrás do rotor, o ar irá fluir em volta da
área do rotor, em vez de atravessá-lo. Por isso, a máxima potência que pode ser
extraída do vento por uma turbina eólica apresenta uma limitação que é referente a
uma velocidade do vento na saída do rotor eólico, que não pode ser inferior a 1/3 da
Eq. 3
32
velocidade do vento incidente (v). Neste caso, o rotor absorve a energia equivalente
a 2/3 da energia disponível no vento livre, antes da turbina (CUSTÓDIO, 2009).
A potência do vento na entrada da turbina é dada pela equação 4:
Onde:
Pe = potência disponível no vento na entrada do rotor eólico (W);
m = fluxo de massa de ar (kg/s);
v = velocidade do vento livre (m/s).
Sendo que:
m = A ve
Onde:
m = fluxo de massa de ar (kg/s);
= massa específica do ar (kg/m³);
A = área da seção transversal (m²);
ve = velocidade do vento na entrada da turbina (m/s).
Então, a potência do vento na entrada da turbina eólica é dada por:
De forma similar, pode-se determinar a expressão da potência do vento na
saída da turbina, considerando-se que vs = v/3, ou seja:
Substituindo-se as equações 7, 6 e 3, obtêm-se a máxima potência do vento
que pode ser extraída por uma turbina eólica:
ou:
Onde:
Ptmáx = máxima potência possível de ser extraída do vento por uma turbina (W);
= massa específica do ar (kg/m³);
A = área da seção transversal varrida pelo rotor da turbina (m²);
Eq. 4
Eq. 5
Eq. 6
Eq. 7
Eq. 8
Eq. 9
33
v = velocidade do vento livre antes da turbina (m/s);
P = potência disponível do vento (W).
Desconsiderando perdas na turbina eólica, ela poderá extrair no máximo
16/27 da potência disponível do vento, o que representa 59,3% dessa potência
(CUSTÓDIO, 2009). Este valor é chamado de “Máximo de Betz”, ou “Coeficiente de
Betz”. No gráfico abaixo (Figura 12), vê-se as curvas de potência do vento e da
máxima possível de extração pelo gerador eólico.
Figura 12: Gráfico da potência do vento e da máxima potência possível de ser extraída por uma turbina eólica – “Máximo de Betz”.
Fonte: Energia Eólica (CUSTÓDIO, 2009, p. 72).
Uma turbina real somente fará a extração de parte da potência máxima do
vento, porque há perdas na conversão da energia eólica.
O coeficiente Cp indica a relação entre a potência realmente extraída do vento
por uma turbina eólica e a potência disponível no vento, como se vê na equação 10:
Onde:
Cp = coeficiente de potência de uma turbina eólica (adimensional);
Pt = potência produzida pela turbina eólica (W);
= massa específica do ar (kg/m³);
Eq. 10
34
A = área varrida pelo rotor da turbina (m²);
v = velocidade do vento (m/s).
O coeficiente Cp de uma turbina eólica varia de acordo com a velocidade do
vento. Vê-se um exemplo, de um determinado gerador eólico, na Figura 13. Esta
variação deve-se ao fato das pás do rotor da turbina alterarem suas eficiências
aerodinâmicas em função da variação da velocidade do vento incidente. O ponto de
máximo da curva Cp × v representa a máxima eficiência da turbina e é obtida em uma
determinada velocidade do vento.
A posterior conversão em energia elétrica ainda inclui outra redução de
potência devida aos rendimentos dos demais equipamentos, tais como gerador,
transmissão, etc. (CUSTÓDIO, 2009).
Figura 13: Exemplo de curva do coeficiente de potência Cp de um gerador eólico. Fonte: Energia Eólica (CUSTÓDIO, 2009, p. 68).
Portanto, a viabilidade de um projeto de conversão de energia eólica em
energia elétrica, além da frequência de ocorrência de ventos durante o ano, depende
também de um conjunto de fatores que resultarão (ou não) na potência pretendida
ou necessária, para o fim que se destina o projeto. A velocidade dos ventos é um
desses fatores fundamentais.
35
6. DEMONSTRAÇÃO DA NECESSIDADE DO SISTEMA DE CONTROLE
No caso específico do sistema de controle desenvolvido neste Trabalho, não
se visa o carregamento de um banco de baterias, mas de uma bateria automotiva
unicamente, ligada ao gerador eólico.
O gerador aplica sobre os terminais da bateria toda a potência disponível, em
função da velocidade do vento (Eq. 9). Um banco de baterias, de no mínimo 400 Ah,
não precisa de sistema de controle, porque a potência máxima que o gerador aplica
nos momentos de vento forte não excede a capacidade de absorção de carga das
baterias. No entanto, se uma bateria automotiva de, por exemplo, 60 Ah for
conectada aos terminais do gerador, ela poderá ser submetida a um nível de
carregamento muito elevado, superior ao que ela suporta, e será danificada.
São os fabricantes de baterias que estipulam os níveis máximos
recomendados de corrente e tensão de carga para as baterias chumbo ácidas. A
tensão não deve exceder 14,5 volts (para baterias de 12 volts em regime de tensão
constante) e a corrente não deve exceder 10% da capacidade da bateria, quando
em regime de corrente constante (MOURA, 1996; Bosch, 2007; SAAD, 2012; BASTOS,
2013). Não significa, necessariamente, que tensões e correntes de carga com
valores acima dessa limitação danificarão a bateria. O risco, neste caso, está
vinculado ao aumento de temperatura no interior dela.
Em procedimentos de carga rápida, a intensidade de corrente de carga
ultrapassa os 10% da capacidade nominal da bateria. Em uma publicação técnica da
Johnson Controls – Treinamento Técnico em Baterias Automotivas –, diz o seguinte:
Normalmente, não é recomendada carga rápida para baterias chumbo-
ácido, devendo ser utilizada somente em situações de emergência.
Neste caso, recomendamos a recarga com corrente constante de 30%
da capacidade nominal, limitando a tensão ao máximo de 16 V e a
temperatura da solução a 50º-C.
(JOHNSON CONTROLS, 2009, p. 25.)
Pode-se concluir, então, que são aceitáveis regimes de carga com correntes
que atinjam até 30% da capacidade nominal da bateria e tensões até 16 volts,
porém requerem um monitoramento da temperatura do eletrólito, devido à
possibilidade de superaquecimento.
36
Diante dessas constatações, resta saber o quanto de carga o gerador Air
Breeze aplica à bateria automotiva conectada a ele, em diversos níveis de
intensidade de ventos que ocorrem durante as estações do ano.
5.1 Cálculos teóricos
Nos experimentos realizados para verificar a potência máxima do gerador
(Cap. 3.3.1), obteve-se os seguintes dados:
1- Resistência interna da bateria, com ela semi descarregada, Ri1 = 1,106 ;
2- Resistência interna da bateria, com ela carregada, Ri2 = 2,145
Esses valores de resistência interna da bateria se referem unicamente aos
respectivos instantes que foram obtidos. Mas, apenas como um exercício teórico,
eles serão utilizados para calcular tensão e corrente de carga em condições
diferentes de velocidade do vento e de potência produzida pelo gerador.
Supondo a potência nominal do gerador (160 W) sendo aplicada à bateria
com essas resistências internas, resulta em correntes de carga de:
=>
=>
E tensões (Eq. 2):
Com esses dados, verifica-se que os valores obtidos de corrente de carga
(entre 8,64 e 12,03 A) são muito elevados, se aplicados durante um longo período de
tempo a uma bateria de chumbo e ácido de 60 Ah. Da mesma forma, a tensão de
18,53 V seria excessiva para essa bateria.
Porém, a potência nominal pode não retratar a realidade cotidiana da cidade
de Campo Grande – local do experimento com o gerador eólico Air Breeze –, porque
a potência nominal do gerador (160 W), é especificada pelo manual do gerador,
considerando a velocidade de vento de 12,5 m/s (45 km/h).
Diante disso, um estudo a respeito das velocidades de ventos em Campo
Grande se faz necessário.
Eq. 11
37
5.2 Velocidade dos ventos na cidade de Campo Grande
Na Tabela 2, vê-se uma tomada de dados de velocidade média e máxima de
ventos, realizada na Estação Meteorológica da Universidade Anhanguera-Uniderp,
entre os meses de janeiro e setembro de 2013.
Tabela 2 Velocidades médias e máximas de ventos em Campo Grande, MS.
Mês Velocidade (m/s)
média máxima
Janeiro 1,7 25,5
Fevereiro 1,3 16,1
Março 1,5 16,5
Abril 1 12,5
Maio 1,2 19,2
Junho 0,7 20,6
Julho 1,9 15,6
Agosto 2,3 15,2
Setembro 2,2 18,3
Fonte: Estação Meteorológica da Universidade Anhanguera-Uniderp, 2013.
Os dados de temperatura, pressão, velocidade do vento, radiação solar,
umidade do ar, ponto de orvalho e outros são computados, na Estação
Meteorológica da Universidade Anhanguera-Uniderp, a cada 5 minutos todos os
dias, de forma ininterrupta (informação verbal) 1. Para compor a Tabela 2, extraiu-se do
sistema apenas os dados referentes à velocidade dos ventos. Esses dados são
apresentados prontos, calculados em software do próprio sistema computacional da
Estação Meteorológica.
No mês de junho aparece o registro do menor valor de velocidade média
(0,7_m/s) e o segundo valor mais alto de velocidade máxima (o valor mais alto é o de
janeiro, 25,5 m/s). Nota-se que em ambos os casos (Vmáx e Vmin) o gerador eólico Air
Breeze não estaria carregando a bateria automotiva, porque a velocidade mínima
para o rotor dele começar a girar é 2,7 m/s e a máxima que ele pode atingir, sem
travar, é 15,6_m/s.
Os dados médios e máximos de velocidade do vento de um mês inteiro não
nos permitem tirar conclusões a respeito do tempo de funcionamento do gerador
durante esse período. Mas, analisando-se somente as velocidades máximas,
(1) Informação prestada pelo meteorologista Natálio Abrahão Filho, da Estação Meteorológica da ..Universidade Anhaguera-Uniderp.
38
constata-se que o gerador não atingiria a velocidade de travamento somente nos
meses de abril e agosto, conforme os números apresentados na coluna de
velocidade máxima, na Tabela 2. Em todos os outros meses ele seria submetido a
velocidades acima da máxima que ele funciona sem travar.
Para se ter uma noção melhor do funcionamento do gerador eólico durante
um determinado período, montou-se uma planilha no M. Excel, com os valores
médios e máximos de velocidade dos ventos, de um determinado período de um dia
do mês de agosto. Esta planilha pode ser vista no Anexo G.
