Microgeração de Energia Elétrica

Para resolver o problema de acesso à energia elétrica, diversos países implantaram projetos de microgeração de energia para acesso a luz elétrica. Destacamos no Capítulo 5 os projetos de Bangladesh, Índia, Malásia e Mianmar. Países do Continente Africano (e.g. Mali, Moçambique, Etiópia e Gana) utilizaram tecnologia solar fotovoltaica4_{para permitir o acesso} à luz elétrica a moradores de comunidades isoladas e geograficamente distante de qualquer rede de distribuição elétrica [107] [108] [109].

Um sistema de microgeração pode ser instalado em curto prazo de tempo (dias ou semanas) e requerer baixa manutenção corretiva e preventiva, porém, a manutenção precisa ser realizada por pessoas capacitadas na tecnologia solar fotovoltaica. Em [97][106][110], os autores descrevem a implantação de sistemas fotovoltaicos para acesso à luz elétrica em comunidades isoladas no Brasil e enfatizam a necessidade de manutenção preventiva. As 4_{Foi utilizado a modalidade Fotovoltaica Off-Grid, que consiste em acumular a eletricidade gerada pelos painéis}

solares em baterias para que possam ser utilizadas durante a noite, período que não há geração de eletricidade pelos painéis solares fotovoltaicos.

comunidades abordadas não possuíam pessoas capacitadas/preparadas para dar manutenção para os sistemas fotovoltaicos instalados. Com o passar do tempo, os equipamentos foram sendo sucateados e abandonados ou furtados.

O esquema da Fig. 8.12 apresenta os componentes básicos de um sistema de microgeração de energia elétrica fotovoltaica off-grid. A Placa Fotovoltaica transforma a energia solar durante o dia e um dispositivo Controlador regula a alimentação de baterias (acumuladores de energia) que armazenam a energia excedente para o serviço das residências. O dispositivo Inversor converte a corrente contínua gerada pela placa, ou acumulada pelas baterias, em corrente alternada para quando for necessário alimentar aparelhos eletrodomésticos.

Figura 8.12 – Modelo básico de um sistema fotovoltaico.

A condição de fornecimento mínimo do sistema pode atender apenas algumas lâmpadas de LED que são alimentadas por corrente continua. Desta forma, num caso prático, essas lâmpadas poderiam ser alimentadas diretamente pelo dispositivo Controlador.

Em sistemas fotovoltaicos off-grid, podemos compreender o funcionamento de alguns componentes, e seus modelos existentes no mercado, como por exemplo, os tipos de inventores de frequência, os tipos existentes de baterias e de controladores de cargas. Atualmente existem inúmeros tipos de baterias, para isso, primeiramente, devemos definir o que é uma bateria.

Uma bateria ou fonte eletroquímica de potência pode ser definida como um dispositivo capaz de converter diretamente a energia liberada numa reação química em energia elétrica. A unidade fundamental de uma bateria é a célula galvânica, na qual uma reação química espontânea é usada para gerar uma corrente elétrica e, é composta por eletrodos imersos no eletrólito e conectados a um circuito externo [111].

As baterias mais comuns que podemos encontrar atualmente no mercado e utilizadas em sistemas fotovoltaicos off-grid são:

Bateria de Chumbo/Ácido: Este é o tipo de baterias mais utilizada como acumulador de energia para sistemas fotovoltaicos off-grid, se tornando a solução mais econômica. É uma bateria que apresenta o metal chumbo, no ânodo, e, dióxido de chumbo (PbO2), no cátodo, ambos imersos em uma solução com ácido sulfúrico (H2SO4) [112].

No cátodo, o dióxido de chumbo reage com ácido sulfúrico durante o processo de descarga, produzindo sulfato de chumbo e água: PbO2(s) + 4H+(aq) + SO42–(aq)+ 2e–→ PbSO4(s) + 2H2O(l). No ânodo, o chumbo reage com íons sulfato formando sulfato de chumbo: Pb(s) + SO42–(aq) →PbSO4(s) + 2e–. A reação global apresenta somente sulfato de chumbo e água como produtos: Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) →2PbSO4(s) + 2H2O(l) [112].

As baterias chumbo/acido são apresentadas em dois principais tipos, as automotivas e as seladas. Para sistemas fotovoltaicos é recomendado o de baterias seladas, que possuem em sua construção algumas modificações diferentes dos modelos automotivos. As baterias seladas possuem ciclo mais profundo de descarga, o chumbo tem um maior nível de pureza e suas placas de cobre e zinco são maiores, essas baterias também possuem seu tempo de vida maior que as baterias automotivas (2 anos), podendo chegar até 5 anos.

