An. 6. Enc. Energ. Meio Rural 2006
Sistema de geração de energia elétrica com módulos solares fotovoltaicos para o carregamento de baterias de uma cadeira de rodas elétrica
Rafael Pimenta MesquitaI; Teófilo Miguel de SouzaII
IEngenharia Elétrica - Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá. Av. Ariberto Pereira da Cunha, 333 - Bairro Pedregulho -12516-410 - Guaratinguetá - SP - E-mail: pimentamesquita@gmail.com
IIEngenharia Elétrica - Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá. Av. Ariberto Pereira da Cunha, 333 - Bairro Pedregulho -12516-410 - Guaratinguetá - SP.E-mail: teofilo@feg.unesp.br
RESUMO
Energia Renovável é todo o tipo de energia produzida a partir de uma fonte natural que não diminui pelo fato da sua utilização ser "renovável" [1]. Cada vez mais são utilizados recursos energéticos renováveis, pois estes oferecem múltiplas vantagens tais como a facilidade de produção de energia em pequena escala e por serem totalmente compatíveis com o meio ambiente. A energia renovável utilizada neste projeto é a energia solar fotovoltaica, conseguida pela conversão direta da energia solar em energia elétrica através do uso de células solares, podendo estas ser de vários tipos, sendo as mais comuns de silício. A grande vantagem do sistema fotovoltaico é a geração de energia elétrica limpa, ou seja, gera energia sem emitir poluente e sem destruir o meio ambiente além de se tratar de uma fonte inesgotável de energia. A principal desvantagem é, ainda, o alto custo e sua baixa eficiência, sendo assim, para que possa continuar desenvolvendo-a é necessário estabelecer mecanismos capazes de viabilizá-la. A busca destes mecanismos de incentivo torna-se muito importante, pois os energéticos renováveis e não convencionais não produzem um retorno financeiro ao investidor propriamente dito, trazendo sim grandes benefícios à comunidade, a sociedade e ao meio ambiente. Este projeto tem o propósito de criar um sistema de geração de energia elétrica através de módulos solares fotovoltaicos para carregar baterias de uma cadeira de rodas motorizada. Uma cadeira de rodas elétrica é movida por motores elétricos de corrente contínua que são alimentados por baterias, permitindo uma autonomia média de 10km por carga. As baterias são recarregadas por um carregador de baterias. Esta operação deverá ser realizada diariamente num espaço de 6 a 8 horas. De acordo com o Censo Demográfico de 2000 realizado pelo IBGE, o Brasil tem cerca de 1.416.060 deficientes físicos sendo que 861.196 são homens e 554.864 são mulheres. Foi a partir de um pedido de um usuário de cadeira de rodas elétrica que surgiu a idéia deste projeto. Tal usuário reclamava que ficava muito tempo carregando sua cadeira e tinha pouco tempo para utilizá-la. O objetivo é analisar a confiabilidade, a eficiência e os custos para a implantação de tal sistema. A principal finalidade é o aumento da autonomia, a economia de energia elétrica e dar maior liberdade do usuário.
Palavras-chave: Energia Solar Fotovoltaica, Cadeira de Rodas Motorizada, Baterias e Motores.
ABSTRACT
Renewable energy is all kind of energy produced from a natural source that not diminish because its utilization is "renewable" [1]. More and more renewable energy resources are used, because they offer multiple advantages such as the energy output facility in small scale and because they are entirely compatible with the environment. The renewable energy used in this project is the photovoltaic solar energy, obtained by the direct conversion of the solar energy in electric energy through the use of solar cells, that can be of several kinds, being the most common of silicon. The main advantage of photovoltaic system is the generation of clean electric energy, or either, generates energy without emitting pollutant and without destroying the environment, moreover is an inexhaustible source of energy. The main disadvantage is, nowadays, the high cost and its low efficiency, so to continue developing it is necessary establish capable mechanisms to make it possible. The search of these mechanisms of incentive becomes-itself a lot important, because the renewable energy and not conventional do not produce a financial return to the investor properly said, but brings lots of benefits to the community, the society and to the environment. This project has the purpose of create an electric energy generation system through solar photovoltaic modules to carry batteries of a motorized wheelchair. An electric wheelchair is moved by electric motors of direct current that are feed by batteries, permitting a medium autonomy of 10km by load. The batteries are recharged by a battery supplier. This operation should be carried out daily in a space of 6 to 8 hours.According to the Demographic Census realized in 2000 carried out by the IBGE, Brazil has around 1.416.060 physical deficient, which 861.196 are men and 554.864 are women. From a request of a user of electric wheelchair the idea of this project was shown up. The user complained that he stayed a long time carrying his seat and had short time to use it. The goal of this project is analyze the reliability, the efficiency and the costs to implement this system. The main purpose is the increase of the autonomy, the saving of electric energy and to give more freedom to the user. Renewable energy is all kind of energy produced from a natural source that not diminish because its utilization is "renewable" [1]. More and more renewable energy resources are used, because they offer multiple advantages such as the energy output facility in small scale and because they are entirely compatible with the environment.