Na Figura 14 é mostrado um gráfico com dados restritos a hora em que se
registrou a velocidade máxima daquele mês (15,2 m/s) e na Figura 15 se vê um
gráfico das velocidades médias registradas entre 6 horas da manhã até ao meio-dia,
ambos referentes ao dia 14 de agosto de 2013.
Figura 14: Velocidade máxima em intervalos de 5 minutos. Período das 8 às 9 horas da manhã do dia 14 de agosto de 2013, quando ocorreu a maior velocidade de vento naquele mês
..................(15,2 m/s 54,72 km/h, às 8 h e 30 min).
Fonte: Estação Meteorológica da Universidade Anhanguera-Uniderp, 2013.
A média das velocidades máximas tomadas a casa 5 min, entre 8 e 9 horas, é:
(43,16 km/h)
Já o gráfico mostrado na Figura 15 é diferente, porque cada ponto registra a
velocidade média computada em cada intervalo (e não a velocidade máxima de
cada intervalo, como no gráfico da Figura 14).
0
2
4
6
8
10
12
14
16
08:00 08:05 08:10 08:15 08:20 08:25 08:30 08:35 08:40 08:45 08:50 08:55 09:00
V (m/s)
V (m/s)
V(m/s)
h:min
Eq. 12
39
Figura 15: Velocidade média dos ventos, tomada a cada 15 minutos. Período das 6 às 12 horas da manhã do dia 14 de agosto de 2013.
Fonte: Estação Meteorológica da Universidade Anhanguera-Uniderp, 2013.
A média das velocidades tomadas das 6 às 12 horas, é (Eq.12):
(17,28 km/h)
Sendo 2,7 m/s a velocidade de início do giro e 15,6 m/s a velocidade de
travamento do gerador; a condição de produção de energia elétrica pelo gerador é
dada por:
2,7 < VVt < 15,6
VVt = Velocidade do vento (m/s)
Conclui-se que, apesar das velocidades máximas e mínimas dos ventos que
ocorreram no dia 14 de agosto de 2013, na cidade de Campo Grande (considerando
o dia inteiro, de 24 horas), terem registrado valores que ficam fora dos limites de
funcionamento do gerador eólico Air Breeze, para carregar uma bateria, houve
períodos durante o dia, como entre 6 e 12 horas da manhã, que a média das
velocidades indica que ele poderia estar em operação, produzindo eletricidade.
Os picos de velocidades mais altas, nos períodos estudados (janeiro a
setembro de 2013), extrapolam o valor definido de velocidade do vento para a
potência nominal do gerador (que é de 12,5 m/s), inclusive no mês de agosto – cujo
pico máximo de velocidade (15,2 m/s) ficou abaixo da velocidade de travamento
(15,6 m/s), mas acima da velocidade que determina a potência nominal.
Considerando que a potência nominal do gerador já pode ser excessiva para
carregar uma bateria automotiva – conforme ficou demonstrado no cálculo teórico da
seção 5.1 – há a necessidade de um sistema de controle de carga para o gerador
Air Breeze, se ele for conectado a uma bateria automotiva.
0
2
4
6
8 0
6:0
0
06
:15
06
:30
06
:45
07
:00
07
:15
07
:30
07
:45
08
:00
08
:15
08
:30
08
:45
09
:00
09
:15
09
:30
09
:45
10
:00
10
:15
10
:30
10
:45
11
:00
11
:15
11
:30
11
:45
12
:00
V (m/s)
V (m/s)
V(m/s)
h:min
Eq. 13
40
7. PROJETO DO SISTEMA DE CONTROLE
No manual do gerador eólico há a seguinte advertência:
CUIDADO: Não utilize uma modulação de largura de impulsos (PWM) ou um
controlador do tipo shunt; o Air Breeze não está concebido para
funcionar com estes tipos de controladores. A maioria dos controladores
concebidos para funcionarem com painéis solares não é adequada para
o Air Breeze. Esses controladores desligam os painéis solares – ou
neste caso o Air Breeze – do banco de baterias, quando as baterias
estiverem carregadas, permitindo que o Air Breeze rode livremente.
(SOUTHWEST, 2011, p. 25)
Além do aviso em destaque, o manual recomenda que o sistema de controle
seja do tipo de derivação, que desvia para uma carga resistiva a saída do gerador
quando este produzir uma energia em excesso.
Sendo assim, o sistema de controle desenvolvido neste Trabalho é do tipo de
derivação, com a sequência demonstrada no fluxograma da Figura 16. Se não
houver vento, o gerador fica conectado à bateria, porém sem produzir carga (gerador
parado), e quando ocorrer vento, o sistema de controle monitorará os parâmetros de
corrente e tensão.
Figura 16: Fluxograma do sistema de controle.
Fonte: ROCKEL, 2013.
41
7.1. Definição dos valores de limitação do sistema
Conforme foi exposto no capítulo 5, não é recomendável submeter a bateria
chumbo ácida a um regime de carga com correntes acima de 10% de sua
capacidade nominal por um período longo, bem como não ultrapassar o nível da
tensão de carga de 14,5 volts, para baterias de chumbo e ácido de 12 volts
nominais. Ainda naquele capítulo, na sequência deste tema, mostrou-se uma
exceção ou flexibilização desses limites, quando houvesse necessidade de cargas
rápidas de bateria, não podendo, porém, nesses casos, a corrente ultrapassar 30%
do valor da capacidade nominal da bateria e a tensão 16 V – com monitoramento da
temperatura interna da bateria (JOHNSON CONTROLS, 2009).
Para o sistema de controle de carga, apresentado neste Trabalho,
considerou-se os seguintes limites máximos:
1- Tensão: 14,5 V;
2- Corrente: 9 A.
O valor máximo estabelecido para a tensão (14,5 V) é o definido pelos
fabricantes de baterias automotivas para regimes de cargas de tensão constante,
sem risco de danificar a bateria (BOSH 2007; JOHNSON CONTROLS, 2009). O regime
de carga do gerador eólico não é constante em tensão, corrente ou potência, porque
depende da velocidade dos ventos, que varia constantemente. Mas, ao estabelecer-
se o nível máximo de tensão para a carga da bateria igual ao previsto para um
regime de carga de tensão constante, têm-se assegurado a ausência de riscos de
danificar a bateria devido ao excesso de tensão, haja vista a pouca margem de
flexibilização permitida, até 16 V em curtos períodos, pouco mais de 1% de 14,5_V.
Já o valor máximo atribuído à corrente de carga (9 .A) é arbitrário.
O principal fator que impõe a necessidade de limitação de corrente no
processo de carga da bateria é o superaquecimento interno. As publicações técnicas
estabelecem como temperatura máxima da solução 50º C (BOSCH, 2007; JOHNSON
CONTROLS 2009). Enquanto não houver aumento de temperatura, a corrente de
carga da bateria pode ser aumentada em 30% da capacidade nominal, de acordo
com a publicação da Johnson Controls – que corresponde a 18 A para baterias de 60
Ah – ou até 25 A, tomando-se como referência o Manual de Baterias Bosch
(BOSCH,_2007,_p._13).
42
Desta forma, tem-se a premissa de que o limite máximo de corrente de carga
estabelecido em 9 ampères está dentro de uma faixa que preserva a integridade da
bateria automotiva de 60 Ah, a ser carregada pelo gerador eólico. Parte-se do
princípio de que os ventos são inconstantes – como se vê nos gráficos das figuras
14 e 15 – e os níveis de corrente e tensão ficam oscilando para mais e para menos,
eventualmente atingindo os picos máximos, quando atuará a proteção do sistema de
controle, seja pela corrente ou tensão máxima.
7.2. Diagramas em blocos
Na figura 17, vê-se o diagrama em blocos simplificado do projeto do sistema
de controle.
Figura 17: Diagrama em blocos simplificado.
...Fonte: ROCKEL, 2013.
O sistema de controle monitora os níveis de corrente e de tensão de carga,
através de sensores que enviam essas informações ao microcontrolador e este
aciona o sistema de controle, desviando a carga do gerador para uma “resistência
de desvio”, mantendo o gerador com carga (para não girar livre) e desconectando a
bateria do gerador, preservando-a.
Na Figura 18, apresenta-se o diagrama em blocos completo do sistema de
controle. Este diagrama foi elaborado a partir de informações fornecidas pelo manual
do gerador e obtidas em testes realizados em bancada.
43
Figura 18: Diagrama em blocos.
...Fonte: ROCKEL, 2013.
O controle conecta o gerador à bateria ou à resistência de desvio,
dependendo dos valores de tensão e corrente fornecidos ao microcontrolador pelos
respectivos sensores. Quando o gerador está conectado à bateria, acende o led
verde e quando em desvio, acende o led vermelho.
No display são mostrados os valores de corrente, tensão e também pode ser
visto o tempo de carga, se pressionar o botão Timer.
A bateria ou o gerador, se este estiver produzindo carga, alimenta a fonte de
5 V para o microcontrolador e display.
O gerador monitora o nível de carga da bateria, para cessar a carga ao atingir
o set point.
A Figura 19 mostra como é ligada a chave seletora do sistema.
Figura 19: Diagrama geral do sistema. ...Fonte: ROCKEL, 2013. ..........
44
O interruptor de três posições, mostrado no diagrama geral (Figura_19), liga o
gerador diretamente ao banco de baterias; à bateria automotiva – através do sistema
de controle, ou curto-circuita o gerador na posição desligado (posições 1, 2 e 3).
7.3. Estudo e desenvolvimento dos diagramas eletrônicos
Neste capítulo são apresentados os circuitos eletrônicos de todas as etapas
do projeto do Sistema de Monitoramento e Controle.
7.3.1. Etapa de potência
A conexão do gerador à bateria é feita através do transistor IRF4905. Ele é
um MOSFET de potência de canal P, com – 52 A de corrente contínua máxima de
dreno, à 100º C de temperatura de operação (TC). A tensão limiar da porta (gate
threshold voltage, Vth) está entre – 2 V e – 4 V. As características principais deste
transistor POWER MOSFET – relacionadas a este projeto – estão mostradas no
Anexo C, no final desta monografia.
Figura 20: Conexão do gerador à bateria. ...Fonte: Desenho próprio.
Quando a tensão do gerador é maior do que a tensão da bateria, ele fica em
condições de carregá-la. Dependerá do comando do microcontrolador (C), através
do transistor Q3, para que haja a condução no sentido GERADOR → BATERIA, pelo
transistor Q1, como se vê na Figura 20. O led verde acende quando o gerador está
conectado à bateria.
O transistor Q3, 2N7002, que comanda a porta do MOSFET de potência Q1, é
um transistor de efeito de campo (FET), de canal N. Optou-se por esse transistor – e
não por um transistor de junção bipolar – devido à baixa queda de tensão entre
45
dreno e fonte, o que resulta em um comando mais definido (sem a queda de tensão
VCE que ocorre nos transistores bipolares).
