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How to cite this paperAn. 5. Enc. Energ. Meio Rural 2004
Estratégias de controle de carga em pequenos sistemas fotovoltaicos
Luis Guilherme MonteiroI; Roberto ZillesII
IPrograma Interunidades de Pós Graduação em Energia. Laboratório de Sistemas Fotovoltaicos. Instituto de Eletrotécnica e Energia - Universidade de São Paulo. Av. Professor Luciano Gualberto, 1289 - Cidade Universitária - CEP 05508-900. São Paulo - SP. Telefone: (11) 3091-2657 / Fax: (11) 3816-7828. email: monteiro@iee.usp.br
IIPrograma Interunidades de Pós Graduação em Energia. Laboratório de Sistemas Fotovoltaicos. Instituto de Eletrotécnica e Energia - Universidade de São Paulo. Av. Professor Luciano Gualberto, 1289 - Cidade Universitária - CEP 05508-900. São Paulo - SP. Telefone: (11) 3091-2657 / Fax: (11) 3816-7828. email: zilles@iee.usp.br
RESUMO
Considerando a necessidade de otimizar e prolongar a vida útil dos acumuladores de energia em sistemas fotovoltaicos é de praxe dotar os sistemas com um equipamento que desempenha esta função. Sua aplicação, de forma adequada, pode representar uma redução significativa nos custos operacionais destes sistemas. Neste artigo são apresentadas as diferentes estratégias, e suas particularidades, utilizadas para o gerenciamento do estado de carga em pequenos sistemas fotovoltaicos. Em geral, este gerenciamento é feito através do monitoramento da tensão nos terminais do acumulador com um dispositivo eletrônico chamado controlador de carga. O mercado oferece uma diversidade de opções para o projetista de sistemas, que variam essencialmente no que tange a estratégia de comutação dos circuitos de carga e de consumo (por exemplo, ON/OFF ou PWM). A maioria dos controladores para sistemas de pequeno porte não permite o ajuste dos pontos de atuação dos circuitos de carga e consumo. Em muitos casos observa-se que os pontos pré-ajustados permitem descargas excessivas que o fazem inócuos a uma das funções que deveriam desempenhar, ou seja, proteger a bateria de descargas excessivas. Nesse sentido, este artigo faz uma análise das diferentes estratégias de controle e apresenta uma critica aos produtos oferecidos no mercado para aplicação em sistemas de pequeno porte.
Palavras-chave: controladores de carga; regulação; pontos de ajuste
ABSTRACT
Considering the necessity to optimize and to draw out the useful life of the rechargeable batteries in photovoltaics systems it is of custom to endow the systems with an equipment that plays this function. Its application, of adjusted form, can represent a significant reduction in the operational costs of these systems. In this paper the different strategies, and its particularitities, used for the management of the state of charge are presented in small photovoltaics systems. In general, this management is made through the scan of voltage in the terminals of the accumulator with an electronic device called charge controller. The market offers a diversity of options for the designer of systems, that essentially vary in that refer to the strategy of commutation of the consumption and load circuits (for example, ON/OFF or PWM). The majority of the controllers for small systems does not allow to adjustment of the points of performance of the circuits of load and consumption. In many cases it is observed that the pre-adjusted points allow extreme discharges that make it harmless to one of functions that would have to play, or either, to protect the battery of extreme discharges. In this direction, this article makes an analysis of the different strategies of control and presents one criticizes to the products offered in the market for application in solar home systems.
1. Introdução
Os sistemas fotovoltaicos de pequeno porte ou domiciliares (SFD) são tipicamente constituídos por um módulo fotovoltaico (FV) de 50 watts - pico (Wp) de potência, uma bateria recarregável1, de três a cinco lâmpadas fluorescentes, uma tomada para conexão de um rádio ou uma televisão em corrente contínua e um controlador de carga responsável pelo gerenciamento do fluxo de energia do sistema. A figura 1 ilustra as características desta configuração.