Texto principal
1- Introdução: [4]
Edmond Becquerel, em 1839, observou pela primeira vez a conversão de energia solar em energia elétrica. Ele constatou uma diferença de potencial nos extremos de uma estrutura de material semicondutor quando exposto à luz. O primeiro aparato fotovoltaico foi montado em 1876 mas só em 1956 iniciou-se a produção industrial.
O efeito fotovoltaico dá-se em materiais denominados semicondutores que se caracterizam pela presença de bandas de energia onde é permitida a presença de elétrons (banda de valência) e de outra onde totalmente "vazia" (banda de condução).
O semicondutor mais usado é o silício. Seus átomos se caracterizam por possuírem quatro elétrons que se ligam aos vizinhos, formando uma rede cristalina. Ao adicionarem átomos com cinco elétrons de ligação, como o fósforo, por exemplo, haverá um elétron em excesso que não poderá ser emparelhado e que ficará "sobrando", fracamente ligado a seu átomo de origem. Isto faz com que, com pouca energia térmica, este elétron se livre, indo para a banda de condução. Diz-se assim, que o fósforo é um dopante doador de elétrons e denomina-se dopante n ou impureza n.
Se, por outro lado, introduzem-se átomos com apenas três elétrons de ligação, como é o caso do boro, haverá uma falta de um elétron para satisfazer as ligações com os átomos de silício da rede. Esta falta de elétron é denominada buraco ou lacuna e ocorre que, com pouca energia térmica, um elétron de um sítio vizinho pode passar a esta posição, fazendo com que o buraco se desloque. Diz-se, portanto, que o boro é um aceitador de elétrons ou um dopante p.
Se, partindo de um silício puro, forem introduzidos átomos de boro em uma metade e de fósforo na outra, será formado o que se chama junção pn. O que ocorre nesta junção é que elétrons livres do lado n passam ao lado p onde encontram os buracos que os capturam; isto faz com que haja um acúmulo de elétrons no lado p, tornando-o negativamente carregado e uma redução de elétrons do lado n, que o torna eletricamente positivo. Estas cargas aprisionadas dão origem a um campo elétrico permanente que dificulta a passagem de mais elétrons do lado n para o lado p; este processo alcança um equilíbrio quando o campo elétrico forma uma barreira capaz de barrar os elétrons livres remanescentes no lado n.
Se uma junção pn for exposta a fótons com energia maior que o gap, ocorrerá a geração de pares elétron-lacuna; se isto acontecer na região onde o campo elétrico é diferente de zero, as cargas serão aceleradas, gerando assim, uma corrente através da junção; este deslocamento de cargas dá origem a uma diferença de potencial ao qual chamamos de Efeito Fotovoltaico. Se as duas extremidades do "pedaço" de silício forem conectadas por um fio, haverá uma circulação de elétrons. Esta é a base do funcionamento das células fotovoltaicas.
2- Desenvolvimento
Em uma cadeira de rodas motorizada as baterias precisam ser carregadas durante oito horas para se ter uma autonomia média de 10km. Este projeto tem como finalidade instalar um sistema de geração de energia a partir de módulos solares fotovoltaicos aumentando a autonomia da cadeira e diminuindo o tempo de carregamento das baterias.
A idéia inicial era acoplar o sistema de geração de energia fotovoltaica em uma cadeira de rodas motorizada convencional. Devido ao alto custo, a aquisição de uma cadeira de rodas motorizada para a realização dos testes tornou-se inviável. Sendo assim foi proposto a motorização de uma cadeira de rodas manual.