O diodo D1 é um diodo schottky (MBR1060). Ele impede o fluxo de corrente
no sentido BATERIA → GERADOR, porque o transistor POWER MOSFET não tem
capacidade para bloqueio de tensões inversas. O fato se deve ao diodo intrínseco
antiparalelo existente em sua estrutura (AHMED, 2006). Optou-se por um diodo
schottky por causa de sua baixa queda de tensão direta.
A corrente máxima IF(AV) (Average Rectified Forward Current) do diodo é 10 A
e a tensão reversa máxima é 60 V. Outras características podem ser vistas no seu
datasheet – Anexo D.
7.3.1.1. Simulação do circuito de potência
Na Figura 21, vê-se uma simulação feita no PROTEUS 7.7. O objetivo desta
simulação é verificar as condições do transistor IRF4905, quando submetido aos
valores extremos de corrente (9 A) e tensão (14,5 V) do gerador, aplicados à bateria,
definidos na programação do microcontrolador.
Figura 21: Simulação de carga da bateria através do transistor IRF4905 (POWER MOSFET canal P). ..Fonte: ROCKEL, 2013.
S D
G
46
O transistor Q3 (2N7002) – que aparece no diagrama da Figura 20 – foi
substituído pelo interruptor (SW) na simulação da Figura 21.
Quando um MOSFET de potência é usado como chave e está na condição
ligado, é forçado a operar na região ôhmica. Isso garante que a queda de tensão no
dispositivo seja baixa, de tal modo que a corrente de dreno fique determinada pela
carga. Assim, a perda de potência no dispositivo é pequena (AHMED, 2006).
Figura 22: Gráficos da corrente – ID, em função da tensão – VDS, em cada nível de tensão VGS. ..Fonte: Datasheet do transistor POWER MOSFET P IRF4905, f. 3.
No diagrama da simulação, mostrado na Figura 21, a tensão de queda no
transistor Q1 (POWER MOSFET) é 0,13 V e a corrente 9 A. Se plotar estes valores
no gráfico da Figura 22, em qualquer nível de tensão VGS acima de 5 V, cairá na
região ôhmica do transistor, demonstrado pelas retas diagonais, onde a corrente ID
aumenta (em módulo) de forma diretamente proporcional ao aumento da tensão VDS.
A condição para operação do MOSFET na região ôhmica é dada por:
VDS ≥ VGS + VTH e VDS < 0
(Para MOSFET canal P)
Substituindo pelos dados mostrados na simulação, considerando VTH = (–_2)
temos:
VDS = (– 0,13) ≠ 0
(– 0,13) ≥ (– 14,5) + (– 2) => (– 0,13V) > (– 16,5V)
Eq. 14
47
A potência dissipada pelo transistor Q1 (Eq. 1):
7.3.2. Etapa de desvio
Durante o processo de carga da bateria pelo gerador, quando a tensão ou a
corrente excede o limite estipulado no programa do microcontrolador, este comanda
o transistor Q1 para cortar o fornecimento de carga à bateria (comando feito através
do transistor Q3). Simultaneamente, o microcontrolador aciona o desvio de carga
para o gerador eólico não girar livre. O desvio de carga é proporcionado por outro
MOSFET de potência, IRF2807, canal N, o qual conecta ao gerador uma resistência
de 2,2 × 150W. O led vermelho acende nesse instante.
O transistor IRF2807 opera com 63 A de corrente máxima de dreno, à 100º C
(TC). A tensão limiar da porta (gate threshold voltage, Vth) está entre 2 V e 4 V. As
características principais deste transistor POWER MOSFET – relacionadas a este
projeto – estão mostradas no Anexo E, no final desta monografia.
Na Figura 23, vê-se o diagrama da etapa de desvio de carga do gerador.
Figura 23: Desvio de carga do gerador eólico. ..Fonte: ROCKEL, 2013
Para o transistor MOSFET de potência canal N entrar no modo de condução,
o dreno deve ser positivo em relação à fonte (VD > VS) e uma tensão pequena
positiva (VGS) aplicada na porta. Não havendo tensão na porta, a chave (transistor)
fica desligada; ou seja: é a tensão da porta que controla as condições “ligado” e
“desligado” (AHMED, 2006).
48
Portanto, quando o transistor Q4 estiver conduzindo, não há tensão entre a
porta e a fonte (VGS) de Q2 e ele permanece em corte, dando condição ao gerador
de carregar a bateria. Quando o microcontrolador altera o estado de Q4, deixando-o
em corte (aberto), o resistor R3 aplica uma tensão positiva na porta de Q2 e ele
passa a conduzir, conectando ao Terra (GND) a resistência de desvio R2, a qual
passa a ser a carga do gerador, que foi desconectado da bateria nesse instante.
7.3.3. Monitoramento do nível de carga da bateria para o gerador
O fabricante do gerador eólico informa que ele necessita de uma tensão
mínima da bateria de aproximadamente 10,5 V. Se não houver essa informação ao
gerador (da tensão da bateria), ele funcionará como se estivesse em circuito aberto
(SOUTHWEST, 2011). Diante disso, é necessário inserir no projeto um modo do
gerador monitorar a tensão da bateria.
Figura 24: Monitoramento da tensão da bateria pelo gerador. ...Fonte: ROCKEL, 2013.
Na Figura 24 vê-se o transistor de junção bipolar NPN (BC337) posicionado
no sentido de condução BATERIA → GERADOR. Ele é um transistor de sinal, com
corrente máxima de coletor (IC), 800 mA e 45 V de tensão máxima VCE, conforme
informações de seu datasheet (MOTOROLA, 1996).
O resistor R4, de 1k, polariza a base do transistor. Como a impedância nos
terminais do gerador é muito alta (constatada durante testes em bancada), o valor de
R4 não é crítico, porque não haverá fluxo significativo de corrente pelo transistor Q5
em nenhuma das seguintes condições:
VGen > VBat , VGen < VBat e gerador em desvio.
O diodo D3 coloca em corte o transistor Q5 quando o gerador estiver em
desvio (VB_<_VE).
49
7.3.4. Monitoramento e controle do nível de corrente
O valor da intensidade de corrente é obtido por um sensor que opera por
Efeito Hall, e envia essa informação ao microcontrolador.
7.3.4.1. Sensor Hall
A informação da intensidade de corrente de carga, dada ao microcontrolador,
é fornecida pelo sensor ACS750xCA-50, da Allegro MicroSystems Inc. Trata-se de
um sensor totalmente integrado, baseado no Hall Effect, com isolação de alta tensão
e baixa resistência no condutor de corrente.
A corrente que flui através do condutor de cobre interno do sensor, gera um
campo magnético que o C.I. Hall transforma numa tensão proporcional. Esse
condutor – que tem capacidade de até 50 A – possui resistênca de 130 μΩ. A
precisão do dispositivo é otimizada pela proximidade do sinal magnético do
transdutor Hall. Uma tensão proporcional, exata e estável, é fornecida na saída do
sensor (ALLEGRO, 2009).
Os terminais do condutor de corrente são eletricamente isolados dos
condutores de sinal. Isto permite que a família ACS75x de ICs sensores não
necessitem do uso de opto-isoladores ou outras técnicas de isolamento
dispendiosas (ALLEGRO, 2009).
A Figura 25, abaixo, mostra o sensor de corrente utilizado neste Trabalho.
Figura 25: Sensor de corrente por efeito hall, ACS750xCA-50 . ...Fonte: Rockel 2013.
Na foto está bem visível o condutor de passagem da corrente, que atravessa
o interior do chip. Vê-se também os três terminais menores, de alimentação e saída
de sinal. Nas próximas figuras, 26 e 27, são mostrados, respectivamente, o
50
diagrama em blocos das etapas do circuito interno e o diagrama esquemático dos
pinos do componente.
Figura 26: Diagrama em blocos do Sensor Hall . ...Fonte: Datasheet do componente (ALLEGRO, 2009).
Figura 27: Diagrama de uma aplicação típica do Sensor Hall . ...Fonte: Datasheet do componente (ALLEGRO, 2009).
7.3.4.2. O Efeito Hall
O efeito Hall é a produção de diferença de potencial através de um condutor
elétrico. Essa tensão é transversal à corrente no condutor e é perpendicular ao
campo magnético. Dentro de um mesmo material, por exemplo um fio metálico que
esteja conduzindo corrente e sendo afetado por um campo magnético, surge uma
51
diferença de tensão entre dois locais, pertencentes a um plano perpendicular à
corrente e ao campo magnético incidente ao fio, dessa mesma barra. O Efeito Hall
foi descoberto por Edwin H. Hall no final do século XIX (RESENDE NETO, 2010).
Figura 28: Aplicação de campo elétrico em uma barra de metal. ...Fonte: Resende Neto, 2010.
A diferença de potencial entre os dois pontos V = VH e V = 0V como mostrado
na Figura 28, é chamada de tensão de Hall. A magnitude da força magnética
implicada na Barra é qvdB. Essa força magnética é equilibrada pela força
eletrostática da magnitude qEH, onde EH é o campo elétrico à separação das cargas
elétricas. Então temos que EH = vdB. Se a largura da barra é w, a diferença de
potencial é EHw. Com isso, a tensão Hall é (TIPLER, 2009):
VH = EH w → VH = vd Bw
Onde VH é a tensão Hall, w é a largura da barra, vd é a velocidade de deriva
dos elétrons, e B é o campo magnético incidente perpendicularmente à barra. Como
esta velocidade de deriva para correntes comuns é muito reduzida, podemos, por
meio da tensão Hall, extrair a quantidade de portadores de carga por unidade de
volume. Essa magnitude pode ser dada como (TIPLER, 2009):
|I| = |q| n vd A
Onde A é a área da seção transversal da barra, e n é a densidade de
portadores de carga. Para uma barra de largura w e espessura d, resultaria em
A_=_w_d.
Eq. 15
Eq. 16
52
Eq. 17
Eq. 18
Eq. 19
Como a maioria dos portadores de cargas são elétrons, a quantidade |q|, é a
carga de um elétron e. Então, a densidade de número de portadoras de carga n é
dada por (TIPLER, 2009):
Substituindo as equações 14 e 16, temos que:
Onde I é a corrente, B é o campo magnético, d é a largura da fita, e é a carga
do elétron, VH é a tensão Hall.
Com isso, a tensão Hall nos fornece um método conveniente para a medida
de campos magnéticos. Se rearranjarmos a equação anterior, podemos escrever a
tensão Hall como:
Onde, VH é a tensão Hall, I a corrente que passa na barra, n a densidade de
portadoras de carga, d a altura, e a carga elementar do elétron, e B o campo
magnético.
