Um sistema de refrigeração doméstico ou comercial, geralmente, é alimentado pela corrente elétrica da rede. No entanto, para sistemas móveis a energia de alimentação ne- cessária ao seu funcionamento pode ser fornecida através de outros tipos de equipamentos e tecnologias. Com as crescentes preocupações ambientais e com o constante desenvolvi- mento de tecnologias não poluentes, surge o interesse de integrar energias renováveis nos equipamentos, para um melhor aproveitamento energético.
Dentro das energias renováveis, a energia solar é a que mais se justifica integrar neste projeto, uma vez que o equipamento está exposto à radiação solar durante todo o seu funcionamento.
Por estes motivos, na presente secção são abordadas algumas das tecnologias exis- tentes relativas à integração da energia solar como fonte de alimentação do sistema de refrigeração.
A energia solar pode ser aproveitada para a geração de eletricidade e pode ser cate- gorizada em dois tipos distintos: elétrica e térmica.
A energia solar elétrica utiliza sistemas de painéis fotovoltaicos para a produção de energia elétrica e é a mais indicada para sistemas móveis. Pode ser integrada como fonte de alimentação em sistemas de refrigeração de compressão a vapor e termoelétricos [26], descritos na subsecção 2.2.
2.6.1 Sistemas de painéis fotovoltaicos
Nesta subsecção são abordados alguns assuntos que dizem respeito a sistemas de painéis fotovoltaicos, tais como: tipos de configuração, materiais, dispositivos de arma- zenamento e respetivos componentes auxiliares.
Nos sistemas fotovoltaicos, PV, a energia solar incidente é convertida em energia elétrica, através de materiais denominados por semicondutores. A incidência da luz solar nestes materiais origina um estímulo dos eletrões e, assim, é criada tensão elétrica e, Jorge Tiago Alves Ferreira Tavares Dissertação de Mestrado
consequentemente a produção de energia elétrica. Este fenómeno é denominado por efeito fotovoltaico.
Os semicondutores são configurados em elementos denominados por células fotovol- taicas. Individualmente estas células produzem correntes relativamente baixas sendo, por isso, necessária a associação de múltiplas células em conjuntos denominados módulos fotovoltaicos. Estes últimos podem ser ainda agrupados numa estrutura designada por painéis. Nas figuras 2.19a, 2.19b e 2.19c encontram-se ilustrados os esquemas de uma célula, um módulo e um painel PV, respetivamente.
(a) (b) (c)
Figura 2.19: (a) Celula PV; (b) Modulo PV; (c) Painel PV [27].
Os painéis solares podem ser constituídos por diversos materiais e possuir diversos designs. A variedade de materiais PV, juntamente com as características que apresentam, resulta numa aplicação tecnológica com enorme potencial, que se encontra em constante desenvolvimento [27].
Os materiais dos semicondutores dos painéis PV mais comuns são o silício monocris- talino, no entanto existem diversos outros implementados na sua construção, tais como: o silício policristalino, o silício amorfo, sulfito de cádmio e o arsenieto de gálio [20].
Este tipo de sistemas é considerado uma fonte energética bastante vantajosa, na medida em que: depende da energia solar; tem pouco impacto no ambiente; é modular, o que possibilita diferentes combinações para igualar as necessidades pretendidas; possui um tempo de vida elevado, superior a 25 anos; facilmente instalado e produzido à escala industrial.
Podem ser classificados em dois tipos de sistemas: grid-connected, onde existe a ligação à rede elétrica ou stand-alone, que são sistemas autónomos, ideais para aplicações móveis.
É de salientar que os sistemas PV não são constituídos apenas por painéis e por isso, deve-se ter em conta outros equipamentos necessários à sua instalação, que no caso da aplicação stand-alone, são: painéis PV, controlador de carga, inversor e baterias, cujo esquema de ligação é apresentado na figura 2.20.
2.Revisão bibliográfica 47
Painéis PV
A potência útil do painel PV, e pode ser obtida através da equação 2.74.
ηP V =
PutilP V
Qrad (2.74)
Onde:
ηP V é a eficiência do painel solar;
PutilP V é a potência elétrica fornecida pelo painel; Qrad é a radiação solar absorvida pelo painel.