O investimento inicial em um SFD está basicamente concentrado no componente de geração de energia elétrica do sistema, ou seja, o módulo FV. Considerando o custo médio do Wp a R$ 18,002 temos um valor de R$ 900,00 por módulo de 50 Wp. As baterias recarregáveis e os controladores de carga possuem um custo médio inicial, de acordo com o mercado FV nacional, de R$ 320,00 e R$ 160,00 por unidade respectivamente. Assim, levando em conta os outros custos como os indiretos, de transporte, instalação e fiação (R$ 400,00) o investimento inicial em um SFD será de R$ 1780,00. A figura 2 mostra a representatividade percentual no investimento inicial de cada componente em um SFD.
Entretanto, realizando uma análise de investimento utilizando figuras de mérito econômico, fator de recuperação de capital (FRC) e o custo do ciclo de vida anualizado (CCVA)3 para cada componente é possível perceber que o gasto anual com os acumuladores de energia é próximo às despesas com o painel FV, conforme é mostrado na figura 3.
Apesar dos controladores de carga possuírem um baixo investimento inicial e anual, 9 % e 8%, em relação aos outros componentes, estes por sua vez, possuem uma importante participação nos custos finais ao longo da vida útil do SFD4. Tal fato deve-se a estreita relação de operação que este dispositivo possui com os acumuladores de energia. Um mal funcionamento ou gerenciamento de energia deste elemento de controle poderá acarretar um aumento nas sucessivas trocas5 das baterias recarregáveis elevando assim, os custos finais do sistema além de gerar a insatisfação dos usuários e conseqüentemente o descrédito dos mesmos perante a tecnologia (SERPA, 2001).
Sendo assim, neste trabalho são apresentadas as diferentes estratégias de controle de carga além de apresentar uma critica aos produtos oferecidos no mercado, em relação ao ajuste do ponto de desconexão por baixa tensão.
2. Estratégias de Controle de Carga
Os controladores de carga6 são circuitos eletrônicos que gerenciam a energia que entra e saí dos acumuladores de energia de forma a protegê-los, através do ajuste dos pontos de atuação dos circuitos de carga e consumo, contra os efeitos da sobrecarga e descarga profunda. (DÍAZ, P.; LORENZO, E., 2001; HARRINGTON, S; DUNLOP, J., 1992). Basicamente, existem dois tipos de configurações de construção física, paralelo ("shunt") e série, e duas estratégias ou métodos7 de controle de carga denominados de "ON/OFF" e tensão constante (CV). A figura 4 apresenta a topologia usada em esses dois métodos.
As configurações "shunt" e série diferenciam-se no que dizem respeito a seus circuitos elétricos, ou seja, quando a bateria recarregável estiver próxima de sua capacidade total o controlador de carga com característica série desconectará o painel FV do circuito de carga, enquanto, um controlador de carga paralelo causará um curto-circuito no ramo de produção de energia (ver figura 5). Ambos os mecanismos possuem a função de reduzir a corrente de carga entregue ao acumulador de energia.
Para que haja a redução de corrente no carregamento da bateria e também um gerenciamento do consumo de modo a otimizar o processo de carga e descarga e conseqüentemente torná-lo mais confiável e eficaz faz se necessário à utilização dos métodos de controle mencionados previamente, cujas particularidades são apresentadas a seguir.
2.1. Controle de Carga "ON/OFF" e a Tensão Constante (CV) / PWM8
O controlador "On/Off" pode ser comparado a uma chave de liga e desliga, ou seja, o carregamento do acumulador através desse método consiste em permitir a entrega ao acumulador de toda a corrente gerada pelo módulo FV até um determinado valor ("set point") denominado de tensão de regulação (VR9). Ao atingir o valor VR interrompe-se a corrente de carga levando ao decréscimo da diferença de potencial entre os pólos da bateria. O gerador FV permanecerá desconectado do SFD até que a tensão de regulação de histerese (VRH10) for alcançada podendo assim o mesmo fornecer energia novamente ao acumulador. A figura 6 ilustra melhor o funcionamento destes pontos de ajuste.
