Aproveitamento fotovoltaico para aplicações agrícolas

Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

Aproveitamento Fotovoltaico

Para

Aplicações agrícolas

Dissertação de Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de

Computadores

André Filipe Freitas Povo

Orientador:

Prof. Paulo Alexandre Cardoso Salgado

UTAD

Vila Real, 2015

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Aproveitamento Fotovoltaico

Para

Aplicações agrícolas

Por

André Filipe Freitas Povo

Orientador: Prof. Paulo Alexandre Cardoso Salgado

Dissertação submetida à

UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO para obtenção do grau de

MESTRE

em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, de acordo com o disposto no DR – I série–A, Decreto-Lei n.º 74/2006 de 24 de Março e no

Regulamento de Estudos Pós-Graduados da UTAD DR, 2.ª série – Deliberação n.º 2391/2007

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Sistema Combinado de Energia Renováveis:

Aproveitamento Fotovoltaico para Aplicações Agrícolas

Por

André Filipe Fritas Povo

Orientador: Prof. Paulo Alexandre Cardoso Salgado

Dissertação submetida à

UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO para obtenção do grau de

MESTRE

em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, de acordo com o disposto no DR – I série–A, Decreto-Lei n.º 74/2006 de 24 de Março e no

Regulamento de Estudos Pós-Graduados da UTAD DR, 2.ª série – Deliberação n.º 2391/2007

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Orientação Científica:

Prof. Paulo Alexandre Cardoso Salgado Professor Associado do

Departamento de Engenharias da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

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UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Os membros do Júri recomendam à Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro a aceitação da dissertação intitulada “Aproveitamento Fotovoltaico para aplicações agrícolas” realizada por André Filipe Freitas Povo para satisfação parcial dos requisitos do grau de Mestre.

Dezembro 2014

Presidente: Doutor Salviano Soares Filipe Pinto Soares,

Direcção do Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores do Departamento de Engenharias da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

Vogal do Júri: Paulo Alexandre Cardoso Salgado,

Professor Associado do Departamento de Engenharias da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

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Aproveitamento fotovoltaico para aplicações agrícolas

André Filipe Freitas Povo

Submetido na Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro para o preenchimento dos requisitos parciais para obtenção do grau de

Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Resumo — No desenrolar desta dissertação será estuda a aplicação da energia fotovoltaica

à produção agrícola em estufas como alternativa a fontes de energia não renovável assim como as vantagens da exploração deste tipo de energia. Será proposto neste trabalho um sistema solar para aquecimento de água, provando-se com recurso a modelos computacionais a sua rentabilidade económica.

Todo o desenvolvimento do sistema tem como base os conhecimentos teóricos. Para análise e validação do sistema foi desenvolvido um sistema de aquisição e controlo climático da estufa. O software de aquisição e programação da placa de aquisição foi todo ele desenvolvido em linguagem C-ANSII, com ligação ao MATLAB.

Para suportar e validar este estudo foi desenvolvido um software capaz de prever a radiação ao longo do dia. Com estas previsões e pela utilização de um modelo térmico de uma estufa consegue-se prever a energia necessária (suplementar), compreendendo-se as diferenças produzidas que existem durante um ano climático.

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Photovoltaic exploitation for agricultural applications

André Filipe Freitas Povo

Submitted at the University of Trás-os-Montes and Alto Douro for partial fulfillment of the requirements for the degree of

Master in Electrical Engineering and Computer

Abstract — In the course of this dissertation it will be studied the application of photovoltaic energy in agricultural production on greenhouses as an alternative to non-renewable sources of energy as well as the advantages of exploring this type of energy. It will be proposed on this work a water heating solar system, proving their economic profitability using computational models.

The whole development of the system is based on theoretical knowledge. For analysis and validation of the system was developed an acquisition system and climate control of the greenhouse. The acquisition software and programming of data acquisition card was all developed in C-language ANSII, connected to MATLAB.

To support and validate this study we developed a software able to predict the radiation throughout the day. With these projections and the use of a thermal model of a greenhouse is achieved to provide the required energy (supplementary), comprising the differences that are produced during a climate year.

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Agradecimentos

Ao Professor Doutor Paulo Alexandre Cardoso Salgado, agradeço pela disponibilidade em orientar esta dissertação, pelas sugestões, apoio e considerações. Mais, agradeço também por todos os ensinamentos transmitidos ao longo da minha Licenciatura e Mestrado, que tanto contribuíram para compreensão do tema e desenvolvimento deste trabalho.

Aos meus pais, agradeço pelos ensinamentos de responsabilidade e determinação, que ao longo do meu percurso profissional e pessoal se revelaram fundamentais para o alcance dos meus objetivos. Ao meu irmão, pela companhia constante, nos momentos de dificuldade e nas partilhas de conquista e felicidade.

À minha noiva, agradeço pelo companheirismo, dedicação e por ser exemplo de motivação, mas essencialmente, por fazer seus os meus sonhos.

A todos, o meu sincero agradecimento.

UTAD, André Filipe Freitas Povo

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Índice Geral

Glossário, acrónimos e abreviaturas ………xx

1 Introdução e Motivação……….pág. 1 1.1 Introdução………...pág. 1 1.2. Estrutura da dissertação………...pág. 4 1.3 Objectivos da dissertação………...pág. 4 2 Energia Solar……….pág. 7 2.1 Introdução………...pág. 7

2.2 A energia eléctrica fotovoltaica e o seu armazenamento

nos sistemas eléctricos………...pág. 8 2.2.1 Os módulos solares fotovoltaicos………pág. 9 2.2.2 O campo fotovoltaico integrado………..pág. 9

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2.2.3 Aplicações e considerações económicas………...pág. 10 2.2.4 Conclusão……….pág. 12

2.3 A energía Solar Térmica………..pág. 13 2.3.1 Sistema de Aquecimento Solar de Água………...pág. 13 2.3.2 Colectores Planos………...pág. 15 2.3.2.1 Calculo Energético do Colector Plano………..pág. 16 2.3.3 Colectores CPC………..pág. 17 2.3.4 Colectores de Tubos de Vácuo……….…….pág. 18 2.3.5 Tanque de armazenamento……….……..pág. 19

3 As tecnologias de armazenamento de energia eléctrica………pág. 23

3.1 Introdução……….pág. 23

3.2 Princípio geral de funcionamento de uma bateria……….pág. 24

3.3 As baterias a chumbo………pág. 25 3.3.1 Os diferentes tipos de baterias de chumbo………..pág. 27 3.3.2 Baterias “clássicas” ou abertas……….pág. 28 3.3.3 Baterias VRLA (Valve Regulated Lead-Acid)……….pág 28 3.3.4 Desempenhos técnicos………pág. 29 3.3.5 Contexto industrial e económico………...pág. 30

3.4 As baterias de lítio……….pág. 31 3.4.1 As baterias de Lítio – Polímero……….pág. 32 3.4.2 Desempenhos técnicos………pág. 34 3.4.3 Contexto industrial e económico………...pág. 35

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4 Modelos dinâmicos de processos climáticos e de produção em estufas………...pág. 37 4.1. Introdução………pág. 37 4.2. Materiais e métodos……….pág. 39

4.3. Modelo de crescimento das plantas………pág. 41 4.3.1. Modelo de dois estados……….…pág. 42 4.3.1. 1 Modelo fixo……….pág. 42 4.3.1.2 Parametrização e calibração………..pág. 50

4.4. Modelos climáticos………...pág. 55 4.4.1 Modelo físico simplificado……….pág. 60 4.4.2 Parâmetros e ensaio com o modelo físico……….pág. 63