Para realizar tal motorização foram utilizados: um motor de 280W/24V, duas baterias de 12V/45Ah ligadas em série, um comando de acionamento dos motores (frente/ré), um comando de direção (esquerda/direita) e um velocímetro.
Para instalar o sistema de geração de energia através de módulos fotovoltaicos é preciso dimensionar os módulos solares e o controlador de carga. Este dimensionamento leva em consideração a radiação solar da região, os dias sem sol, a especificação dos motores e das baterias, a eficiência dos componentes entre outros fatores.
Foi realizado o dimensionamento e chegou-se a conclusão que seriam usados dois módulos solares de 22W cada um e um controlador de carga de 24V/20A. Cada módulo é capaz de fornecer 6,55Ah por dia, possuindo 55,9cm de comprimento, 40,7cm de largura, 2,5cm de espessura e um peso de 3,2kg. O controlador de carga permite o controle do limite de carga que as baterias podem receber evitando a sua queima por sobrecarga, aumentando o ciclo de vida destas baterias. O Controlador de Carga proporciona uma sensível redução de custos, maior segurança e eficiência no controle de carga das baterias.
Para um maior aproveitamento do sol a montagem da estrutura dos módulos solares possui três posições: horizontal, inclinada para cima ou inclinada para baixo. O usuário pode, ainda, remover a estrutura nos períodos escuros.
Quando o usuário não conseguir carregar as baterias pelo Sistema Fotovoltaico ele poderá carregar do modo convencional (carregador de bateria).
Para analisar os custos para implementar tal sistema foi realizada uma pesquisa minuciosa dos componentes utilizados. Nesta pesquisa foram levados em consideração a garantia, a procedência, o material utilizado e o preço.
A Tabela 1 abaixo nos mostra o preço de cada componente utilizado. O preço total mostrado não leva em consideração a mão de obra utilizada para montar a estrutura na cadeira de rodas manual.
Como a mão de obra varia de acordo com o local, aqui foi considerado o número de dias trabalhados para a montagem da estrutura. Para montar toda a estrutura foram necessários quatro dias de trabalho.
Considerando que uma cadeira de rodas motorizada tem um preço médio de R$ 5.750,00, vê-se uma economia de 60,12% e com a vantagem da cadeira apresentada possuir dois módulos solares fotovoltaicos que vão ajudar o carregamento das baterias e aumentar a autonomia.
A principal dificuldade da viabilização de veículos elétricos sempre está associada a baixa autonomia das baterias e ao preço elevado do sistema. Aqui criou-se uma cadeira de rodas motorizada de baixo custo e nela foram acoplados módulos solares fotovoltaicos no intuito de aumentar sua autonomia. Esta cadeira de rodas motorizada teve um custo 60,12% menor do que as cadeiras de rodas motorizadas convencionais tendo a vantagem da geração alternativa de energia no carregamento das baterias.
As energias alternativas vêm crescendo no Brasil, mas para isto é preciso investimento e pesquisa de novos produtos. Com desenvolvimento deste projeto pretende-se mostrar que energias alternativas também são muito bem aplicáveis na geração de energia elétrica em baixas potências.
Agradecimentos
Os autores agradecem o apoio da FAPESP pela bolsa. Agradecem também ao Fernando Cunha, a Hilda Morales, as Baterias TUDOR, a AVANT, a PROTEC e a WB Eletro-Eletrônica pelas doações e ainda ao Rodolfo.
Referências
[1] AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA - ANEEL , Atlas de Energia Elétrica do Brasil, ANEEL; Brasília; 2002.
[2] GREEN, M;EMERY,K; BÜCHER, K; HING, D.L. & IGARI, S., Solar Cell efficiency Tables (Version 11), Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 6, 1998, p.35.
[3] CENTRO DE REFERÊNCIA PARA A ENERGIA SOLAR E EÓLICA SÉRGIO DE SALVO BRITO (CRESESB); Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos; Rio de Janeiro: Centro de Pesquisas em Energia Elétrica - CEPEL; novembro de 1999.
[4] CENTRO DE REFERÊNCIA PARA A ENERGIA SOLAR E EÓLICA SÉRGIO DE SALVO BRITO (CRESESB); Energia Solar Princípios e Aplicações; disponível em <http://www.cresesb.cepel.br>. Acesso em 29 de março de 2006.