No carregamento a tensão constante, a corrente gerada é regulada pelo controlador de modo que a tensão nos terminais da bateria é mantida constante, a partir do ponto VR. Essa estratégia permite evitar que o controlador forneça mais energia para o acumulador do que esse realmente seja capaz de receber. As figuras 7 e 8 ilustram melhor a filosofia de operação de um controlador de carga "On / Off" e PWM para um ciclo diário de carga e descarga de uma bateria.
2.2. Controle de Descarga "ON/OFF"
Os métodos mencionados acima protegem o acumulador contra os efeitos da sobrecarga. Porém, descargas profundas podem danificar e encurtar o tempo de vida do mesmo. Por este motivo o controlador de carga também deve proteger a bateria contra os efeitos da sobre-descarga através de pontos de ajustes da tensão. Ou seja, quando uma bateria é descarregada profundamente de forma a atingir um valor limite chamado de desconexão por baixa tensão (LVD11) as cargas (lâmpadas, rádio, televisão) devem ser desligadas automaticamente. Porém, quando o acumulador se recarregar suficientemente a carga deve ser re-conectada novamente a partir do ponto de ajuste denominado de LVDH,12 conforme ilustra o diagrama da figura 9.
Entretanto, a maioria dos controladores de carga encontrados no mercado para aplicações de pequeno porte não permite o ajuste dos pontos de atuação dos circuitos de carga e consumo. De forma geral os controladores são fornecidos com pontos de atuação pré-ajustados como é possível observar na tabela 1.
De acordo com os dados fornecidos pela tabela 1 é possível observar que os pontos de desconexão da bateria por baixa tensão, ou seja, os LVD pré-ajustados pelos fabricantes permitem descargas excessivas. Para a comprovação apresenta-se os resultados de um teste de descarga em um acumulador de energia de 100 Ah, novo. Para a realização do teste utilizou-se um sistema de aquisição de dados, e uma fonte de corrente regulada. A curva de descarga da bateria em teste bem como as informações provenientes dos dados coletados são apresentados na figura 10 e tabela 2, respectivamente.
A bateria testada possui uma capacidade nominal de 95 Ah quando alcança 10, 8 Volts ,ou seja, 100 % da profundidade de descarga. Para a realização de um bom dimensionamento de um SFD é recomendável que a profundidade de descarga máxima em uma bateria recarregável, do tipo automotiva, não ultrapasse a 50 % da capacidade nominal (LORENZO, 1994). Sendo assim, os pontos de ajuste LVD dos controladores de carga devem ser ajustados em 11,83 Volts de forma a permitir no máximo uma profundidade de descarga de 50 % para a bateria testada13. Porém, os LVD14 fornecidos pelos fabricantes, ver tabela 1 (também indicados na tabela 2), permitem descargas mais profundas que trazem como conseqüência redução da vida útil da bateria.
3. Conclusão
Apesar dos custos envolvidos para os controladores de carga serem relativamente baixos, em comparação aos outros componentes, durante a vida útil do sistema desempenham um papel fundamental no custo final de um sistema fotovoltaico domiciliar. A existência de diferentes estratégias de controle de carga, com os pontos de ajuste de carga adequados, possibilitam o carregamento eficaz dos acumuladores de forma a evitar os efeitos maléficos que uma sobrecarga pode causar. Entretanto, não são observados pelos fabricantes os ajustes "ótimos" quando as baterias estão sendo descarregadas fazendo-os inócuos a uma das funções que deveriam desempenhar, ou seja, proteger a bateria de descargas excessivas. De certa forma, tais controladores de carga deixam o sistema na mesma situação dos sistemas que utilizam os módulos fotovoltaicos denominados de "autoregulados". Os quais, em teoria, não necessitam de um controle de carga eletrônico devido ao menor número de células, porém deixam o sistema sem proteção quanto a sobre-descarga (situação também revelada pelos ajustes pré-estabelecidos pelos fabricantes de controladores). Portanto, um bom ajuste do ponto LVD torna-se de extrema importância no que concerne a proteção e garantia da vida útil da bateria conforme previsto nas condições de projeto.
4. Referências Bibliográficas
[1] COSTA, P. e ATTIE, E. Análise de Projetos de Investimento. 3 e.d. Ed. Fundação Getúlio Vargas; Rio de Janeiro. 1990.
