Projeto Integrador

Relatrio Final Grupo de Condicionamento de Potncias para Fontes Alternativas de Energia

Gama, 10 de novembro de 2011

NOME DOS INTEGRANTES DO GRUPO Alexandre Seiji Fukuda Ribas Alexssander Fernandes R. Costa de Sousa Alliny Eugenia Veras Silva Allan Parente Vasconcelos Bruno Caixeta Siqueira Bruno Carlos do Santos Moraes Carlos Felipe Ilha Bezerra Daiane Cristine de Oliveira Dutra Daniel Pierobon de Carvalho Danillo Gonzaga Elizeu Danilo Mendes de Faria Diogo de Oliveira Costa Diogo Seiti Kuratani Dionlan Alves de Jesus Eduardo Antonio Veit Preto Evandro Vanderley Rodrigues Silva Neto Fabiana Mitsu Alvarenga Ofugi Felipe Cesar Silveira de Assis Gabriela Matias Navarro Gilvandson Costa Cavalcante Gladson Duarte dos Santos Gustavo Vincius Martins Arvelos Helbert de Oliveira Coelho Jnior Hugo Borges Pinto Hugo Ferreira Moore Israel Antonio Macedo de Lima Lays Alves Fernandes de Faria Priscilla Dias da Silva

Lista de figuras Figura 1 - Biodigestor Modelo Indiano .................................................................................... 10 Figura 2 - Biodigestor Modelo Chins ..................................................................................... 11 Figura 3 - Biodigestor Modelo Batelada .................................................................................. 11 Figura 4 - Microturbina de gerao biogs ............................................................................ 12 Figura 5 - Gerador Bioflex B4T-10000 .................................................................................... 13 Figura 6 - Gerador GET-GVW50............................................................................................. 13 Figura 7 - Gerador diesel ....................................................................................................... 14 Figura 8 - Turbina elica de eixo vertical da empresa brasileira CINTRAX modelo EL1000W ...................................................................................................................................... 15 Figura 9 Gerador elico modelo Darrieus ............................................................................. 16 Figura 10 Nvel de Compatibilidade ..................................................................................... 20 Figura 11 - Grfico do ponto de vista do consumidor .............................................................. 21 Figura 12 - Onda de qualidade mais comum ............................................................................ 22 Figura 13 Sobretenso decorrente da eliminao de uma falha ............................................ 23 Figura 14 Transitrio proveniente do chaveamento de um banco de capacitores ................. 24 Figura 15 Sequncia de manobras de proteo ..................................................................... 25 Figura 16 - Sobretenso ............................................................................................................ 26 Figura 17 - Tringulo das potncias ......................................................................................... 30 Figura 18 - Sensibilidade de Equipamentos Eletrnicos .......................................................... 34 Figura 19 Curvas de Descarga ............................................................................................... 42 Figura 20 Nmero de Ciclos versus Descarga....................................................................... 44 Figura 21 - Potencial Elico brasileiro ..................................................................................... 56 Figura 22 - Quadro da energia elica no Brasil ........................................................................ 56 Figura 23 - Variao da Radiao Solar no Brasil ................................................................... 57 Figura 24 - Matriz Eltrica Brasileira ....................................................................................... 58 Figura 25 - Grfico de custos entre sistemas de energia eltrica.............................................. 59 Figura 26 - Curva de Carga de um consumidor residencial ..................................................... 60 Figura 27 - Curvas de carga do setor industrial ........................................................................ 61 Figura 28 - Grfico representativo do ndice de excluso da eletricidade rural por estado brasileiro ................................................................................................................................... 61 Figura 29 - Distribuio dos sistemas hbridos de energia na Regio Amaznica .................. 62 Figura 30 - Diagrama de blocos do sistema hbrido da Vila de So Tom .............................. 64 Figura 31 - Percentual do tipo de carga atendida e Percentual de carga de iluminao ........... 64 Figura 32 - Curva de carga ....................................................................................................... 65 Figura 33 - Consumo de energia percentual por eletrodomstico COPEL[8]. ....................... 66 Figura 34 Matriz energtica brasileira ................................................................................... 71 Figura 35 Compensao de rvores plantadas para o total de emisses de CO2 e consumo mensal de energia. .................................................................................................................... 71 Figura 36 - Resistores diversos ................................................................................................. 73 Figura 37 - Sensor de temperatura LM35. ................................................................................ 74 Figura 38 - Capacitores Diversos. ............................................................................................ 74 Figura 39 - Diodos e LEDS ...................................................................................................... 75 Figura 40 - Exemplo de Circuito Integrado (Encapsulamento DIP). ....................................... 75 Figura 41 - Exemplo de um Osciloscpio ............................................................................... 80 Figura 42 - Multmetro orado ................................................................................................. 80 Figura 43 - Estao de solda ..................................................................................................... 81