4.5. Conclusão………...pág. 67

5 Simulação e gestão do sistema energético………..pág. 69

5.1 Introdução………...………...pág.69 5.2 Simulação e gestão do sistema energético……….…………..pág. 70 5.3 Conclusão……….………...…..pág. 74

6 Conclusão e trabalho futuro………...pág. 75

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Índice de Figuras

Figura 2.1 - Distribuição geográfica do incidente da radiação solar na superfície de terra todos os anos

Figura 2.2 - Grelha de paridade na Europa – 2010 Figura 2.3 - Colector plano

Figura 2.4 - Colector CPC

Figura 2.5 - Esquema de funcionamento do colector solar de tubos de vácuo Figura 2.6 - Tipos de tanque de armazenamento

Figura 3.1 - Princípio de produção de electricidade num conversor electroquímica Figura 3.2 - Curvas de carga e descarga de uma célula elementar de bateria a chumbo Figura 3.3 - Os diferentes tipos de baterias ao chumbo

Figura 3.4 - Esquema do princípio de funcionamento da bateria Li-Íon Figura 3.5 - Estrutura de uma bateria Lítio-Polímero

Figura 4.1 - Diagrama esquemático do processo de produção na estufa Figura 4.2 - Diagrama de blocos da assimilação de matéria

Figura 4.3 - Evolução dos coeficientes Cfolhas (a) e Clar,d (b) no decorrer da experiência (pontos •)

Figura 4.4 - Evolução da razão peso seco folhas versus peso seco caules, no decorrer da experiência

Figura 4.5 - Simulação (“modelo fixo”) e medidas do crescimento da plantação durante a experiência. a) peso seco total sem vagens; b) peso seco vagens; c) área foliar

Figura 4.6- Diagrama de bloco dos fluxos de energia e massa dentro e com o exterior de uma estufa agrícola

Figura 4.7 - Curvas da temperatura do ar interior: curva real (verde) e curva do modelo (preto)

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Figure 4.8 - Curva do erro da Temperatura do modelo simplificado

Figure 4.9 - Curva da humidade do modelo simplificado : curva real (verde) e curva do modelo (preto)

Figure 4.10 - Curva da humidade relativa do modelo simplificado: curva real (verde) e curva do modelo (preto)

Figura 4.11 - Curva do erro da Temperatura do modelo simplificado

Figura 4.12 - Simulação Temperatura Humidade relativa e absoluta (“modelo físico”) no período de15 de Janeiro a 4 de Fevereiro 1998

Figura 5.1 - Simulação Temperatura no exterior da estufa Figura 5.2 - Simulação Radiação Solar

Figura 5.3 - Simulação da temperatura no interior da estufa

Figura 5.4 - Simulação das actuações do sistema de aquecimento (a preto) e actuação do ventilador (a azul)

Figura 5.5 - Simulação da energia armazenada nas baterias

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Indice de Tabelas

Tabela 2.1 Balanço dos recursos de energias renováveis na União Europeia Tabela 2.2 - Tipos de sistemas solares térmicos para aquecimento de água Tabela 2.3 - Classificação de tanques de armazenamento solares

Tabela 3.1 Principais dados técnicos da bateria de chumbo Tabela 3.2 - Desempenhos electroquímicos dos sistemas a lítio

Tabela 4.1 - Parâmetros do modelo a dois estados, com valores de Cfolhas e Clar,d Tabela 4.2 - Parâmetros do Modelo de dois estados

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Glossário, acrónimos e abreviaturas

Glossário de Termos

MatLab - Software de programação de linguagem computacional de alto nível, com um

ambiente interactivo para o desenvolvimento de algoritmos e análise de dados e numérica

Lógica Fuzzy – Modelo de previsão de séries temporais, traduzido em português como

lógica difusa.

Canópia - cobertura formada pelas copas de árvores que se tocam, numa floresta, rua, etc Canópias erectófilas - aquelas em que os ângulos de inserção das folhas no caule são

muito agudos (caso típico das gramíneas)

Canópias planófilas - as que têm folhas com uma disposição próxima da horizontal

(exemplo do feijoeiro).

Canópia plagiofila - as folhas do topo da cultura são verticais e vão sendo mais horizontais

à medida que nos aproximamos da base da canópia.

Estoma - aparelho especial, com orifício (ostíolo), que existe na epiderme de alguns órgãos

verdes dos vegetais e que regula as trocas gasosas entre a planta e o meio externo, também denominado estómato

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Lista de acrónimos

Acrónimo Expansão

SEN Sistema Eléctrico Nacional

FV Fotovoltaicos

Wp Watt de pico

UAEH Unidade de Armazenamento de Energia à Base de Hidrogénio

J Joule

EJ Exajoules

W Watt

kW Quilowatt

kWh Quilowatt por hora

MW Megawatt

GW Gigawatt

Wh/kg Watt-hora por quilograma

ºC Grau centígrado m3 Metro cubico dm3 Decímetro cubico kg Quilograma

Abreviaturas

1

1.

Introdução e Motivação

1.1 Introdução

As condições climáticas são o factor primordial que afecta o desenvolvimento da planta e a rentabilidade económica da produção em estufa. Torna-se necessário encontrar soluções, desejavelmente rentáveis, para aquecer as estufas quando a temperatura exterior cai para valores abaixo de 12ºC de modo a proporcionar condições adequadas ao crescimento de culturas. Paralelamente deseja-se obter produtos agrícolas de alta qualidade com alto rendimento produtivo. Os factores económicos da exploração estão igualmente na primeira linha das preocupações viabilizando a comercialização dos produtos em mercados competitivos como o da exportação.

As estufas têm um potencial económico importante no sector agrícola. A produção em estufas é uma óptima forma de investir no sector primário da economia, a produção de alimentos. Com a regulação das temperaturas e humidades é possível definir as condições ideais para as espécies a produzir, em períodos do ano em que as condições climatéricas naturais não são muito favoráveis. Como Portugal goza de um clima mediterrâneo, com temperaturas moderadas e radiação solar alta, as culturas em estufa em períodos de inverno são bastante mais facilitadas quando comparado, por exemplo, com os países nórdicos que produzem através de estufas. Estes últimos têm um custo adicional devido ao aquecimento ou regulação de temperatura, uma vez que o clima desses países tem vários períodos de gelo e neve. Em sentido contrário no verão, devido às altas temperaturas e níveis de radiação solar, as estufas localizadas em Portugal têm como principal problema o arrefecimento da temperatura do ar interior que, se realizado sem avaliar os custos inerentes, penaliza fortemente os factores de rentabilidade.

2

Existem culturas que são exploradas ininterruptamente, como é o caso dos cogumelos, alface ou cenouras, existindo um fluxo de vendas regular e constante, o que por si só permite efectuar planeamento e optimização da actividade. O investimento numa exploração agrícola onde se introduza este tipo de produção é geralmente maior do que na exploração agrícola tradicional. Permite ainda produzir mais por área com recurso a tabuleiros de plantas através de uma gestão cuidada do espaço protegido proporcionado pela estufa.

O principal problema da estufa reside no controlo da temperatura do ar interior. Além do aquecimento por energia solar, as estufas devem também ser aquecidas durante a noite e dias frios. A fim de estabelecer condições ideais de crescimento de culturas em estufas os valores da temperatura do ar interior deve estar confinado a um intervalo de temperaturas moderadas.

Na gestão de uma estufa, a regulação da temperatura é uma das tarefas mais importantes. O esforço de controlo desta variável obriga geralmente a gastos de energia que devem ser continuadamente contabilizados de modo a não comprometer a viabilidade económica da exploração. Nesta linha, a utilização de fontes de energia renováveis deve ser considerada tanto quanto o possível. As aplicações de aquecimento em estufas têm um grande efeito sobre a produtividade, na qualidade e tempo de cultivo dos produtos.