7.3.4.3. Diagrama eletrônico do sensor de corrente
Figura 29: Diagrama do sensor de corrente (Sensor Hall). ...Fonte: ROCKEL, 2013.
A Figura 29 apresenta a ligação do gerador à bateria, com o sensor de
corrente inserido entre o transistor Q1 e o diodo D1. Vê-se que a corrente de carga
passa pelo condutor principal do sensor de corrente e, através do efeito Hall, uma
53
Eq. 20
tensão proporcional ao valor da corrente é produzida no pino 3 do sensor e enviada
ao microcontrolador (como também é mostrado nas figuras 26 e 27).
O sensor é alimentado por 5 V (VDD) e a sua saída varia entre + 2 V e - 2 V,
corespondentes a + 50 A e - 50 A. Portanto, há uma relação de 40 mV/A. O valor de
referência 0 A (zero amper) é igual a 2,5 V da tensão da fonte de 5 V.
O processamento desses sinais no microcontrolador é apresentado na
seção_7.4.
7.3.5. Monitoramento e controle do nível de tensão
A informação da tensão da bateria, dada ao microcontrolador, é feita por um
divisor de tensão, conforme mostra a Figura 30.
Figura 30: Diagrama do sensor de tensão. ...Fonte: ROCKEL 2013.
Uma tensão proporcional à tensão da bateria é enviada ao microcontrolador.
O resistor variável (Aj1) serve para aferir essa tensão, de acordo com a indicação no
display LCD do sistema de controle e um voltímetro padrão de referência.
Para facilitar o ajuste – para que ele seja suave – todo o percurso do resistor
variável compreende apenas aproximadamente 2,5% da resistência total do divisor
de tensão, como se vê na equação 20, abaixo.
54
Eq. 21
Há a necessidade de incluir um divisor de tensão – ao invés de se obter uma
leitura direta da tensão da bateria – porque o microcontrolador é alimentado com
apenas 5 V. Uma variação de zero a 20 V na tensão do gerador corresponderá a uma
variação de zero a 5 V na leitura feita pelo microcontrolador, conforme está mostrada
na equação 21:
O processamento desses sinais no microcontrolador é apresentado na
seção_7.4.
7.3.6. Diagrama do microcontrolador
A Figura 31 apresenta as ligações feitas no microcontrolador PSoC
CY8C29466-24PXI, da Cypress.
Figura 31: Diagrama do microcontrolador PSoC CY8C29466-24PXI. ...Fonte: ROCKEL, 2013.
No diagrama mostrado acima se vê as conexões elétricas feitas no
microcontrolador dos sensores de corrente e tensão, controle dos transistores de
55
potência Q1, Q2, timer, display LCD, interruptor de iluminação e trimpot de ajuste do
contraste dos caracteres do display, além da alimentação ( 5 V ).
O microcontrolador comanda o os transistores Q1 e Q2 em função dos níveis
de sinais recebidos de corrente e tensão de carga, produzidos pelo gerador. Ele
mostra no visor LCD a intensidade de corrente de carga e a tensão na bateria.
Quando pressiona-se o botão TIMER, aparece no visor LCD a indicação de tempo
de carga a que a bateria foi submetida desde o início, quando foi conectada ao
gerador. O resistor variável Aj2 ajusta o contraste dos caracteres mostrados no visor
LCD e a chave Sw1 liga ou desliga a luz do visor.
7.3.7. Fonte de alimentação
Para o microcontrolador, sensor de corrente (sensor HALL) e o display LCD
são necessários 5 V de tensão de alimentação. Esta tensão é fornecida por um
regulador de tensão 7805, conforme se vê no diagrama da Figura 32.
Figura 32: Diagrama da fonte de alimentação de 5 V (VDD). ... Fonte: ROCKEL, 2013.
A entrada do regulador de tensão é ligada ao terminal positivo da bateria e,
portanto, recebe energia proveniente do gerador, quando este estiver produzindo
tensão maior do que a da bateria, ou da bateria, quando o gerador estiver fora.
A finalidade de manter o microcontrolador alimentado, mesmo quando o
gerador não estiver produzindo (quando não há ventos), é para não apagar os dados
referentes à contagem de tempo de carga armazenados na memória RAM do
microcontrolador.
A corrente do microcontrolador é 30 mA, do sensor HALL 10 mA e do display
LCD 0,3 mA, considerando esses componentes operando com corrente máxima e a
56
luz do display desligada, conforme informações nos seus respectivos datasheets
(HITACHI, 1998; CYPRESS, 2004; ALLEGRO, 2009).
7.3.8. Proteção de sobrecarga
Na proteção contra sobrecarga da bateria, em caso de falha do sistema de
controle, utiliza-se um dispositivo limitador de corrente de estado sólido, com
coeficiente positivo de temperatura (PTC), comercialmente denominado de
POLYSWITCH ®.
A Figura 33 mostra o dispositivo de proteção instalado na entrada positiva do
Sistema de Controle – na linha condutora que vem do gerador e atravessa o sistema
de controle, levando carga à bateria.
O valor escolhido para o PTC é o mesmo definido no programa do sistema de
controle: 9 A. Se eventualmente o controle de corrente máxima não atuar, o polyfuse
cortará o fornecimento de corrente de carga do gerador à bateria.
Figura 33: Proteção de sobrecarga da bateria, inserida no sistema de controle do gerador.
Fonte: ROCKEL, 2013.
A escolha desse dispositivo de proteção de sobrecorrente se deve às
diferenças importantes, quando comparado com fusíveis e disjuntores. O dispositivo
PTC interrompe a passagem de corrente ao circuito quando há uma sobrecarga, no
entanto, ele não precisa ser substituído, como um fusível, e nem rearmado, como
um disjuntor, porque o PTC reinicia automaticamente a condução de corrente
quando cessa a sobrecarga no circuito.
Quando um disjuntor PTC está acionado, ele deixa passar uma quantidade
pequena, inofensiva, de corrente através dele, mantendo porém os dispositivos
desligados. A pequena corrente passante não representa qualquer risco de incêndio
ou danos à fiação ou componentes do circuito, mas serve para manter o dispositivo
de rearme. Depois que a causa da sobrecorrente é eliminada, demora cerca de dez
a quinze segundos para o PTC esfriar, redefinir-se e estar pronto para uso
57
novamente. O PTC pode ser desarmado milhares de vezes sem nenhum perigo
(CONTROL VISION, 1997).
A Figura 34, mostra um dispositivo de proteção PTC e na Figura 35 pode-se
ver uma série desses dispositivos instalados na placa de um painel de interruptores
de sistemas elétricos de aeronave.
Figura 34: Dispositivo de proteção contra sobrecorrente – PTC (Positive Temperature Coefficient).
Fonte: <www.farnell.com.br>
.
Figura 35: Barra de alimentação elétrica, utilizada em aviões, com proteção dos circuitos feitas por
polyfuses (PTC).
Fonte: ROCKEL, 2013.
58
7.3.9. Chave geral
Inseriu-se no equipamento construído neste Trabalho uma chave geral, para
possibilitar, através deste equipamento, comandar todas as opções oferecidas pelo
sistema do gerador eólico, que são as seguintes:
1- Gerador desligado;
2- Gerador conectado a uma bateria automotiva;
3- Gerador conectado a um banco de baterias.
Figura 36: Diagrama de comando do gerador eólico, através da chave seletora (S1).
Fonte: ROCKEL, 2013.
O interruptor (S1) tem três posições, mas apenas duas vias – ele fica
desligado na posição central. Por isso foi necessário incluir relés para conectá-lo ao
Sistema de Controle, quando posicionado no centro – como se vê na Figura 36 .
O interruptor tem capacidade para 20 ampères, como recomenda o manual
do gerador (SOUTHWEST, 2011), mas os relés escolhidos para comporem este
sistema têm capacidade para apenas 10 A, por isso são dois relés em paralelo.
Com a chave S1 na posição central, os relés K1 e K2 ficam desligados e
conectam o Sistema de Controle ao gerador, através dos seus respectivos contados
normalmente fechados.
Nas outras posições da chave – para cima ou para baixo, como se vê na
Figura 43 – a chave geral conecta o gerador ao banco de baterias, pelos contatos
NA dos relés, que ficam energizados pelo gerador, ou, na posição “Desligado”, curto-
circuita os dois terminais de saída do gerador diretamente pela chave seletora.
O diodo D3 protege os circuitos dos transientes que ocorrem quando as
bobinas dos relés são desligadas.
59
7.4. O microcontrolador PSoC CY8C29466-24PXI
O controle dos níveis de corrente e tensão de carga da bateria é efetuado
pelo microcontrolador PSoC CY8C29466-24PXI, da Cypress Semiconductor
Corporation. Neste subcapítulo apresenta-se o processamento desses sinais,
captados da linha de carga pelos respectivos sensores de corrente e tensão, e
também da contagem do tempo em que ocorre o fluxo de corrente do gerador para a
bateria, cessando a contagem (e mantendo armazenado o valor contado) nos
momentos em que o gerador fica parado (sem vento).
7.4.1. Descrição do microcontrolador
O microcontrolador PSoC incorpora a tecnologia SoC – System on Chip. O
PSoC – Programmable System on Chip – é a evolução natural dessa nova
tecnologia e um precursor das novas tendências que surgirão futuramente
(NICOLSON; SANTOS, 2006).
Trata-se de um microcontrolador constituído por um conjunto de subsistemas
em um mesmo chip que pode ser configurado para formar um sistema complexo.
Não há nele apenas estruturas que comportam a tecnologia digital; foram agregados
módulos analógicos que, juntos com os digitais, possibilitam uma infinidade de
configurações.
Um PSoC contém amplificadores de áudio e instrumentais, filtros ativos,
comparadores, Uarts, timers, contadores, PWMs, conversores A/D, conversores D/A,
interfaces I2C, SPI, etc.
Dentre as diversas características inovadoras, uma das que também surgiu
como um fator importante para a escolha deste microcontrolador para a realização
deste Trabalho, é o ambiente de desenvolvimento chamado IDE-PSoC Designer. Ele
é fácil de ser manuseado e possui muitos recursos programáveis de roteamento de
sinais analógicos e digitais através dos barramentos de dados. Há também uma
biblioteca de módulos, denominada User Module, para facilitar a configuração do
dispositivo. Os módulos dessa biblioteca estão pré-programados para desempenhar
suas funções específicas. Com todos esses recursos disponíveis, a arquitetura de
um projeto é feita no PSoC apenas interligando-se blocos, restando à programação
o que se restringe exclusivamente ao processamento dos sinais.