Figura 8.13 - Bateria chumbo/óxido de chumbo (chumbo/ácido) [112]

Bateria de Íons-Lítio: É o tipo de bateria usado em celulares e notebooks, também é o tipo de bateria mais caro encontrada no mercado e, para sua utilização é necessário ter um Sistema de Gerenciamento de Bateria - BMS. Na bateria de íons-lítio temos um ânodo formado pela associação de lítio e grafite (carbono), enquanto que no cátodo temos um óxido formado por lítio e cobalto.

No ânodo, o carbono sofre oxidação e libera íons lítio e elétrons - LiyC(s) → C(s) + yLi+ + e. No cátodo, os íons lítio chegam juntamente com os elétrons, sendo que esses íons se incorporam ao óxido formado por lítio e cobalto, aumentando a quantidade de lítio no óxido - LiCoO(s) + Li+ + e → Li2CoO(s) [112].

Quando todo o carbono oxida, a bateria para de gerar corrente elétrica. Porém, ao fornecer energia elétrica do meio externo, ambas as equações passam a ocorrer de forma inversa, restabelecendo os dois eletrodos [112].

Figura 8.14 - Ilustração esquemática dos processos eletroquímica que ocorrem nas baterias de íons lítio [112]

Nos sistemas fotovoltaicos off-grid, é importante conhecer os tipos de controladores de carga que são os dispositivos responsáveis por realizar o controle de carga e descarga de energia das baterias, os controladores de carga possuem entrada para os módulos solares e saída para baterias e a carga. Os controladores também protegem os painéis fotovoltaicos para que não haja fluxo reverso durante a noite. Sem um controlador de carga, os painéis fotovoltaicos se transformam em carga no período noturno, consumindo toda a energia acumulada na bateria durante o dia.

Atualmente existem dois tipos de controladores de carga, os controladores que usam a tecnologia MPPT e PWM.

Os controladores de tecnologia PWM (Pulse Width Modulation ou Modulação de Largura de Pulso) são controladores que consiste em uma técnica utilizada para controlar a potência de dispositivos ligados à saída de sistemas microcontrolados. Seu princípio básico é realizar a modulação de um sinal de onda quadrada sobre a alimentação de um dispositivo.

Esta técnica pode variar a largura de pulso para a onda quadrada quando ela se encontrar positiva, como consequência, tem-se o acionamento e desligamento do dispositivo rapidamente, podendo causar uma aparente queda de potência [113].

Já os controladores com a tecnologia MPPT (Maximum Power Point Pracking ou Ponto Rastreador de Potência Máxima), são controladores que atualizam algoritmos para identificar o ponto de máxima potência do módulos ou painéis solares fotovoltaicos, desta forma os controladores do tipo MPPT aproveitam o máximo da potência que os painéis solares podem oferecer, por serem mais complexos, os controladores do tipo MPPT possuem valores mais elevados do que os controladores do tipo PWM [114].

Além dos controladores de carga para regular e controlar a quantidade de carga e descarga das baterias em um sistema fotovoltaico off-grid, é importante conhecer a função dos inversores de frequência.

Os inversores de frequência é um equipamento que possui a função de converter a energia das baterias que estão em corrente contínua (CC) a 12v 24v ou 48v em corrente alternada (CA) de 127v ou 220v. A corrente alternada é o tipo de corrente elétrica que utilizamos para alimentar equipamentos eletrônicos como TV, Geladeira, computadores, etc.

Os tipos de inversores de frenquência para os sistemas fotovoltaicos off-grid são os inversores de onda quadrada, inversores de onda senoidal modificada e os inversores de onda senoidal pura.

Inversores de onda quadrada são os inversores mais simples e econômicos que podemos ser encontrado no mercado, porém não podem ser utilizados com qualquer aparelho eletrônico, deve ser utilizado em sistemas simples como, por exemplo, sistemas de iluminação [115].

Inversore de onda senoidal modificada produz uma onda intermediária entre a quadrada e a senoidal pura, são econômicos e por isso são muito utilizados e atendem uma grande demanda de equipamentos eletrônicos, não é recomendável o uso deste modelo de inversor com equipamento eletrônicos que possuem motores [116].

Inversores de onda senoidal pura produzem uma onda senoidal praticamente perfeita, porém, possui uma eletronica mais sofisticada e preços mais elevados que os outros

inversores, o inversor de onda pura pode ser utilizados em qualquer aparelho ou sistema eletrônico [117].