Na generalidade das estufas actualmente a laborar apenas têm disponível o sistema de aquecimento activo, havendo apenas um número reduzido de instalações com capacidade acrescida de arrefecimento e de desumidificação [1], dado que estas últimas opções se configuram como de duvidosa viabilidade económica. A procura de novas fontes e soluções energéticas é por esta via um meio de alargar a utilidade das estufas agrícola proporcionando novos produtos agrícolas e a um menor custo, mas também ecologicamente mais limpas. Neste quadro, o uso de energia solar surge assim como de considerável interesse, por duas razões: Em primeiro lugar, leva a uma diminuição do consumo de combustíveis fósseis. Em segundo lugar, a energia solar é uma fonte não-poluente de energia. Nesse sentido, este trabalho tende a focar a importância do desenvolvimento e utilização da energia solar como alternativa às fontes energéticas de origem não renovável.

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O sistema Estufa Agrícola surge neste trabalho como um exemplo prático e de teste de uma nova abordagem integrada em que de um lado existe ao nosso dispor a energia solar e do outros temos um sistema dinâmico, vivo (composto de plantas) e fluxos de energia e massa entre as partes constituintes desse mesmo sistema. Daí uma parte deste trabalho residir na apresentação de um modelo dinâmico do crescimento de uma cultura agrícola (feijão verde), com os modelos termodinâmicos da estufa. É tendo em conta as interligações destes dois sistemas que este estudo se diferencia da maior parte da investigação realizada, por considerar o sistema térmico interactuante com outros sistemas.

De modo a tirar partido da energia solar térmica e elétrica para o aquecimento de condutas instaladas numa estufa agrícola, será proposto neste trabalho um sistema solar, provando-se com recurso a modelos computacionais a sua rentabilidade. O sistema funciona de maneira muito simples, aproveitar a radiação solar nas suas duas vertentes, para aquecer água armazenada em termoacumuladores e convertê-la em energia elétrica, armazenada em baterias.

Para suportar e validar este estudo foi desenvolvido um software capaz de prever a radiação ao longo do dia, especificamente para a cidade de Braga entre os anos de 2005 e 2009. Com estas previsões e pela utilização de um modelo térmico de uma estufa consegue-se prever a energia necessária (suplementar), compreendendo-se as diferenças produzidas que existem durante um ano climático.

Por último, este trabalho tentará provar a utilidade e rentabilidade do uso da energia solar (recolhida por diferentes tecnologias) para a regulação térmica de uma estufa agrícola.

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1.2. Estrutura da dissertação

A presente dissertação encontra-se dividida em 6 capítulos sendo que o primeiro capítulo descreve resumidamente este trabalho, apresenta as motivações que levaram à realização do mesmo e os respectivos objectivos. Seguidamente será apresentado um estudo bibliográfico sobre a energia solar fotovoltaica e térmica no capítulo dois, com uma abordagem aos diferentes tipos de sistemas solares e o seu armazenamento. No capítulo três serão abordadas as tecnologias de armazenamento de energia eléctrica, mais especificamente os tipos de baterias existentes no mercado com as relativas características e desempenhos técnicos.

No capítulo quatro é apresentada uma simulação computacional dos processos climáticos e de produção em estufas. Será descrito um modelo de crescimento de plantas e um modelo climático do interior da estufa e o seu comportamento ao longo do tempo.

No capítulo 5 será apresentada uma simulação das necessidades energéticas de uma estufa agrícola, e observados os comportamentos de carga de descarga de um sistema de baterias juntamente com as quantidades de energia compradas à rede eléctrica nacional. As respectivas conclusões são apresentadas no capítulo 6, bem como a perspetiva de evolução futura deste trabalho.

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1.3 Objectivos da dissertação

Os principais objectivos da dissertação são:

- Avaliar o contributo da energia da radiação solar para as necessidades energéticas de uma estufa agrícola, caso prático que serve de exemplo de teste à metodologia de gestão proposta.

- Avaliar a suficiência da energia solar para responder às necessidades energéticas da estufa agrícola.

- Estabelecer uma estratégia óptima da gestão de energia, nomeadamente dos ciclos de armazenamento e utilização da energia.

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Energia Solar

2.1 Introdução

Existem actualmente diferentes fontes de energia renovável disponíveis das quais as principais são: a energia solar, a energia eólica, a energia hidráulica, a biomassa e a geotérmica. Estas podem ser convertidas, de acordo com as necessidades, em electricidade ou calor. A cogeração tanto de electricidade como de calor é possível no caso da geotermia, da biomassa e a energia solar.

Desde os anos 90 as energias renováveis apresentam um importante desenvolvimento. As políticas de desenvolvimento duradouro postas em prática no mundo permitiram uma melhor exploração do vasto potencial que representam os recursos renováveis.

A independência energética, acoplada à diminuição das emissões de gases ao efeito de estufa e a vontade de diversificação dos recursos, foram os motores de um desenvolvimento industrial muito consequente, permitindo iniciar novas fileiras apoiando ao mesmo tempo tecnologias mais maduras. As perspectivas económicas do domínio das energias renováveis são além disso confortadas pelo contexto do empobrecimento das energias fósseis.

Recursos renováveis Capacidade instalada/Produção de electricidade na

União Europeia

Eólica 74,8 GW [http://www.eurobserv-er.org/downloads.asp]

Solar \ é 15861,2 MWp

22 786,1 MWth

Biomassa 57,8 TWh

Tabela 2.1 Balanço dos recursos de energias renováveis na União Europeia [2]

No âmbito deste estudo, concentramo-nos sobre a produção de electricidade e energia térmica a partir da energia solar.

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2.2 A energia eléctrica fotovoltaica e o seu armazenamento nos sistemas

eléctricos

A energia solar representa um “jazigo” muito importante a nível da superfície do globo terrestre. A cartografia seguinte (figura 2.1) apresenta a radiação solar global anual na Europa. A energia solar chega à superfície terrestre sob a forma de radiação electromagnética sendo uma parte directamente convertida em energia calorífica e uma outra parte em energia química pelas plantas. Esta energia é hoje usada, mesmo que armazenada em energia fóssil ao longo de milhões de anos, para satisfazer as necessidades do homem. A energia solar pode dividir-se essencialmente em dois tipos de energia: luz e calor. Esta energia pode ser convertida em calor com a ajuda de módulos solares térmicos ou electricidade com a ajuda de módulos solares fotovoltaicos, cujo funcionamento é definido nos parágrafos seguintes.

Figura 2.1 - Distribuição geográfica do incidente da radiação solar na superfície de terra

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2.2.1 Os módulos solares fotovoltaicos

Uma célula fotovoltaica composta de materiais semicondutores é capaz de converter a energia de fotões recebidos à sua superfície numa diferença de potencial. Sendo que esta diferença de potencial é criada por uma deslocalização de electrões no material, esta circulação de electrões no circuito externo permite à célula fotovoltaica funcionar como um gerador.

Os módulos solares fotovoltaicos (FV) são constituídos por uma montagem em série ou paralelo de células fotovoltaicas, permitindo ajustar a sua tensão e corrente característica. O rendimento energético de um módulo depende da natureza dos materiais utilizados sendo que os valores geralmente encontrados são de aproximadamente 10% (13 a 14% para as células compostas de silício monocristalino, 11 a 12% com silício policristalino e 7 a 8% com silício amorfo).