Sabendo que Qrad = GP V ∗ AP V, obtém-se a equação 2.75, que determina a área necessária que os painéis PV devem ter para satisfazer as necessidades energéticas pre- tendidas.
AP V =
Pbateria
ηP V ∗ GP V (2.75)
Onde:
GP V é a irradiação solar incidente no painel PV, em W/m2; AP V é a área do painel solar, em m2.
Para determinar o valor de GP V, recorre-se à subsecção 2.4.4. Para determinar este valor é necessário conhecer a inclinação ideal do painel, βP V, para o qual o valor de GP V é máximo, que ocorre às 12 horas LAT quando θ = 0. Recorrendo à equação 2.47, determina-se o ângulo de inclinação βP V, e pela equação 2.54, determinam-se os valores de GP V.
Controlador de carga
Os controladores de carga têm como principais funções: proteger as baterias con- tra sobrecargas e evitar descargas totais, interrompendo a corrente quando estiverem carregadas ou quase descarregadas, respetivamente.
Estes equipamentos podem ser dos seguintes tipos: MPPT, maximum power pointer tracking, ou PWM, pulse width modulation.
Enquanto que o controlador PWM iguala a tensão das baterias à dos painéis, man- tendo a intensidade de corrente fixa, o MPPT procura a maior potência possível, ajustado a intensidade da corrente.
O dispositivo MPPT é mais eficiente, quando comparado com o PWM, contudo tem o custo mais elevado.
O controlador de carga deve ser selecionado de forma a ter maior intensidade de corrente que os painéis solares.
2.6.2 Sistemas de armazenamento de energia elétrica
Esta subsecção relaciona o armazenamento de energia elétrica com sistemas de painéis fotovoltaicos.
O armazenamento de energia elétrica, denominado por electrical energy storage, EES, é uma tecnologia em crescente desenvolvimento no mercado, que no futuro se tornará Jorge Tiago Alves Ferreira Tavares Dissertação de Mestrado
indispensável, quando combinada com energias renováveis, para a diminuição de emissões de CO2, [28].
A tecnologia EES consiste na conversão de energia elétrica numa forma de energia armazenada num meio, para mais tarde ser utilizada.
Esta forma de armazenamento de energia visa resolver alguns problemas, como por exemplo: o elevado custo da eletricidade em horas de pico, a necessidade de um for- necimento contínuo e flexível, a longa distância entre o lugar onde ocorre geração de eletricidade e o lugar do seu consumo, entre outros.
Existem diversos métodos de categorização de sistemas EES, que podem ser em re- lação à sua função, tempo de resposta e duração de armazenamento. O método mais usado baseia-se na forma de energia armazenada no sistema, que categoriza esta tecnolo- gia em sistemas de armazenamento de energia mecânica, eletroquímica, química, elétrica e térmica [29].
O armazenamento de energia elétrica para aplicações PV é categorizado na forma eletroquímica e realizado através de baterias recarregáveis.
O sistema de armazenamento de energia elétrica com painéis PV, funciona da seguinte forma: a energia elétrica DC proveniente dos painéis solares passa pelo controlador de carga que iguala a intensidade da corrente à das baterias; esta é usada para carregar o sistema de baterias; as baterias armazenam a energia, descarregando-a quando o sistema de refrigeração se encontrar em funcionamento; a energia elétrica sob a forma de corrente DC passa pelo inversor, que a transforma em corrente AC; esta chega ao compressor e este começa a trabalhar.
Inversor
O inversor deve ter uma potência superior à do sistema AC, para o qual se deve considerar a sua eficiência para prevenir uma sobrecarga. Assim, a potência do inversor, Pinversor, é determinada através da equação 2.76.
Pinversor = PAC
ηinversor (2.76)
Onde:
ηinversor corresponde à eficiência do inversor de corrente;
PAC corresponde à potência de consumo do sistema AC, em W h. Bateria
Os sistemas de armazenamento de energia eletroquímica, também conhecidos como battery energy storage, BES, baseiam-se no uso de baterias recarregáveis. Estas recebem energia elétrica sob a forma de corrente DC e descarregam a energia elétrica para um determinado aparelho, quando necessário. As baterias existentes para esta tecnologia são classificadas em bateria secundária ou bateria de fluxo. As baterias secundárias são do tipo chumbo-ácido, lítio-ião (Li-ião), níquel-cádmio (NiCd) ou sódio-enxofre (NaS). As baterias de fluxo podem ser do tipo fluxo redox ou fluxo híbrido.