60
Eq. 22
7.4.2. Configurações do microcontrolador
As cofigurações globais, para a execução dos projetos do amperímetro,
voltímetro, timer e dos comandos do sistema de controle de carga, constituem
basicamente das definições das portas, frequência de clock, tensão de alimentação,
tempo de amostragem para os conversores A/D e alocações dos blocos a serem
utilizados no IDE-PSoC Designer – software onde também se faz as configurações.
A Figura 37 mostra como é o layout da ferramenta de desenvolvimento de
projetos IDE-PSoC Designer.
Figura 37: Ambiente de desenvolvimento IDE-PSoC Designer.
Fonte: CYPRESS, 2004.
Optou-se para este projeto um clock interno, de 24MHz; tensão de alimentação
de 5 V; a definição das portas está de acordo com o diagrama mostrado na Figura 31
e o tempo de amostragem escolhido é de 100 ms.
Os 100 ms de tempo de amostragem é obtido a partir do clock principal do
microcontrolador, em divisões feitas no módulo conversor A/D. Nicolson e Santos
(2006, p. 315), apresentam a seguinte fórmula para o cálculo da frequência a ser
inserida no conversor, para obter-se o tempo de amostragem desejado:
Para obter o tempo de amostragem de 1 ms, inseriu-se na fórmula esse tempo
(10-3 s) e, considerando que a resolução do conversor 14 bits, (2(14-2)
= 4.096), obtém-
se uma frequência de clock para o conversor A/D de 655 KHz.
61
7.4.3. Amperímetro
O sensor de corrente ACS750xCA-50 varia a tensão de saída em ±2 V para
uma variação de ± 50_A de corrente, que pode passar pelo seu condutor principal.
Como o sensor recebe uma tensão de alimentação contínua de 5 volts, os 4 volts
pico-a-pico (de -2 a +2V) de saída do sensor ficam dentro dessa amplitude de 5 V,
com a VRef = 0 em 2,5 V da tensão de alimentação, como mostram os gráficos da
Figura 38.
Figura 38: Variação da tensão de saída do sensor de corrente, em função da corrente que passa pelo seu condutor principal.
Fonte: ROCKEL, 2013.
Este sinal analógico (em vermelho na Figura 38), que pode variar de zero a
±_2_V (considerando VRef = 0 no ponto de 2,5 V da tensão de alimentação do sensor),
dependendo do sentido e da intensidade de corrente que flui pelo condutor principal
do sensor Hall, precisa ser convertido em sinal digital para ser processado no
microcontrolador PSoC.
Ele entra pelo pino 4 do microcontrolador, que corresponde ao Port 01, como
se pode ver no diagrama mostrado na Figura 31.
A porta zero possui 8 bits (8 pinos) de entradas que podem ser configurados
tanto para sinais digitais ou analógicos. Os PSoC’s de 28 pinos possuem doze pinos
62
Eq. 23
que podem ser configurados como entrada analógica e possuem quatro pinos que
podem ser configurados como saída analógica, como mostra a Figura 39.
(CYPRESS, 2004).
Figura 39: Identificação dos terminais de um microcontrolador PSoC de 28 pinos .
Fonte: Datasheet do componente (CYPRESS, 2004).
Uma vez em que o sistema de controle esteja funcionando e o gerador eólico
produzindo corrente de carga para a bateria, haverá uma tensão no pino do Port 01
do microcontrolador, proporcional à corrente de carga.
Se I = 0 => VRef = 0;
Se I = 50 A => VRef = 2 V.
Os valores da tensão de referência mostrados acima são os que aparecem no
gráfico de cor verde na figura 38, portanto, eles partem de 2,5 V da tensão de
alimentação (VDD). Então, com os dois volts de acréscimos que ocorre quando há
um fluxo de corrente de + 50 A, a tensão que realmente é aplicada ao terminal do
Port 01 do microcontrolador é 2_+_2,5_=_4,5 V.
Com isso, a razão da tensão de referência em relação à corrente de carga é:
Por exemplo:
Se a corrente de carga for 9 A,
=>
63
Eq. 24
Eq. 25
Eq. 26
Nos dispositivos PSoC há resoluções de 6 a 14 bits para os conversores A/D
(NICOLSON; SANTOS, 2006). Considerando então uma resolução de 14 bits, têm-se a
seguinte quantidade de bits:
2n = x bits
214 = 16.384 bits
A tensão que pode ser aplicada às entradas das portas do microcontrolador é
5 V (CYPRESS, 2004). Portanto, a capacidade de armazenamento de tensão em cada
um dos bits, considerando a resolução de 14 bits, é:
305 × 10-6
V ou 305 V
Cada bit armazena o equivalente a 305 × 10-6 V. Este processo é feito
automaticamente pelo microcontrolador, quando há uma entrada de sinal analógico.
Quando a leitura da corrente de carga feita pelo sensor HALL for 9 A, a tensão
que chega ao Port 01 é 2,86 V (Eq. 23).
Esta tensão é distribuída entre os bits do conversor A/D, mas não ocupará
todos os espaços disponíveis nele, porque cada bit armazenará o equivalente a
305×10-6 V, e o resultado desta distribuição é mostrado na equação abaixo.
= 9.377,05
Os 9 A foram representados por uma tensão de 2,86 V na saída do sensor
HALL e depois da conversão para digital, no microcontrolador, passou a ser apenas
um número (9.377,05). Todo esse processo, até aqui, é feito de forma automática
pelo microcontrolador, durante a entrada de um sinal analógico por uma de suas
portas (FOROUZAN, 2008).
A programação para o amperímetro consiste em descobrir qual é a corrente
correspondente ao valor dessa variável (o número correspondente à tensão VRef);
variável esta que, a partir de agora, será chamada de ADC1.
Sabe-se, no exemplo dado, que a tensão de 2,86 V corresponde a 9 A, porque
partiu-se do valor da corrente para se chegar à tensão. Mas, não é este o caso
durante o funcionamento do sistema de controle no processo de carga da bateria. É
preciso saber qual é o valor de qualquer corrente que flui do gerador para a bateria e
passa através do sensor.
64
Eq. 27
Eq. 28
Para isso, é necessário realizar a seguinte operação matemática:
Onde,
I = Corrente de carga;
VRef = Tensão de referência fornecida pelo sensor de corrente.
2,5 = Metade do valor da tensão VDD, que alimenta o sensor de corrente.
Esta equação (Eq. 27) é apenas um desdobramento da equação utilizada
anteriormente (Eq._23) para se descobrir o valor da tensão correspondente a 9 A, na
saída do sensor.
Como foi dito anteriormente, em situação normal de funcionamento do
amperímetro não se conhece o valor da corrente, nem o valor da tensão de
referência que o sensor HALL aplica ao Port 01. É, portanto, do número armazenado
na variável ADC1 que se precisa deduzir o valor da corrente de carga.
VRef = × 305 × 10-6
Onde,
VRef = Tensão de referência fornecida pelo sensor de corrente, proporcional
à corrente de carga.
ADC1 = Valor fornecido pelo conversor A/D.
Aplicando a equação 28, considerando a variável ADC1 obtida na Eq. 26,
obtém-se:
VRef = 9.377,05 × 3,05 × 10-4 => VRef = 2,86 V
Finalmente, com a equação 27 obtém-se o valor da corrente:
De posse do valor da corrente, o passo seguinte é mostrá-lo no display LCD.
Converte-se a variável float, que contém a informação de corrente, em variável
string, e a comunicação com o display LCD é definida através do módulo Display
LCD do PSoC Designer.
65
7.4.4. Voltímetro
A informação do valor da tensão da bateria (ou da tensão aplicada sobre a
bateria, se ela estiver em carga) é enviada ao microcontrolador PSoC através de um
divisor de tensão, como foi apresentado na seção 7.2.5.
A relação entre o valor da tensão de referência (VRef) do sensor e da tensão
da bateria (Vbat) é apresentada na Eq. 21:
Considerando que a faixa de indicação de tensão do voltímetro é de zero a
20_V, aplicando-se esses valores máximo e mínimo na Eq. 21 obtêm-se uma
variação do sinal de referência de tensão entre zero e 5 V.
O sinal VRef de tensão chega ao microcontrolador através do Port 04,
mostrado na Figura 31. O sinal analógico proveniente do sensor de tensão é
convertido em digital num processo semelhante ao descrito na conversão do sinal de
corrente do amperímetro, com a diferença de que a leitura é direta, tensão → tensão,
sem a necessidade de artifícios matemáticos para adequar grandezas diferentes
como foi a de corrente e tensão.
O sinal digital obtido na conversão A/D é armazenado em uma variável que foi
chamada de ADC2.
Restaura-se o valor da tensão, multiplicando por 4 (processo inverso da
Eq._21) e mostra o valor da tensão no display, através do módulo Display LCD do
PSoC Designer.
7.4.5. Contagem do tempo de carga
Havendo fluxo de corrente entre o gerador e a bateria, há contagem desse
tempo de carga, o qual é mantido em momentos que o gerador para de carregar a
bateria, por falta de vento, restabelecendo a contagem de onde parou pela última
vez, ao reiniciar o fluxo de corrente de carga.
O disparo do Timer é feito pelo sensor de corrente. O início da contagem
ocorre em 0,5 A – condição para ligar o Timer e o contador – considerando-se que
correntes inferiores a essa intensidade sejam apenas de manutenção da carga da
bateria, compensando as perdas que ela tem (MOURA, 1996).
66
É a partir do clock de 24 MHz do microcontrolador que se faz a contagem de
tempo. A ferramenta de desenvolvimento de software, IDE-PSoC Designer,
disponibiliza diversos caminhos possíveis para dividir a frequência e trabalhar o
timer, juntamente com o contador, para se chegar ao tempo de 1 segundo.
A seguir, vê-se o processo de divisão de frequência escolhida:
1- fclock = 24 MHz (clock interno);
2- VC1 =
= 1,5 MHz;
3- VC2 =
= 93.750 KHz → ligado ao clock do contador;
4- O contador ativa a contagem somente no pulso de subida, então divide a
frequência por dois:
= 46.875 KHz;
5- Há um parâmetro no contador, chamado Period, que divide a frequência
inserida nele. O quociente desta divisão pode ser desde zero a (2n-1).
Como o contador é de 8 bits, n=8, divide-se a frequência por 27:
= 366 kHz
Sempre que o contador termina a contagem, gera um pulso na saída
(NICOLSON; SANTOS, 2006). Faz-se, então, uma interligação entre os
blocos do contador e do Timer, conectando ao Timer a saída do contador.
6- O módulo de Timers disponibiliza configurações de 8, 16, 24 ou 32 bits
(CYPRESS, 2004). Devido a frequência resultante na saída do contador
(>256 MHz), opta-se por um Timer de 16 bits.