Um campo fotovoltaico ou campo solar é constituído por um conjunto de módulos conectados em série e/ou paralelo. Os módulos são protegidos com díodos de derivação (Schottky) a fim de evitar o funcionamento oposto das células que pode provocar sobreaquecimento ou mesmo uma destruição das mesmas. A escolha das características do campo solar depende do ponto de funcionamento requerido pelos componentes associados (baterias, conversores, electrolisador, etc.).

2.2.2 O campo fotovoltaico integrado

Para integrar os módulos ao nível do sistema, ao campo FV pode ser associado um órgão MPPA (Max Power Point Alignment). Este permite ajustar, a cada momento, a potência eléctrica fornecida pelo campo ao seu valor máximo (nas condições de exposição ao sol e temperatura do momento considerado) deslocando o ponto de funcionamento do módulo sobre a sua curva característica.

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Podem ser utilizados dois tipos de conversores eléctricos para a conexão do campo ao sistema no qual é integrado.

O conversor DC/DC (interruptor inversor elevatório ou atenuador de tensão, de acordo com o nível de tensão) permite ligar o campo FV a um fluxo contínuo ao qual vão ligar as diversas máquinas energéticas do sistema: a carga (o utilizador final), as outras fontes de energia (pilhas a combustível, baterias, outras fontes renováveis) ou os periféricos. Permite além disso suavizar as flutuações de tensão dos componentes ao nível do fluxo comum. O inversor (conversor DC/AC) será utilizado quando o campo FV é conectado à rede eléctrica ou nos sistemas que incluem um “Bus” alternativo.

2.2.3 Aplicações e considerações económicas [4]

O custo de um módulo fotovoltaico é cerca de 3 €/Wp [4]. Incluindo os custos de instalação bem como os custos adicionais (electrónico, conversores…), o custo total de um sistema fotovoltaico é cerca de 6 €/Wp. Os construtores garantem geralmente uma duração de vida de 20 anos ou mesmo 30 anos para estes sistemas.

Os fracos rendimentos na conversão eléctrica dos módulos fotovoltaicos implicam geralmente a instalação de grandes superfícies para assegurar a produção de electricidade necessária para a autonomia de um sistema que tenha como principal fonte de energia um gerador FV. O custo elevado dos módulos limita a sua utilização a aplicações específicas que necessitem uma alimentação fiável, tal como os sítios isolados pelos quais a conexão a uma rede de distribuição ou é impossível (porque é inexistente), ou demasiado dispendioso (porque é demasiado afastado).

O contexto energético global de redução das emissões de gases ao efeito de estufa, as directivas europeias sobre a utilização das fontes de energia renováveis e a desregulação do

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mercado de electricidade têm sido ou longo dos anos, alguns dos argumentos sociopolíticos de incentivo à produção descentralizada de electricidade.

Neste quadro, aparecem doravante instalações FV à pequena escala como o equipamento em tectos de habitações individuais ou colectivas. Este conceito de microgeração torna-se progressivamente rentável com o passar dos anos.

As instalações de grande potência, menos numerosas, tendem a multiplicar-se. A maior instalação até ao momento foi inaugurada em Setembro de 2006, em Arnstein na Alemanha: 12 MWp instalado sobre mais de 70 hectares. A capacidade de produção desta fábrica é cerca de 14 GWhe anuais.

Um projecto português, Serpa Solar Power Plant, de uma dimensão comparável (11 MWp em 60 hectares) concluído em Janeiro de 2007.

O sítio de Estufa, na Itália, operacional desde 1990 produz 4,6 GWhe anuais com 3,3 MWp de FV instalados (32000 m2 de módulos, Pp = 105 Wp/m2).

O preço de produção muito elevado dos campos FV é o principal travão económico ao seu desenvolvimento sobre o mercado mundial. As instalações a pequena e média escala constituem um mercado muito importante. São de resto elas que, hoje, mais contribuem para o desenvolvimento das fileiras industriais fotovoltaicas. Em 2009, o crescimento fotovoltaico na Europa foi de cerca de 8.1% em comparação com 2008, com 5485.1 MWp instalados no ano que leva a capacidade total a cerca de 15861,2 MWp [5].

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Figura 2.2 - Grelha de paridade na Europa – 2010 [7]

2.2.4 Conclusão

Finalmente, as vantagens da tecnologia fotovoltaica que contribuem para o favorecimento da sua utilização são:

• o jazigo solar mundial potencialmente importante,

• a sua fiabilidade e o seu vigor (sem peças em movimento), • a sua modularidade (flexibilidade do dimensionamento),

• o seu impacto ambiental quase nulo, excepto reciclagem (nenhuma emissão sonora). Por outro lado, dois inconvenientes essenciais vêm reduzir os benefícios da utilização desta tecnologia:

• a sua fraca potência específica devida a um fraco rendimento de conversão (de grandes superfícies instaladas),

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2.3 A energia Solar Térmica

A radiação solar fornece anualmente para a atmosfera terrestre cerca de 1,5 x 1018 kWh de energia. Energia essa absorvida pelos oceanos, massas de terra, mas maioritariamente pela atmosfera terrestre [11].

Consoante a localização geográfica, a captação dessa mesma energia varia juntamente com o seu aproveitamento. A potencialidade de captação de energia solar aumenta com a proximidade à linha imaginária denominada de linha equatorial.

Recorrendo à bio conservação, concentradores de calor e foto conservação, é possível converter a energia contida na radiação electromagnética em energia útil.

Analisando as diferentes tecnologias de conversão solar, consoante a gama de temperatura exigida pela aplicação, estas diferem, podendo desta forma considerar as categorias [12].

2.3.1 Sistema de Aquecimento Solar de Água

Os sistemas solares térmicos para aquecimento de água são talvez a aplicação mais comum e bem disseminada da energia solar. De uma forma genérica, um sistema solar térmico é constituído por um colector ou campo de colectores, um sistema de transferência de energia e um depósito de armazenamento. O componente principal de qualquer sistema solar é o colector solar. Este é um dispositivo que absorve a radiação solar incidente, a converte em calor e transfere este calor para um fluido (geralmente ar, água ou óleo) que flui através do colector. A energia solar é recolhida a partir do fluido que circula quer directamente para a água quente ou para um equipamento de espaço condicionado, ou para um tanque de armazenamento de energia térmica a partir do qual podem ser extraídas para uso durante a noite e/ou dias nublados. Existem basicamente dois tipos de colectores solares: não concentradores ou estacionários e concentradores. Um colector não concentrador tem a

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mesma área para interceptar e para a absorção de radiação solar, enquanto um colector solar concentrador tem geralmente superfícies reflectoras côncavas para interceptar e focar a radiação do sol para uma área de recepção menor, aumentando assim o fluxo de radiação. Os sistemas solares térmicos para aquecimento de água a baixas temperaturas (temperatura inferior a 100 ºC) podem dividir-se em dois tipos: Circulação Natural ou Termossifão e Circulação Forçada. Os sistemas solares térmicos também podem ainda ser classificados como directos ou indirectos. Nos sistemas directos, a água potável é aquecida directamente no colector e segue para o depósito de armazenamento, sendo esta água consumida pelo utilizador. Nos sistemas indirectos, a água potável é aquecida indirectamente por um fluido de transferência de calor. Depois de aquecido, este fluido vai transferir o calor para a água potável através de um permutador de calor que pode estar no interior ou exterior do depósito de armazenamento. Neste tipo de instalações, o fluido de transferência de calor e a água de consumo nunca se misturam. Na Tabela 2.4 estão indicados os vários tipos de sistemas solares térmicos existentes para aquecimento de água a baixas temperaturas.