2.Revisão bibliográfica 49
As baterias de lítio são, normalmente, aplicadas em equipamentos portáteis, devido ao seu peso e tamanho reduzido, tais como computadores portáteis, telemóveis e veículos elétricos.
Uma característica importante das baterias a considerar é o seu depth of discharge, DOD, que representa a percentagem de descarga das baterias. A capacidade das baterias listada em catálogos é normalmente superior à capacidade útil de carga das baterias. Normalmente o DOD das baterias de chumbo-ácido e de lítio são cerca de 80% e 95%, respetivamente.
Cada um destes tipos de bateria apresenta vantagens e desvantagens, quando com- paradas. As baterias de lítio, comparativamente com as de chumbo-ácido apresentam menor dimensão e peso, e maior tempo de vida, no entanto, têm menor capacidade e, portanto, devem estar agrupadas em maior quantidade para satisfazer as mesmas neces- sidades energéticas [29], [28].
O tipo e quantidade de baterias é selecionado em função da sua capacidade em Ampere-hora, Ah. Para determinar a capacidade da bateria necessária, é preciso co- nhecer o consumo diário das baterias, o tempo de autonomia pretendido respetivas ca- racterísticas do inversor e baterias encontradas nos catálogos dos fabricantes.
O consumo total do sistema de baterias, Putil, é dado pela equação 2.77.
Putil= Pinversor∗ tf uncionamento∗ nautonomia (2.77) Onde:
tf uncionamento representa o tempo de funcionamento do sistema, em horas;
nautonomia representa o número de dias de autonomia pretendido para o sistema de baterias.
Sabe-se que a potência de consumo útil das baterias difere da potência de consumo descrita no catálogo, em função da sua eficiência e do seu DOD. Assim, conhecendo estes dados, determina-se o consumo total das baterias, Pbateria através da equação 2.78
Putil Pbateria
= DOD ∗ ηbateria (2.78)
Onde:
Putil representa o consumo útil das baterias, em W h; ηbateria representa a eficiência da bateria;
DOD representa o depth of discharge da bateria.
A lei de Joule, representada pela condição P = UI, permite determinar a capacidade da bateria. Sabendo que a potência P corresponde ao consumo das baterias, em kW h, U corresponde à diferença de potencial da bateria, em V , e a intensidade I representa a capacidade da bateria em Ah, a capacidade total do sistema de baterias, Ctotal é obtido através da equação 2.79.
I = P
U ≡ Ctotal=
Pbateria
Ubateria (2.79)
Conhecendo a capacidade total das baterias, procede-se ao cálculo do número de baterias em função da capacidade individual de cada uma. Para um sistema de baterias Jorge Tiago Alves Ferreira Tavares Dissertação de Mestrado
em série, sabe-se que o somatório das capacidades de cada bateria é igual a capacidade total do sistema, assim obtém-se a equação 2.80.
Ctotal= X
Ci= nbaterias∗ Cbateria (2.80) Onde:
nbaterias representa o número de baterias do sistema;
Cbateria representa a capacidade de uma única bateria, em Ah.
Assim, pela equação 2.80, o número de baterias necessárias para o sistema projetado é dado pela equação 2.81.
nbaterias= Ctotal
Capítulo 3
Parametrização do projeto
Neste capítulo, efetua-se a parametrização do projeto, que tem como principal função a definição de alguns constrangimentos e características impostas ao projeto, essenciais ao seu dimensionamento. O presente capítulo encontra-se organizado em quatro secções. Na primeira 3.1, faz-se o enquadramento no âmbito da competição “Sou OLÁ”. Na secção seguinte 3.2, definem-se as características do projeto, no que concerne às condições do produto a conservar, à zona de estudo e à orientação geográfica do estudo. Na penúl- tima secção 3.3, apresentam-se as diferentes etapas do projeto. Na última secção 3.4, são descritas as duas configurações de câmaras frigoríficas a analisar: câmara frigorífica convencional e câmara frigorífica com gavetas.