[2] DUTT, G. Techniques for End Use Electricity Analysis and Conservation Program Design and Evaluation. CEES, USAID, Vol. A; Estados Unidos da América; 1992.
[3] DÍAZ, P. e LORENZO, E. Solar Home System Battery and Charge Regulator Testing. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, Vol. 9; Ed. John Wiley & Sons, Ltd.; Reino Unido; 2001.
[4] DÍAZ, P. e EGIDO, M. Experimental Analysis of Battery Charge Regulation in Photovoltaics Systems. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, Vol. 11, Num. 5.; Ed. John Wiley & Sons, Ltd.; Reino Unido; Novembro; 2003.
[5] INTERNATIONAL ENERGY AGENCY(IEA). Recommended Practices For Charge Controllers: Use of PV Systems in Stand-Alone and Island Applications. Relatório Técnico IEA PVPS T3-05; Agosto; 1998.
[6] HARRINGTON, S., DUNLOP, J. Battery Charge Controller Characteristics in Photovoltaic Systems. In 7th Annual Battery Conference on Advances and Applications, 1992. Professional Paper, FSEC-PF-232-92; Long Beach, Califórnia: FSEC, 1992.
[7] LORENZO, E, et al. Eletricidad Solar. Ingeniería de los Sistemas Fotovoltaicos. Instituto de Energía Solar. Universidad Politécnica de Madrid. Ed. PROGENSA; Madrid. 1994a.
[8] LORENZO, E. Photovoltaic Rural Electrification. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, Vol. 5 ; Ed. John Wiley & Sons, Ltd.; Reino Unido; 1997.
[9] SERPA, P. Eletrificação Fotovoltaica em Comunidades Caiçaras e seus Impactos Socioculturais. Programa Interunidades de Pós-graduação em Energia da Universidade de São Paulo, Tese de Doutorado; 2001.
[10] ZILLES, R., MORANTE, P. e FEDRIZZI, M. Avaliação dos Sistemas Fotovoltaicos Instalados nas Residências dos Moradores da Ilha do Cardoso. In Anais do 3º Encontro de Energia no Meio Rural (AGRENER) (versão em CD), Setembro 12-15, 2000. Campinas: Núcleo Interdisciplinar de Planejamento Energético, 2000.
1 Tipicamente uma bateria de chumbo-ácido (automotiva, solar adaptada, VRLA ou estacionária) com tensão. de 12 volts entre seus terminais e capacidade de acumulação em torno de 100 Ah.
2 Segundo dados do mercado nacional.(Junho/2004).
3 Considerando uma taxa de desconto anual de 18% e período de análise igual 20 anos.
4 Em geral, o tempo de vida de um SFD, tomando como base o tempo de vida dos módulos, é de aproximadamente de 20 anos.
5 Quando há um controle de carga adequado as trocas destes componentes são realizadas, em média, de quatro em quatro anos.
6 Ou reguladores de carga.
7 Há diversas variações desses dois métodos básicos.
8 PWM - Pulse Width Modulation : São chaves no estado sólido que aplicam pulsos de corrente em alta frequência (300 Hz), porém com a variação do ciclo de operação (duty cycle) ou largura de pulso.
9 VR - Voltage Regulation: É a tensão máxima que o controlador de carga permite a bateria alcançar. Neste ponto a corrente de carga será interrompida ou será controlada dependendo da estratégia de controle adotada.
10 VRH - Voltage Regulation Hysteresis: É a diferença entre o ajuste VR e a tensão a qual permite que a corrente de carga seja novamente re-aplicada ao sistema.
11 LVD - Low voltage disconnect: É a tensão a qual a carga é desconectada do acumulador para prevenir a sobredescarga.
12 LVDH - Low voltage disconnect hysteresis: É a diferença entre o ajuste LVD e a tensão a qual permite que a carga seja novamente acionada pelo usuário.
13 Os pontos de ajuste de um controlador de carga podem variar dependendo do tipo de bateria e eletrólito utilizado na mesma.
14 LVD (A,B,C,D,E) - Pontos de ajuste fornecidos pelos fabricantes A, B...E.