Circulação Natural Circulação Forçada

Sistemas Termossifão Sistemas de circulação directa

Sistemas de aquecimento e arrefecimento ambiente

Sistemas de colector e depósito integrados (ICS)

Sistemas de aquecimento para piscinas

Sistemas produtores de calor para processos industriais Sistemas para unidades de dessalinização

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2.3.2 Colectores Planos

Este tipo de colector é o mais comum comercialmente, devido à sua simplicidade construtiva e baixo custo (comparativamente a outras tecnologias existentes no mercado). Destinam-se essencialmente à produção de água quente, para temperaturas inferiores a 60°C.

Este é formado por:

- Cobertura transparente: para provocar efeito de estufa, reduzir as perdas de calor e ainda assegurar a estanquicidade do colector.

- Placa absorsora: Recebe a energia e transforma a mesma em calor transmitindo-a para o fluido térmico que circula por uma série de tubos em paralelo ou serpentina.

- Caixa isolada: serve para evitar perdas de calor uma vez que deverá ser isolada termicamente, para dar rigidez e proteger o interior do colector dos agentes externos (ver figura 2.5).

16

2.3.2.1 Calculo Energético do Colector Plano

Considerando um colector imóvel, recebendo a radiação solar uniforme repartida e de forma constante, pelo qual circula o fluido térmico com um fluxo determinado.

O balanço energético de um CPC:

= + (Equação 2.7)

Onde Ui é Energia incidente total por unidade de tempo; Uu a Energia útil recolhida pelo

fluido térmico e Up a Energia perdida por dissipação ao exterior.

Temos que: = + Sabendo que: = × × × = × × ( − ) = × [ × × − × ( − )

Onde, é Superfície do painel – corresponde à área de abertura transparente (m²); a Radiação Global incidente sobre o colector por unidade de área; a Transmitância da cobertura transparente; a absorvência da placa absorvedora; o coeficiente Global de perdas; a temperatura média da placa absorvedora (°C); a temperatura média do fluido (°C) e : Temperatura ambiente (°C).

A temperatura média da placa absorvedora não se pode calcular de forma simples, mas pode-se conhecer com suficiente exactidão a temperatura do fluido térmico no instante em que este circula pelo colector. Uma forma simples de obter esta temperatura é calcular a média entre a temperatura do fluido á entrada e à saída do colector.

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= +₂

Substituindo a temperatura da placa absorvedora , desconhecida no momento, pela temperatura do fluido , terá de ser introduzido um factor de correcção ′, chamado de factor de irrigação, 0 < < 1, que faz com que o valor de calor diminua. Este factor depende do fluxo do fluido e das características da placa.

A equação anterior poderá ser reescrita como:

%& = '_{× × [ × × − ( − )]}

Conhecida como equação de Bliss.

2.3.3 Colectores CPC

Este tipo de colectores combina as propriedades dos colectores planos com a capacidade de produzir temperaturas superiores a 70°C, como os concentradores convencionais do tipo de lentes [14]. A diferença fundamental entre estes colectores e os planos está na geometria da superfície de absorção. No caso dos CPC's a superfície absorvedora é constituída por uma grelha de alhetas em forma de acento circunflexo, colocadas por cima de uma superfície reflectora. A captação solar realiza-se nas duas faces das alhetas, já que o sol incide na parte superior das alhetas e os raios que são reflectidos acabam por incidir na parte inferior das alhetas, aumentando assim ainda a temperatura do fluido com menores perdas térmicas (ver figura 2.14).

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Figura 2.4 - Colector CPC [15]

2.3.4 Colectores de Tubos de Vácuo

Este tipo de sistemas elimina as perdas por convecção criando uma zona de vácuo entre dois tubos, um exterior em vidro transparente e tubos interiores metálicos (absorvedores), reduzindo deste modo o coeficiente de perdas e resultando num aumento dos rendimentos a altas temperaturas.

A existência de vácuo entre o tubo externo e interno permite também que seja possível manobrar o painel sem qualquer risco de sofrer queimaduras, uma vez que os tubos internos podem atingir temperaturas de 150ºC [16].

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Existem ainda mais vantagens associadas à utilização de vácuo. Esta zona de vácuo além de funcionar como um isolador de calor, criará também uma redução de pressão no tubo interno fazendo com que a temperatura de ebulição da água desça dos normais 100ºC para 30ºC, apenas mais 6ºC que a temperatura ambiente. Após a mudança de estado da água para vapor, este sobe pelo tubo e quando atinge o topo, o vapor passa pelo condensador e irá aquecer a água da rede. Consequentemente, haverá uma descida de temperatura a quando da passagem do vapor pelo condensador, fazendo com que o vapor de água retorne ao seu estado líquido e retorne ao fundo do tubo iniciando um novo ciclo [17].

Este tipo de tecnologia, apesar de simples, contém um elevado número de processos durante o seu fabrico e um apertado controlo de qualidade, ou seja, custos elevados de fabrico e posteriormente valor comercias elevados [13]. Porém a pouca ou quase nula manutenção deste tipo de sistemas, faz com que um investimento inicial passe a ter um caracter menos grave quando comparado com outros sistemas.

2.3.5 Tanque de armazenamento

Uma vez que a energia fornecida pelo sol pode ser intermitente e desfasada da utilização de água quente/calor, é necessário armazenar o calor gerado pela radiação solar para que esta possa ser utilizada em períodos de menor radiação solar ou durante a noite.

Dependendo das aplicações diferenciam-se os tipos de tanques de armazenamento tendo em conta a força de compressão e o material. Consoante a ligação e transferência de calor entre o colector solar e o depósito, os tanques podem ser:

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i. Tanque de armazenamento (sem permutador de calor) para circuito directo:

Fluido que circula nos colectores solares é a água de consumo. Este circuito acarreta problemas de corrosão e calcificação das tubagens, pelo que se encontra em desuso (Figura 2.16 à esquerda).

ii. Tanque de armazenamento (com permutador de calor) para circuito primário:

Nos colectores circula um fluido térmico em circuito fechado e com permuta térmica para o circuito de consumo (secundário) num permutador de calor interior ou exterior ao depósito. Esses tanques são os mais utilizados actualmente (Figura 2.16 à direita)

Figura 2.6 - Tipos de tanque de armazenamento [22]

Relativamente ao material utilizado, os tanques de armazenamento classificam-se em tanques de pressão ou tanques de superfície livre.

Os tanques de pressão estão disponíveis em aço inoxidável, esmaltados ou revestidos em plástico. Comparativamente com outros tanques de aço os tanques de armazenamento de aço inoxidável são mais leves e com menores necessidade de manutenção, mas mais caros em relação aos tanques de aço esmaltado. O aço inoxidável é contudo mais sensível a águas

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com muito cloro. Os tanques esmaltados têm que ser equipados com magnésio ou com um ânodo externo para protecção contra a corrosão (fissuras no esmalte). Também estão disponíveis tanques de aço revestidos de plástico mais barato. O revestimento dos tanques (sensível a temperatura> 80ºC) não deve ser poroso. Testes realizados à maioria dos revestimentos de plástico tem apresentado problemas de fiabilidade. Os tanques de plástico de superfície livre apresentam sensibilidades a temperaturas muito elevadas.

Tipo Tanque de Pressão Tanque de

Superfície Livre

Tanque de água potável Aço inoxidável, Aço esmaltado e Aço revestido de plástico

Tanque de armazenamento

regulador Aço Plástico

Tanque de armazenamento Combi

Aço, Aço inoxidável, Aço

esmaltado e Aço revestido de plástico

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3

As tecnologias de armazenamento de

energia eléctrica

3.1. Introdução

O armazenamento de energia elétrica no seu estado natural apresenta inúmeras dificuldades. Quase sempre o seu armazenamento realiza-se pela conversão em outra forma de energia mais fácil de confinar, como é exemplo a energia química das baterias. O armazenamento electromagnético é apenas possível em condensadores e bobinas, respectivamente na forma de um campo eléctrico ou magnético, podendo este ser dinâmico. Por sua vez, o armazenamento electroquímico é utilizado em regime estacionário.