7- O Timer é carregado com 366 bits – igual ao valor da frequência recebida
do contador. Ele decrementa a contagem até zerar, fazendo assim a
divisão final:
= 1s
Ao final de cada contagem do Timer (quando ele zera) incrementa 1 na
variável inteira segundo, a qual a cada contagem de 60, incrementa 1 na variável
minuto, que, por sua vez, a cada contagem de 60 incrementa 1 na variável hora.
Por fim, transforma-se de variáveis inteiras para string e mostra-se a
contagem de tempo no display LCD, através do módulo Display LCD do PSoC,
quando se pressionar o botão TIMER (Fig. 31).
67
7.4.6. Controle de potência
O programa do microcontrolador verifica constantemente as variáveis que
armazenam os valores de tensão e corrente. Quando uma delas (ou ambas
simultaneamente) atingem valores maiores dos que os estabelecidos como máximos
(14,5 V e 9 A), muda o estado das saídas que comandam o desvio de carga do
gerador. Essas saídas estão no Port 12, para sobrecorrente, e no Port 13, para
sobretensão.
A Figura 40 mostra o diagrama eletrônico do sistema de controle.
Figura 40: Diagrama do sistema de controle de carga.
Fonte: ROCKEL, 2013.
Como foi visto no subcapítulo 6.4, os transistores Q3 e Q4 (2N7002), são
transistores de efeito de campo (FET), canal N.
A condição para o transistor FET N conduzir é VDS ≤ VGS - VTH, com VDS > 0
(AHMED, 2006). Portanto, é necessário que o transistor Q6 esteja em corte para que
os transistores FETs Q3 e Q4 conduzam, pois, nessa condição (com Q6 em corte), o
resistor R13 aplica a tensão VDD nas portas de Q2 e Q4, tornando VDS ≤ VGS.
O transistor Q6 é um transistor de sinal, bipolar, NPN (MMBT3904). Ele
precisa de uma tensão na base maior do que a tensão da junção VBE (próxima de
0,7 V), para conduzir. Portanto, com as saídas do microcontrolador (Port 12 e Port
13) em nível baixo, Q6 está em corte, Q3 e Q4 estão ligados e os transistores
POWER MOSFETs encontram-se nas seguintes condições:
68
Eq. 29
Q1 (canal P): VDS > VGS => Ligado.
Q2 (canal N): VDS > VGS => Desligado.
Havendo tensão em qualquer saída do microcontrolador (Port 12 e/ou Port_13),
Q6 sai do estado de corte e liga o resistor R13 ao GND, eliminando o nível alto da
tensão VDD nas portas dos transistores Q3 e Q4.
Com VDS > VGS em Q3 e Q4, esses transistores entram em corte.
Nesta condição, os transistores POWER MOSFETs ficam:
Q1 (canal P): VDS < VGS => Desligado.
Q2 (canal N): VDS < VGS => Ligado.
O capacitor C7 foi inserido no circuito para facilitar os testes em bancada. No
diagrama final ele é um capacitor cerâmico de 0,1 F, com a finalidade de filtrar
eventuais transientes. Para os testes em bancada foi utilizado um capacitor
eletrolítico de 4,7 F, para aumentar o tempo de permanência do gerador em desvio,
para facilitar a observação do gerador neste modo.
A obtenção do tempo aproximado desta temporização é demonstrada a
seguir, segundo Rashid (1999, p. 47).
Considerando VC = 0 e V0 = 4,3 V → (5 V – 0,7 V da junção BE do transistor),
Obtêm-se o valor de t:
Dessa forma, quando o gerador eólico aplica na bateria uma tensão ou
corrente acima do nível máximo estabelecido no programa do microcontrolador, o
sistema de controle o coloca em desvio; o led vermelho indica esta condição e o
gerador permanece assim por aproximadamente 2 segundos, conectando-se à
bateria novamente após o término da temporização. Se o vento estiver ainda muito
forte, resultando no gerador um potencial elétrico acima da suportável pela bateria
(que exceda os parâmetros da programação do sistema de controle), o gerador entra
em desvio novamente e esse ciclo se repete sucessivamente.
69
8. MONTAGEM DO SISTEMA DE CONTROLE
Este capítulo aborda a respeito da confecção e montagem da placa de circuito
impresso (PCI) do Sistema de Monitoramento e Controle de Gerador Eólico; as
características dos materiais, componentes e as técnicas utilizadas no processo de
confecção tanto da PCI, como do circuito impresso finalizado.
8.1. Placa de circuito impresso
Os primeiros equipamentos eletrônicos eram a válvulas, montadas em um
chassi metálico. As interligações eram feitas com fios, na parte debaixo da chapa
metálica. Com o passar do tempo, novas técnicas foram surgindo, como as barras
de terminais, depois as placas de circuito impresso, que têm hoje seu emprego
generalizado – ela está presente em todos os equipamentos eletrônicos atuais.
Para a confecção das primeiras placas de circuito impresso, utilizou-se um
material com o nome de “fenolite”. Esta palavra era uma marca comercial de um
fabricante de chapas isolantes, muito usada pelos fabricantes de máquinas elétricas
e transformadores. As chapas de fenolite constituem-se de uma mistura de uma
resina fenólica, com certa quantidade de papel picado, ou serragem de madeira
(comumente denominada de carga), apresentando cor amarronzada, algumas mais
claras e outras mais escuras, dependendo do tipo de carga utilizada. A mistura é
aquecida e depois moldada e prensada em forma de chapas, com diversas
espessuras. As placas de fenolite apresentam um problema para a confecção de
circuito impresso, porque o uso da carga à base de celulose a torna higroscópica, ou
seja, em um ambiente úmido as placas de fenolite absorvem certa quantidade de
água, o que, além de prejudicar as suas características isolantes, frequentemente
faz com que as placas empenem (MEHL,_2011).
Para contornar o problema apresentado pelas placas de fenolite, como
alternativa de melhor qualidade foram desenvolvidas na década de 1960 as placas
de fibra de vidro (FV). Elas são, na verdade, construídas com resina epóxi e essa
resina fica impregnada em algumas finas camadas de manta de tecido de fibras de
vidro. As características da resina epóxi faz com que as placas de FV sejam
totalmente inertes à água, mas, por outro lado, constituem-se em placas
extremamente difícil de serem cortadas e furadas. Elas são também muito mais
70
caras do que as placas de fenolite. Apesar disso, devido à sua excelente capacidade
isolante e estabilidade dimensional, a grande maioria das placas de circuito impresso
de equipamentos eletrônicos são fabricadas com placas de FV, ficando a fenolite
geralmente restrita a projetos de pouca qualidade ou quando se utiliza uma técnica
mais artesanal na fabricação (MEHL,_2011).
Neste trabalho, a placa PCI é de fenolite, em razão das dificuldades de
utilização de placa de fibra de vidro em construção artesanal supracitadas.
Na Figura 41, abaixo, vê-se o layout da PCI, feita em software Altium
Designer Winter 09, a partir do diagrama esquemático que foi apresentado no
capítulo 7.
Figura 41: Layout da PCI (Placa de Circuito Impresso).
Fonte: ROCKEL, 2013.
Como a corrente elétrica pode chegar a uma intensidade de até 9 A,
definiu-se uma largura adequada para as trilhas por onde essa corrente passa no
circuito. Na montagem, preencheu-se as trilhas com solda de estanho, embora a
largura definida no desenho já garantia uma área mínima de secção transversal
igual a 0,75 mm², necessária para essa intensidade de corrente (AREA, sd). Procurou-
se organizar os componentes de modo a se encontrar espaços para todas as trilhas,
mas, como a placa é cobreada em apenas um dos lados (monoface), houve a
71
necessidade de alguns jumpers, indicados no desenho por linhas finas de cor
branca.
As referências de componentes que aparecem na parte de trás da placa
(Figura 41) são de componentes com encapsulamento SMD (surface mount
devices), enquanto os outros componentes, com encapsulamentos de tecnologia
PTH (Pin Through Hole) ficam posicionados na parte superior da placa (top layer) e
podem ser vistos na Figura 42, que mostra a placa pronta, já montada.
Figura 42: Placa de circuito impresso montada.
Fonte: ROCKEL, 2013.
Na imagem da placa acima se pode ver os dois transistores de potência
(MOSFETS de canal P e canal N); o diodo schottky, de 10 A, preso lateralmente no
mesmo dissipador de calor; os trimpots de ajuste de indicação do voltímetro e do
contraste do display (em cor azul); o sensor HALL, que está um pouco encoberto na
imagem pelo polyfuse de proteção do circuito, além de outros componentes, como a
resistência de desvio, que fica fora da placa, e a visão da placa traseira do display
LCD, mais distante no alto da imagem.
72
Na Figura 43, há a imagem do Sistema de Monitoramento e Controle pronto,
posto na caixa, aguardando os testes iniciais de funcionamento, que são
apresentados no próximo capítulo.
Figura 43: Monitoramento e Controle de Gerador Eólico.
Fonte: ROCKEL, 2013.
73
9. TESTES DO EQUIPAMENTO
Primeiramente são demonstrados testes em bancada, com o equipamento
instalado entre o gerador e a bateria. O giro do gerador é feito com uma furadeira
elétrica, com controle de velocidade, acoplada ao eixo do gerador, como foi
mostrado na Figura 7. Em seguida, há a apresentação dos testes feitos com o
gerador eólico instalado no seu local definitivo, sobre o teto do hangar no aeroporto.
9.1. Testes em bancada
São testes com a bateria fraca, carregada, verificação da possibilidade de
ajuste do Set Point e outros testes descritos nos subcapítulos seguintes.
9.1.1. Com a bateria fraca
Condições iniciais:
1- Tensão da bateria: 10,3 V;
2- Densidade da solução: aproximadamente 1,15 g/cm³.
Foi feito um giro de 2 minutos. Observou-se um aumento rápido da corrente
de carga, que atingiu facilmente (sem se sentir grande esforço do gerador) o nível
máximo de 9 A, enquanto a tensão subiu mais lentamente. A luz vermelha acendeu
9 vezes durante o giro, indicando desvio de carga, devido ao excesso de corrente
sobre a bateria, enquanto a tensão do gerador não ultrapassou 13,7 V.
Este experimento foi filmado e se anotou posteriormente em uma planilha os
dados de corrente e tensão, tomados a cada 5 segundos. A Tabela 3, na página
seguinte, mostra os dados obtidos, expostos também em um gráfico – gerado no
programa M. Excel – que pode ser visto na Figura 44.
Figura 44: Gráfico dos valores de tensão e corrente, em teste de carga com a bateria descarregada.