Após uma curta recordação do funcionamento deste tipo de armazenamento, serão detalhadas as principais características das baterias de chumbo. Esta tecnologia possui um progresso experimental com mais de cinquenta anos, nomeadamente graças às aplicações automóveis. O seu baixo custo e a sua excelente taxa de reciclagem fazem destas baterias um actor incontornável do armazenamento nos sistemas eléctricos. As baterias de lítio serão evocadas seguidamente. Esta tecnologia prometedora faz o objecto de numerosos esforços de I&D embora atingindo uma certa maturidade no domínio das aplicações portáteis, este tipo de acumulador ainda é pouco utilizado nas aplicações estacionárias mas representa uma interessante solução de substituição da tecnologia de chumbo, a médio prazo.

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3.2.

Princípio geral de funcionamento de uma bateria

Dois eléctrodos, um positivo e o outro negativo, são separados por um electrólito. As duas conversões eléctrodo-electrólito intervêm das reacções electroquímicas.

No ânodo (eléctrodo negativo em descarga) ocorre uma reacção de oxidação de acordo com a fórmula seguinte:

M1 → M1n+ + n e-, com potencial de redução E1; M1 a espécie activa do ânodo.

Os electrões libertados transitam no circuito externo para atingir finalmente o cátodo (eléctrodo positivo em descarga) onde irá ocorrer uma reacção de redução de acordo com:

M2n+ + n e- → M2, com potencial de redução E2; M2 a espécie activa do cátodo.

O electrólito assegura o transporte da espécie iónica referida na reacção total de oxidação/redução, que se escreve: M1 + M2n+ → M1n+ + M2.

A força electromotriz E deste conversor calcula-se de acordo com: E = E2 - E1.

Figura 3.1 - Princípio de produção de electricidade num conversor electroquímica

A Figura 3.1 apresenta o funcionamento de um acumulador em descarga. Ao contrário das pilhas electroquímicas, as reacções oxidação/redução que intervêm nas baterias são reversíveis. Pode-se por conseguinte, com a ajuda de uma fonte externa, fornecer corrente à bateria que funcionará então em carga e as reacções irão efectuar-se contrariamente.

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A capacidade (em Ah) do conversor electroquímico é directamente ligada a quantidade das matérias activas intervenientes na reacção oxidação/redução. Confere além disso ao conversor o seu papel de acumulador de energia, do qual a expressão é, em cada momento, o produto da capacidade (em carga ou descarga) e a tensão aos limites do acumulador. A tecnologia de acumuladores é muito diversificada. Pode-se citar os principais tipos:

• Acumuladores a chumbo;

• Acumuladores de níquel com electrólito alcalino (KOH), níquel/cádmio, níquel/hidruro metálico, níquel/hidrogénio, níquel/ferro;

• Acumuladores alcalinos níquel/zinco e MnO2/zinco;

• Acumuladores alcalinos metal/ar: ar/zinco, ar/ferro, ar/magnésio;

• Acumuladores selados a sódio com electrólito sólido de alumínio que funcionam a elevada temperatura (300°C): sódio/enxofre, sódio/cloreto de níquel;

• Acumuladores a lítio com electrólito de sal derretido a 450°C: LiAl/FeS ou FeS2;

• Acumuladores a lítio que funcionam à temperatura ambiente da qual o eléctrodo positivo é um composto de inserção num óxido metálico:

- com electrólito polímero sólido e ânodo de lítio metálico em filmes finos Li/MOx;

- ou com electrólito orgânico líquido ou polímero plastificado com eléctrodo negativo com inserção LixC6/MOy;

3.3 As baterias a chumbo

O funcionamento das baterias ao chumbo [8] é baseado na reacção oxidação/redução traduzidas nas seguintes equações químicas:

No ânodo: Pb + H2SO4 → Pb2+ + SO42- + 2H+ + 2e- E0= -0,36V (Equação 2.1)

No cátodo: PbO2 + H2SO4 + 2e- → Pb2+ + SO42- + 2OH- E0= 1,68V (Equação 2.2)

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Quando se dá a descarga, o chumbo do eléctrodo negativo oxida-se em Pb2+ e perde dois electrões (equação 2.1). No cátodo, o óxido de chumbo PbO2 ganha dois electrões aquando

da sua redução em Pb2+ (equação 2.2). Os protões produzidos no ânodo e os iões hidróxidos produzidos no cátodo recombinam-se em água H2O (equação 2.3).

As descargas demasiado profundas podem conduzir a uma perda irreversível de capacidade. Três causas são possíveis na ocorrência deste fenómeno:

• Transformação irreversível de uma parte da matéria activa do eléctrodo positivo (PbO2) em cristais de sulfato de chumbo;

• Inflação progressiva e perda de coesão da matéria activa do eléctrodo positivo; • Passivação electrónica do colector de corrente do eléctrodo positivo.

Aquando da carga, produzem-se as reacções opostas dos precedentes. Tipicamente, a tensão de célula evolui em carga e descarga como se segue:

Figura 3.2 - Curvas de carga e descarga de uma célula elementar de bateria a chumbo

Se a carga prosseguir por demasiado tempo, a tensão pode atingir o valor V, valor limiar a partir do qual ocorre a decomposição da água (electrólise) em oxigénio O2 gasoso ao

eléctrodo positivo e em hidrogénio H2 gasoso ao eléctrodo negativo.

Este fenómeno dito de desgaseificação é caracterizado pelas reacções seguintes aos eléctrodos:

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No ânodo: 2H+ + 2e- → H2 (Equação 2.4)

No cátodo: H2O → 1/2O2 + 2H+ + 2e- (Equação 2.5)

Reacção global: H2O → 1/2O2 + H2 (Equação 2.6)

A densidade teórica de energia deste casal electroquímico é de 170 Wh/kg. Contudo, o sulfato de chumbo produzido pelas reacções aos dois eléctrodos é insolúvel e não condutor. A sua acumulação sobre os eléctrodos, e em menor escala no electrólito, limita por conseguinte a energia que pode ser extraída da bateria. Também, as concentrações e as quantidades de massas activas são inferiores às que conduzem a este valor. A densidade prática de energia é próxima de 40 Wh/kg, ou seja quatro vezes menos que o máximo teórico

3.3.1 Os diferentes tipos de baterias de chumbo

Os acumuladores de chumbo são divididos em duas grandes famílias: as baterias abertas (Vented Batteries) e as baterias seladas (Valve Regulated Lead Acid Batteries).

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3.3.2 Baterias “clássicas” ou abertas

Para este tipo de bateria, a célula não é fechada. A quantidade de electrólito (composto tipicamente por 65% de água e 35% de ácido sulfúrico) pode diminuir devido às ocorrências sucessivas do fenómeno de “gassing” bem como a evaporação natural. A bateria necessita por conseguinte de manutenção no curso da qual o nível do electrólito deve ser reajustado com a água desionizada para o bom funcionamento do acumulador.

Por último, estas baterias devem encontrar-se num lugar suficientemente ventilado porque a libertação gasosa que podem produzir torna-se explosiva quando a proporção de hidrogénio no ar atinge 4% em volume.

3.3.3 Baterias VRLA (Valve Regulated Lead-Acid)

Estas baterias também são chamadas de baterias “sem manutenção”. Aqui, a célula é fechada. O electrólito é imobilizado sob a forma de gelo (adição de sílica com elevada superfície específica), ou ainda retido num separador de fibra de vidro com elevado poder capilar (AGM, absorve Dobre Mate). Os gases produzidos durante o “gassing” permanecem por conseguinte “cativos” no gelo e são recombinados (novamente consumidos) durante a descarga. O consumo de água e a emissão de gases são por conseguinte extremamente fracos. Existem dois tipos principais de tecnologias relativas ao eléctrodo positivo PbO2: esta pode ser quer uma placa plana, quer tubular. As placas planas

são constituídas de grelhas formadas por uma mistura de chumbo à qual é acrescentado 5% de antimónio puro, mistura betuminosa na matéria activa. Esta disposição permite potências superiores graças ao aumento das superfícies de troca eléctrodo/electrólito. Em contrapartida, para as placas tubulares, a matéria activa é encarcerada em bainhas porosas. A transmissão da corrente é então assegurada por espinhas de chumbo dispostas nestas

29

bainhas. Esta tecnologia permite aumentar a duração de vida, especialmente em ciclo profundo, mas a um preço superior.

3.3.4 Desempenhos técnicos

O quadro seguinte resume os principais dados técnicos das baterias a chumbo.

Temperatura de funcionamento -20 a +50 ºC

Energia 25/45 Wh/kg

60/120 Wh/dm3

Número de ciclos profundos 300/1500

Potência especifica 80/150 W/kg

Rendimento Energético : de 60 a 95% Faradico : de 65 a 100%

Auto-descarga 2 a 10% para mais de 25 oC

Manutenção Supervisionar o nível de água para as baterias (abertas) não firmemente todos os 2 meses

Sulfatação do electrólito no caso de armazenamento prolongado

Impacto Ambiental O chumbo é tóxico

Reciclagem (≈100%) por redução dos óxidos de chumbo e de triagem pneumática ou hidráulica dos plásticos (polipropileno)

Segurança Ácido sulfúrico: corrosivo

Problemas de sobrepressão do hidrogénio no caso de sobrecarga

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3.3.5 Contexto industrial e económico

O mercado das baterias de chumbo é um importante desafio industrial. Refere-se tanto às baterias de arranque (SLI, Starting Lighting Ignition) como à maior parte das baterias estacionárias. Existindo um grande número de produtores das mesmas: Panasonic, Hawker ou GP Bateries, CEAC, Fulmen ou Varta. O mercado é por conseguinte muito concorrencial. O custo das baterias de chumbo varia entre 50 e 150 Euros/kWh, que é um dos mais baixos entre os sistemas de armazenamento. É uma das principais razões pelas quais as baterias de chumbo são muito utilizadas. Este custo é quase incompreensível, devido á grande maturidade da tecnologia.

A taxa de reciclagem da bateria de chumbo atinge praticamente 100% que pertence às vantagens deste tipo de acumulador apesar da elevada toxicidade do seu principal material, o chumbo.

3.4 As baterias de lítio

A utilização e a diversidade incessantemente crescentes das aplicações eléctricas conduziram ao desenvolvimento de novas tecnologias de armazenamento.

Os esforços efectuados em matéria de investigação e desenvolvimento permitiram ver aparecer novas tecnologias de armazenamento electroquímico como os sistemas Redox, os sistemas de armazenamento via o hidrogénio ou as baterias de lítio, desenvolvidas neste parágrafo.

O elemento lítio apresenta características físico-químicas interessantes: • Forte potencial oxidação/redução: ELi/Li+ = - 3,04 V/ENH;

• Massa molar fraca: M= 6,94 g/mol; • Capacidade específica = 3,87 Ah/g.

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O ânodo utilizado como matéria activa, permite obter baterias com forte potencial energético. Mas a sua reactividade com o meio ambiente (nomeadamente com o ar) faz do lítio um material difícil de manipular no estado metálico.

Existe três grandes famílias de baterias de lítio: Lítio metálico, Lítio - Íon e Lítio - Polímero.

A tecnologia “Lítio metálico” é cada vez menos explorada devido aos problemas de segurança que gera. Para contornar esta dificuldade, foram desenvolvidos materiais “hóspedes”, permitindo acolher na sua estrutura o elemento lítio no estado iónico.

No caso das baterias de lítio-Íon, no processo de recarga são inseridos iões lítio na estrutura do eléctrodo negativo em carbono grafitado (ver Figura 2.8). Durante a descarga, o ânodo liberta estes iões que vêm colocar-se na estrutura do cátodo.

O eléctrodo positivo é constituído de um óxido do tipo LiMO2. Actualmente são utilizados

três destes óxidos nestas baterias: LiCoO2, LiNiO2 e LiMn2O4. O separador é constituído

de uma membrana polímera micro porosa e o electrólito é uma solução de LiPF6 numa

mistura de solventes orgânicos.

Figura 3.4 - Esquema do princípio de funcionamento da bateria Li-Íon [10]

As suas energias mássicas e volúmicas são muito elevadas, respectivamente de aproximadamente 120 Wh/kg e 200 W/kg. Tem variações de tensão de maneira bastante linear com a profundidade da descarga e é relativamente pouco influenciada pela

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temperatura bem como pela potência de descarga. Esta característica pode ser positiva para a estimativa do estado de carga. O respeito pelas tensões de fim de carga é primordial para preservar a duração de vida da bateria e para evitar qualquer problema de segurança. Com efeito, no caso de sobrecarga, a estrutura dos eléctrodos pode ser alterada de maneira irreversível e pode-se assistir à criação de um depósito de lítio metálico que conduz à deterioração do acumulador ou mesmo à sua inflamação se o lítio entrar em contacto com o ar.

3.4.1 As baterias de Lítio - Polímero

Com o objectivo de aumentar a densidade de energia bem como a segurança e a duração de vida das baterias de lítio, foi encarada a substituição do electrólito líquido por um electrólito sólido. Os riscos de contactos directos ânodo/cátodo são assim evitados e a matriz de inserção de carbono pode ser suprimida aumentando a quantidade de energia da bateria. Estas baterias são por conseguinte extremamente compactas (Figura 2.9) e apresentam uma energia específica elevada (de aproximadamente 150 Wh/kg).

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Os metais utilizados no eléctrodo positivo são o vanádio (V), o níquel (Ni), o manganês (Mn) e o cobalto (Co). O electrólito polímero deve possuir boas características mecânicas. A sua condutividade iónica é melhorada pela adição de sais condutores.

Contudo, esta condução permanece fraca e limita à potência em descarga, em cerca de 250 W/kg durante alguns de segundos.

A tensão durante a descarga varia pouco com a intensidade da corrente e esta tensão pode então ser utilizada com a finalidade de fornecer uma estimativa do estado de carga. Durante a carga não existe nenhuma reacção química secundária, o que explica os rendimentos energéticos muito elevados (entre 90 a 100%).

34

3.4.2 Desempenhos técnicos

Tipo Li Íon (4V) Li Polímero (3V)

Temperatura de funcionamento 0 a +50 0C +60 a +90 oC Energia - 80 a 120 Wh/kg - 150 a 250 Wh/dm3 - 100 a 150 Wh/kg - 150 a 220 Wh/dm3 Numero de ciclos profundos 200 a 1000 300 a 600 Potencia especifica permanente /30s 50 a 200 W/Kg 50 a 250 W/Kg Rendimento - Energético : de 85 a 100% - Farádico : de 90 a 100% - Energético : de 90 a 100% - Farádico : de 90 a 100% Auto – Descarga

10% por mês 2 semanas a quente

alguma % por ano a frio

Impacto ambiental

- sais de lítio e óxidos reciclados - solventes polímeros e carbono inerte - utilização do cobalto ⇒ muito tóxico

Segurança

- problema de estabilidade mecânico (Li-Íon)

- aquecimento e riscos de explosão em sobrecarga (Li) - armazenamento longa duração: 30 a 50% da SOC.