Fonte: ROCKEL, 2013.
74
Tabela 3
Teste do Sistema de Monitoramento e Controle de Carga, com a bateria descarregada.
t(s) I(A)
V(V) LED
5
0
10,3
10
0,2
10,3
15
0,2
10,3
20
0,2
10,4
25
0,2
10,4
30
1,15
10,8
35
1,75
11,6
40
5,66
12,3
45
7,55
12,7
50
13,5
13,4
55
4,51
12,4
60
6,53
12,7
65
12,8
13
70
7,52
12,9
75
10
12,9
80
12
13
85
8
13
90
7,8
13
95
11
13,4
100
6,4
12,8
105
14
13,7
110
14,8
13,7
115
6
12,8
120
1,53
12,3
Fonte: ROCKEL, 2013.
Durante o giro ocorreram 9 desvios, acendendo o led vermelho. Não
aparecem todos esses desvios na tabela, porque alguns ocorreram fora dos tempos
de amostragem.
Nota-se aumentos súbitos de corrente, cujos picos ultrapassam 9 A, antes de
que o gerador seja efetivamente desviado.
75
9.1.2. Com a bateria carregada
Condições iniciais:
1- Tensão da bateria: 13 V;
2- Densidade da solução: aproximadamente 1,25 g/cm³.
Foi feito um giro de 1,25 minutos (75 segundos). Observou-se um aumento
rápido da tensão de carga, à medida que se aumentava a rotação do gerador. A
tensão atingiu facilmente o nível máximo de 14,5 V, enquanto a corrente manteve-se
em níveis baixos. A luz vermelha acendeu 9 vezes durante o giro, indicando desvio
devido ao excesso de tensão sobre a bateria, mas nem todos os desvios foram
registrados na Tabela 4, porque alguns deles ocorreram fora dos tempos de
amostragem. O pico máximo de corrente registrado foi de 2,14 A.
Vê-se os dados na Tabela 4, na página seguinte, e no gráfico mostrado na
Figura 45.
Figura 45: Gráfico dos valores de tensão e corrente, em teste de carga com a bateria carregada.
Fonte: ROCKEL, 2013.
Nos instantes de desvio a queda de tensão era instantânea. Visualmente não
se percebeu tensão maior do que 14,5 V.
A taxa de amostragem adotada não foi suficiente para captar todos os picos
de corrente e tensão, mas mostra de maneira satisfatória o resultado dos testes,
onde se percebe a necessidade do sistema de controle e as diferenças – bem
nítidas nos gráficos – entre o aumento do nível de corrente (com a bateria fraca) e o
de tensão (com a bateria carregada).
76
Tabela 4
Teste do Sistema de Monitoramento e Controle de Carga, com a bateria carregada.
t(s)
I(A) V(V)
LED
5
0
13
10
0
13
15
0,8
13,3
20
1,56
13,9
25
2,7
14,5
30
0,6
13,7
35
0,99
13,6
40
2,14
14,5
45
0
13,8
50
1,89
14,5
55
1,85
14,4
60
1,77
14,2
65
0,55
13,7
70
1,89
14,2
75
0
13,3
Fonte: ROCKEL, 2013.
9.1.3. Ajuste do Set Point
O manual do gerador eólico sugere deixar em máximo (17 V) o ajuste do
ponto de regulação, quando se utilizar sistema externo de controle de carga e este
sistema não apresentar compatibilidade técnica com a forma como o Air Breeze
monitora a tensão da bateria (SOUTHWEST, 2011).
Um dos testes necessários, portanto, é o do ponto de regulação (Set Point).
A forma como este ajuste deve ser feito, é descrito no manual, como se
segue:
O método mais preciso de definição da tensão de regulação é desligar a
turbina das baterias e utilizar um multímetro e uma fonte de tensão
ajustável de modo a aplicar a tensão pretendida nos fios condutores
77
negativo e positivo da turbina. Com a tensão alvo aplicada, rode
totalmente o potenciômetro no sentido dos ponteiros do relógio e, em
seguida, rode ligeiramente o potenciômetro no sentido contrário aos dos
ponteiros do relógio, até o LED acender. O ponto de definição de
regulação será então definido para a tensão aplicada nos fios
condutores da turbina.
(SOUTHWEST, 2011, p. 24)
Seguindo essas orientações, fez-se o ajuste do Set Point, com o Sistema de
Controle inserido entre o gerador e a bateria, como se vê na foto mostrada na
Figura_46.
Figura 46: Ajuste da tensão de regulação (Set Point).
Fonte: ROCKEL, 2013.
O Sistema de Controle não apresentou empecilho para que o ajuste do Set
Point fosse feito. Utilizando-se de uma fonte de tensão variável (ICEL OS-3060D),
definiu-se o ponto de regulação do gerador eólico para 14,1 V. Posteriormente,
abaixando a tensão da fonte e aumentando-a gradualmente, o led do gerador piscou
ao atingir 14,1 V. Com isso, conclui-se que o projeto apresentado no capítulo 6.4.3,
de monitoramento da tensão da bateria pelo gerador, é eficiente para manter o Set
Point em operação e, portanto, ele foi mantido regulado para 14,1 V e permanecerá
assim com o gerador instalado no seu local definitivo, no aeroporto.
78
9.2. Teste real, com vento
O gerador eólico Air Breeze foi reinstalado no seu local de origem, sobre o
teto de um hangar no aeroporto Teruel e ligado à bateria automotiva através do
Sistema de Monitoramento e Controle.
Da mesma forma como foi feito nos testes em bancada, na Tabela 5 e no
gráfico apresentado na Figura 47, há um demonstrativo dos dados obtidos em
campo, com o gerador funcionando por ação dos ventos.
Tabela 5
Teste em campo do Sistema de Monitoramento e Controle de Carga.
t(s) I(A)
V(V) LED
5
0
13,7
10
1
13,8
15
2,76
14,5
20
0
14,1
25
2,38
14,5
30
3,9
14,5
35
3,08
14,5
40
2,5
14,2
45
0,15
13,8
50
2,24
14,5
55
0
13,6
60
0
13,5
Fonte: ROCKEL, 2013.
A bateria estava quase que totalmente carregada. Antes de conectá-la ao
gerador, a tensão era de 12,8 volts e a densidade de aproximadamente 1,237 g/cm³,
medida com densímetro. No intervalo estipulado para a tomada dos dados, o
Sistema de Controle pôs em desvio o gerador por 9 vezes – coincidentemente igual
às outras duas experiências anteriores, embora em todas o intervalo de tempo foi
diferente e, neste caso, o mais curto (1 min). Dentre os 9 desvios ocorridos, 5 foram
registrados em instantes amostrados.
Como era de se esperar, devido à bateria estar carregada, o parâmetro
determinante para ocorrer os desvios foi a tensão e não a corrente.
79
No gráfico abaixo – Figura 47 – tem-se uma visão bem evidente dos níveis
altos de tensão e baixos de corrente de carga.
Figura 47: Gráfico dos valores de tensão e corrente, em teste real – gerador acionado pelo vento.
Fonte: ROCKEL, 2013.
A bateria foi deixada no local, conectada ao gerador eólico através do
Sistema de Controle, e permaneceu assim até o dia seguinte. Durante este tempo a
ocorrência de ventos foi constante, devido a uma frente que se aproximava da
região sul (CPTEC). Aproximadamente 22 horas depois, constatou-se o seguinte:
1- A densidade da solução da bateria era de 1,25 g/cm³, portanto totalmente
carregada (MOURA, 1996), como se vê na Figura 48.
Figura 48: Verificação da densidade da solução da bateria.
Fonte: ROCKEL, 2013.
80
2- O tempo de carga, registrado pelo Timer do Sistema de Controle, era de
1h, 18 min e 50 seg – Figura 49.
Figura 49: Verificação do tempo de carga.
Fonte: ROCKEL 2013
Esperava-se um tempo maior de carga, devido à ocorrência de ventos, mas
esta análise é feita mais à frente.
Observou-se também que a caixa do Sistema de Controle estava muito
quente, principalmente na lateral direita – vista pela frente – na região onde estava
localizada a resistência de 2,2 × 150 W (resistência de desvio de carga do gerador).
Este fato exigiu um estudo à parte, para compreender o porquê de não se ter
previsto tal aquecimento – que não é excessivo para a resistência, como será
mostrado, mas ela não poderia estar dentro da caixa, irradiando calor para os
demais componentes do circuito.
9.3. Aquecimento da resistência de desvio
O resistor de potência não é um componente sensível à variação de
temperatura, como geralmente são os componentes ativos. O resistor utilizado no
sistema de desvio de carga, de 2,2 × 150 W, suporta temperaturas até mesmo
acima de 200º C (TE, 2011) e, tendo ele, segundo seu datasheet (Anexo_F), um
coeficiente de temperatura de 50 ppm/ºC, tem uma variação de apenas 0,9 % de seu
valor ôhmico nominal à temperatura de 200º C.
81
Nos testes em bancada, porém, a conclusão que se teve foi a de que o
resistor não sofreria aquecimento tão significativo. Verificou-se que ocorria um
colapso da tensão do gerador no momento do desvio. Deduziu-se que o gerador
parava de produzir, quando em desvio, porque o valor de monitoramento da tensão
da bateria – aplicada ao terminal positivo do gerador através do transistor Q5
(Figura_24) – também caía – o transistor Q5 fica em corte nessas horas – portanto
cessam as condições para o gerador produzir carga, conforme explicação do manual
do gerador: “O Air Breeze necessita que a tensão da bateria seja de, no mínimo,
10,5 V. Do contrário ele funcionará como se o circuito estivesse aberto”
(SOUTHWEST, 2011, p. 23).
Durante giros em bancada, constatou-se que o gerador, quando em circuito
aberto, não produzia tensão maior do que 5 volts – tensão esta insuficiente para
aquecer de forma significativa a resistência de desvio. A impressão que se teve, com
o resultado das experiências em bancada, foi a de que o resistor de desvio com
potência de 150 W estava superdimensionado. Em decorrência desses resultados
obtidos nos testes em bancada, decidiu-se colocar a resistência de desvio dentro da
caixa do Sistema de Controle. Porém, com o aquecimento apresentado no teste em
campo, com vento, este posicionamento da resistência foi alterado. Ela foi posta
para o lado de fora da caixa, como se vê na Figura 50.
Figura 50: Resistência de desvio posicionada fora da caixa do sistema de controle.
Fonte: ROCKEL, 2013
82
A força do vento atuando sobre as pás da turbina eólica, quando o gerador
está em desvio, pode ter sido subestimada durante o projeto. Certamente as
circunstâncias apresentadas nos testes em bancada não foram iguais às que o
gerador eólico se submeteu em funcionamento por ação do vento, por ocasião dos
desvios de carga.