35

3.4.3 Contexto industrial e económico

O custo das baterias de lítio escalona-se de 700 a 1000 €/kWh. As matérias-primas são caras: grafite, cobalto, etc. À excepção das aplicações portáteis, os volumes de produção são ainda muito baixos, o que justifica os custos ainda muito altos.

Os bons desempenhos em termos de ciclos e zona de regime de descarga fazem das baterias de lítio um potencial candidato para armazenamentos a curto termo. Mas os seus numerosos inconvenientes (reciclagem, custo, desempenhos a elevadas temperaturas, segurança…) autorizam a sua utilização apenas a longo termo.

3.5 Conclusão

Existe uma grande diversidade de meios de armazenamento de energia, cada um adaptado a uma dada aplicação. As baterias de chumbo respondem bem à problemática do armazenamento a curta duração nas aplicações estacionárias isoladas. É de resto a tecnologia mais utilizada hoje em dia para este tipo de aplicação. Beneficiam de um progresso de experiência com mais de cinquenta anos. A produção em massa das baterias de arranque permitiu atingir custos muito competitivos. Permanecem contudo o problema referente à sua duração de vida (tipicamente entre 5 a 8 anos de acordo com as condições de utilização) bem como as limitações de carga/descarga. A sua substituição por novos tipos de baterias é esperada a médio ou longo termo. Em alternativa, as baterias de lítio apresentam desempenhos interessantes. Mas necessitam ainda de desenvolvimentos consequentes antes de encarar a sua utilização nos sistemas eléctricos além dos portáteis e automóveis. As novas tecnologias associadas ao hidrogénio como vector energético parecem ser, em numerosos pontos, prometedores.

37

4

Modelos dinâmicos de

processos climáticos e de produção em

estufas

4.1. Introdução

Uma estufa é uma estrutura que tem como objectivo absorver o calor proveniente do Sol e mantê-lo aprisionado no seu interior. A estufa de plantas, além de proteger a planta contra possíveis ameaças externas, mantém a temperatura interna controlada de acordo com a entrada de radiação solar e pela gestão dos fluxos caloríficos internos e deste com o exterior. Numa estufa onde a fonte de calor é o sol, normalmente utilizada para cultivar (plantas, árvores etc.),o aquecimento dá-se essencialmente porque a convecção é suprimida ou controlada. Não há troca de ar entre o interior e o exterior, sendo assim a energia que entra pela radiação solar que aquece o ambiente interno não é perdida com as correntes acendestes que transportariam o calor. Ela é construída por materiais transparentes, que permitem a passagem de praticamente toda a radiação solar. Esta radiação aquece o solo da estufa e todo corpo aquecido emite radiação infravermelha. A radiação infravermelha aquece o ar das camadas inferiores da estufa, formando correntes de convecção (massas de ar quente sobe e massas de ar frio descem) que vão levar o ar quente para as camadas superiores da estufa, sendo que, este ar é impedido de se propagar para o ambiente externo. A radiação infravermelha também é impedida de se propagar para o ambiente externo pelas paredes da estufa.

Para que se aplique convenientemente uma estratégia de controlo óptima ou de gestão eficiente é necessário possuir modelos dinâmicos precisos que descrevam a evolução das variáveis de estado do processo de produção horticultural em estufas, função dos valores passados das variáveis de estado, das acções de controlo e das entradas exógenas. Na figura

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4.1 está representado um diagrama de blocos do processo considerado a identificar, modelo climático e modelo de crescimento da plantação.

Figura 4.1 - Diagrama esquemático do processo de produção na estufa

O estado do processo de produção é representado por variáveis relativas à cultura tal como o peso seco, bem como as variáveis que descrevem o clima interior tal como a temperatura, humidade, concentração do CO2 no ar e temperatura do solo. As entradas de controlo são o

aquecimento, cujo fornecimento de energia é usado para subir a temperatura do ar, a ventilação que afecta as trocas de ar entre o interior e o exterior, o fornecimento de CO2 que

é usado para subir a concentração de dióxido de carbono na estufa e o ecrã que impede essencialmente maiores perdas de calor por radiação durante a noite. Assim como o clima interior é pouco isolado do clima exterior, as condições climáticas exteriores ou entradas exógenas tal como a radiação solar, temperatura exterior, velocidade do vento, humidade e dióxido de carbono tem um forte impacto no balanço energético e de massa no interior da estufa.

Para o desenho de um sistema de controlo é necessário uma descrição integrada do sistema climático e da resposta da plantação. Em primeiro lugar, o modelo dinâmico de crescimento da plantação do feijão-verde e do clima da estufa são descritos, calibrados e validados em separado, respectivamente na secção 3.3 e 3.4. Por último na secção 3.5, os modelos de crescimento das plantas e climático da estufa são integrados num modelo global do processo de produção na estufa. São descritos dois modelos de crescimento da plantação de feijão-verde. O primeiro, a plantação é representada por duas variáveis de estado, o peso da

Sistema climático da estufa Plantação - Aquecimento - Fornecimento de CO2 - Ventilação - Ecran - Concentração de CO2 - Humidade - Temperatura do ar - Velocidade do vento Radiação solar Produção (peso seco) Conc. de CO2 Humidade Temp. do ar

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matéria seca total sem frutos e o peso da matéria seca dos frutos, na qual não se considera a existência de armazenamento temporário dos hidratos de carbono, ou seja, mal haja produção na fotossíntese de hidratos de carbono logo são convertidos em matéria estrutural. Este modelo é em tudo semelhante ao modelo SUCROS-87 [28]. O segundo modelo, o estado da plantação é representado por três variáveis de estado, especificamente o peso seco da matéria estrutural (peso total + vagens) e pelo peso seco da matéria não estrutural. Neste último caso considera-se a existência de um armazenamento temporário da matéria produzida na fotossíntese antes de ser convertidas em matéria estrutural [29][30]. No modelo está incluída a dependência da transformação da matéria não estrutural em estrutural com a temperatura.

4.2. Materiais e métodos

Os dados de calibração e validação dos modelos dinâmicos do processo de produção na estufa agrícola, foram obtidos nos dias 26 de Dezembro de 1997 a 18 Maio de 1998, numa plantação de feijão-verde cultivada numa estufa localizada na Universidade de Trás-Os-Montes e Alto Douro, em Vila Real, experiência realizada pelo Prof. Dr. Paulo Salgado, docente na mesma universidade e orientador desta dissertação. São também da sua autoria os modelos (climáticos e de crescimento das plantas) e respetivos parâmetros aqui apresentados neste capítulo, sendo aqui devidamente aferidos e validados com os dados experimentais.

A estufa modelada neste trabalho é do tipo hidrosol e está orientada de Este para Oeste com uma área de cultivo de aproximadamente 200 m2. Possui solo em terra de cultivo, cobertura dupla em polietileno, um sistema de aquecimento a caldeira a gás, com radiador ventilado, um sistema de ventilação com capacidade de renovação de ar.

Após análise e esterilização químicas do solo, foi semeada com uma densidade de 2,5 plantas por metro quadrado de solo, em 6 filas com orientação Este-Oeste a plantação de feijão-verde. Durante todo o período da experiência foi monitorizado o estado de sanidade