9.3.1. As causas do aquecimento
Durante os testes do Sistema de Controle em bancada, ao conectar o gerador
à resistência de desvio, ele parava de produzir, mas não se forçava com a furadeira
elétrica o eixo do gerador para ele permanecer girando por um tempo muito
prolongado.
Com um amperímetro inserido entre o cabo positivo do gerador e a entrada do
Sistema de Controle, verificou-se que, no instante do desvio, há correntes com picos
de até 6,3 A – valores obtidos com a tecla HOLD MAX do multímetro selecionada.
Esta corrente decresce rapidamente, estabilizando-se em torno de 2 A –
corrente aplicada sobre a resistência de desvio – mas, a condição que determinou o
desvio do gerador desaparece logo que o desvio ocorre, porque a tensão do gerador
também cai de forma abrupta e o gerador recomeça a produzir energia elétrica sobre
a bateria, repetindo o ciclo de forma ininterrupta, se o vento forte não cessar.
Considerando que o período entre um desvio e outro pode ser inferior a 0,5
segundo – com o capacitor C7 (Figura 40) de 100 nF – há uma carga pulsativa
aplicada à resistência de desvio, pelo gerador, como se vê no gráfico da Figura 51,
abaixo.
Figura 51: Carga do gerador aplicado ao resistor nos instantes de desvio.
Fonte: ROCKEL, 2013
83
A potência média resultante desses pulsos sucessivos de correntes aplicados
pelo gerador à resistência de desvio, é a causa do aquecimento da resistência.
O gerador eólico, em qualquer circunstância – seja com giro forçado pela
furadeira elétrica ou por ação do vento – ele cessa a produção (ou conversão) de
energia quando entra no modo de desvio de carga. Se a bateria está descarregada,
o tempo de recuperação para o gerador atingir novamente o nível de desvio (no
caso é a corrente, para a bateria descarregada) é maior do que quando a bateria
está carregada. Vê-se isso comparando-se os dados das experiências que foram
feitas no capítulo 8.1. Em ambas as condições (com a bateria descarregada e
carregada) ocorreram 9 desvios, porém, o tempo de duração do teste com a bateria
fraca foi maior (2 minutos), enquanto a duração do teste com a bateria carregada foi
de apenas 1 min e 15 seg.
Essa diferença entre a quantidade de desvios de carga em função do tempo,
comparando-se o gerador conectado a uma bateria descarrega e carregada, através
do Sistema de Controle, é compreensível, considerando-se que a bateria
descarregada necessita de carga, evidentemente, enquanto o Sistema de Controle
deve cumprir a sua função, quando a bateria está carregada, de desviar o excesso,
para não sobrecarregar a bateria, causando-lhe danos.
Com isso, explica-se o fato do Sistema de Controle, mesmo com ventos
constantes, ter registrado apenas um tempo de carga de 1h, 18 min e 50 seg em
aproximadamente 22 horas em que ele esteve monitorando e controlando a carga
do gerador sobre a bateria. Na maior parte desse tempo a carga esteve em desvio,
porque a bateria já estava carregada.
84
10. CONCLUSÃO
Após as fases de estudos preliminares, elaboração do projeto, montagem do
equipamento e testes finais, tem-se o Sistema de Monitoramento e Controle de
Gerador Eólico concluído.
Com isso, é possível visualizar o seguinte cenário:
No alto do hangar a pequena turbina eólica gira velozmente. O tubo de vento,
de 1,17 m de diâmetro, que atravessa a circunferência formada pelas pás do rotor,
impulsiona o sistema, onde está acoplado um alternador trifásico. O rendimento
máximo de aproveitamento da energia cinética, transformada em elétrica, é de
59,3_% – Limite de Betz –, porque o vento não pode parar.
Esta energia capturada e transformada, é aplicada a uma bateria automotiva,
para ser recarregada. Esporadicamente, quando ocorrem rajadas de ventos mais
fortes, a rotação da turbina eólica é freada bruscamente, porque há excesso de
carga para a bateria e o Sistema de Controle atua, desviando-a.
A energia química armazenada na bateria, resultante do processo descrito
acima – sem excessos que causem danos à bateria – representa o objetivo final
para o qual se fez o Sistema de Monitoramento e Controle, apresentado nesta
monografia.
Eventuais dúvidas quanto a sua real necessidade, nesta região, foram
dirimidas pelo estudo a respeito das velocidades dos ventos. Apesar das
velocidades médias ficarem aquém das que produzem potência eólica capaz de
danificar uma bateria automotiva, submetida à carga fornecida pelo gerador Air
Breeze, há períodos durante o dia em que esta velocidade é excessiva,
principalmente entre os meses de junho e outubro, como se pôde ver nos dados
obtidos pela Estação Meteorológica da Universidade Anhanguera-Uniderp.
No amplo contexto em que está inserido o tema de energia eólica no mundo,
a pequena turbina eólica – que foi o objeto de pesquisa e desenvolvimento deste
Trabalho – cumpre o seu papel, atendendo locais de pequenas demandas de
eletricidade. Com essa peculiaridade, surge naturalmente a necessidade de seu uso
para outros fins, como para carregar uma bateria automotiva.
O Foco deste Trabalho foi a construção do Sistema de Monitoramento e
Controle do Gerador Eólico. Buscou-se realizar um trabalho completo de engenharia:
concepção, projeto, montagem e testes finais. Abordou-se sobre a escolha dos
85
componentes eletrônicos, como o transistor que conecta o gerador à bateria,
POWER MOSFET – de fácil controle por microcontrolador e baixa dissipação de
potência –, a proteção por polyswitch® – sem a necessidade de rearmar, quando há
interrupção por sobrecarga –, o sensor de corrente por Efeito HALL; a confecção da
placa de circuito impresso – em processo artesanal, com a utilização de
componentes SMD e PTH –, além da montagem, dos testes, dos problemas e
soluções que encerraram o ciclo de desenvolvimento do equipamento que agora se
encontra finalizado.
Dentro do escopo de estudo acadêmico, um amplo leque de possibilidades
pode se abrir, para aprimoramentos futuros. Um sistema de controle de carga do tipo
PWM (Pulse Width Modulation) não é recomendado pelo fabricante, porque nos
intervalos entre os pulsos de tensão o gerador gira livre e, dependendo do estado de
carga da bateria, essa condição pode representar a maior parte do tempo – e o
gerador pode ser danificado por causa disso. Mas, se nesses intervalos o gerador for
posto em desvio de carga, surge aí um outro recurso técnico para a implementação
de um sistema de controle. Não seria, necessariamente, mais eficiente, porque a
questão em pauta é a necessidade de se desperdiçar os excessos da carga
fornecida pelo gerador, impedindo que tal excedente flua para a bateria, danificando-
a. Mas, se, ao invés de desviá-la para um resistor, encontrar-se uma forma mais útil
de aproveitamento da energia excedente, então o resultado acadêmico, no futuro,
alcançará níveis ainda mais nobres.
86
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89
ANEXO A Especificações Técnicas do Gerador Eólico Air Breeze
Modelo: Air Breeze
Peso: 13 lb, 6kg
Diâmetro do rotor: 46 pol, 1,17 m;
Velocidade do vento de arranque: 6 mph, 2,7 m/s;
Kilowatt horas/mês: 38 kWh/mês a 12 mph, 5,4 m/s – velocidade média do vento;
Velocidade máxima do vento: 110 mph, 49,5 m/s;
Potência nominal: 160 watts a 28 mph, 12,5 m/s – velocidade do vento
Certificações: CSA (certificado 1945979)
Faixa de temperatura: 14º a 104º F, -10º a 40º C
Tensão de regulação (set point): 14,1 volts – definição de fábrica;
Gama de ajuste do regulador: 13,6 à 17,0 V;
Fusível recomendado: 20 A, lento;
Carga da torre (impulso do eixo): 52 lb a 100 mph ou 230 N a 45 m/s – velocidade do vento.
Fonte: Manual do proprietário AIR BREEZE, Southwest Windpower, Inc. 2011, p. 7.
90
ANEXO B
91
ANEXO C
Especificações do transistor de potência (POWER MOSFET) IRF4905
Parameter Value
Package TO-220AB
Circuit Discrete
VBRDSS (V) -55
VGs Max (V) 20
RDS(on) Max 10V (mOhms) 20.0
ID @ TC = 25C (A) -74
ID @ TC = 100C (A) -52
Qg Typ (nC) 120.0
Qgd Typ (nC) 57.3
Rth(JC) (C/W) 0.75
Tj Max 175
Power Dissipation @ TC = 25C (W) 200
Part Status Active
Environmental Options Available PbF
Package Class Can Thru-Hole
Fonte: IRF, datasheet do componente, 2003, f. 1 e 2
92
ANEXO D
Especificações técnicas do diodo schottky MBR1060
Low Forward Voltage
Lead Temperature for Soldering Purposes: 260 °C Max. for 10 Seconds
Low Power Loss/High Efficiency
Epoxy Meets UL94, VO at 1/8”
150 °C Operating Junction Temperature
Case: Epoxy, Molded
Low Stored Charge Majority Carrier Conduction Mechanical Characteristics:
Weight: 1.9 grams (approximately)
High Surge Capacity
Guard-Ring for Stress Protection
Finish: All External Surfaces Corrosion Resistant and Terminal Leads are Readily Solderable
Pb-Free Packages are Available
Fonte: ON SEMI, 2009, f. 1 e 2.
93
ANEXO E Especificações do transistor de potência (POWER MOSFET N) IRF2907
Specifications
Parameter Value
Package TO-220AB
Circuit Discrete
VBRDSS (V) 75
VGs Max (V) 20
RDS(on) Max 10V (mOhms) 13.0
ID @ TC = 25C (A) 82
ID @ TC = 100C (A) 58
Qg Typ (nC) 106.7
Qgd Typ (nC) 36.7
Rth(JC) (C/W) 0.75
Tj Max 175
Power Dissipation @ TC = 25C (W) 200
Part Status Active
Environmental Options Available PbF and Leaded
Package Class Can Thru-Hole
Fonte: IRF, datasheet do componente, 2010, f. 1 e 2
94
ANEXO F Datasheet do resistor de 2,2 W × 150 W (resistor de desvio)
Fonte: TE, 2005.
95
Dados fornecidos pessoalmente pelo meteorologista Natálio Abrahão Filho.
ANEXO G
Dados meteorológicos do dia 14 de agosto de 2013, período das 6 h às 12 h da manhã.
Fonte: Estação Meteorológica da Universidade Anhanguera-Uniderp.
96
Vídeo de teste do equipamento:
http://www.youtube.com/watch?v=PLVTbJGyE0g