Lista de Tabelas Tabela 1 Relao custo, autonomia e eficincia .................................................................... 38 Tabela 2 Tenso por clula e densidade de potncia ............................................................. 39 Tabela 3 Corrente de descarga............................................................................................... 42 Tabela 4 Relao entre a capacidade e a tenso das baterias ................................................ 43 Tabela 5 Relao entre Energia e Peso .................................................................................. 43 Tabela 6 - Dados do Sistema Hbrido de Energia de Joanes .................................................... 63 Tabela 7 Relao de aparelhos eletrodomsticos existentes na vila ...................................... 63 Tabela 8 Controladores de carga concorrentes ...................................................................... 67 Tabela 9 Inversores concorrentes .......................................................................................... 68 Tabela 10 Preo de gabinetes ................................................................................................ 77 Tabela 11 - Dados tcnicos dos aparelhos do sistema .............................................................. 78 Tabela 12 - Dados tcnicos dos aparelhos do sistema .............................................................. 78 Tabela 13 - Custos totais .......................................................................................................... 78 Tabela 14 - Custos totais .......................................................................................................... 79 Tabela 15 - Custos totais .......................................................................................................... 79 Tabela 16 - Custo da mo de Obra ........................................................................................... 81

SUMRIO INTRODUO ........................................................................................................................ 7 1 Geradores ............................................................................................................................... 9 1.1 Introduo ....................................................................................................................... 9 1.2 Geradores a biogs.......................................................................................................... 9 1.2.1 Biogs ...................................................................................................................... 9 1.2.2 Modelo indiano ..................................................................................................... 10 1.2.3 Modelo chins ....................................................................................................... 10 1.2.4 Modelo de batelada ............................................................................................... 11 1.2.5 Geradores a biogs ................................................................................................ 11 1.3 Geradores a diesel ......................................................................................................... 13 1.4 Turbinas elicas ............................................................................................................ 14 1.4.1 Turbinas do tipo VANT ........................................................................................ 14 1.4.2 Turbinas do tipo HAWT ....................................................................................... 16 2 DISTRIBUIO ................................................................................................................. 18 2.1 Introduo ..................................................................................................................... 18 2.2 Condies ideais de operao de um sistema eltrico ................................................ 18 2.2.1 Forma senoidal ...................................................................................................... 19 2.2.2 Amplitude constante.............................................................................................. 19 2.2.3 Frequncia constante ............................................................................................. 19 2.3 Condies reais de operao ........................................................................................ 20 2.3.1 Critrios de avaliao da qualidade....................................................................... 20 2.4 Distrbios na rede eltrica ........................................................................................... 20 2.4.1 Transitrios ........................................................................................................... 23 2.4.2 Interrupes e SAGS ............................................................................................. 24 2.4.3 Sobretenso ........................................................................................................... 25 2.4.4 Flutuaes ou oscilaes da tenso ....................................................................... 27 2.4.5 Variaes na frequncia de um sistema eltrico ................................................... 27 2.5 Fator de potncia um problema? .............................................................................. 29 2.6 Legislao e faturamento ............................................................................................. 30 2.7 Sensibilidade de equipamentos eletrnicos ................................................................. 33 2.8 Expanso modular de potncia para residencial e comercial de pequeno porte .... 34 3 ARMAZENAMENTO ........................................................................................................ 37 3.1 Introduo ..................................................................................................................... 37 3.2 Baterias .......................................................................................................................... 37 3.2.1 Um comparativo das baterias aplicveis ............................................................... 38 3.2.2 A respeito das caractersticas tcnicas da bateria escolhida para o estudo de caso ........................................................................................................................................ 40 3.3 Ciclo das baterias cidas (de maneira genrica) ........................................................ 44 3.4 Normas de referncia na concepo de baterias estacionrias ................................. 45 3.5 Algumas precaues e recomendaes ........................................................................ 45 3.6 Dicas de segurana ........................................................................................................ 46 4 CONDICIONAMENTO ..................................................................................................... 48 4.1 Caracterizao do Produto .......................................................................................... 48 4.1.1 O que o produto? ................................................................................................ 48

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4.1.2 O que faz? ............................................................................................................. 48 4.1.3 Quem o desenvolver? .......................................................................................... 48 4.1.4 Onde ir ser utilizado? .......................................................................................... 48 4.1.5 Como ser desenvolvido? ..................................................................................... 48 4.2 PWM .............................................................................................................................. 48 4.3 Controle de eficincia de potncia ............................................................................... 49 4.4 Definio da arquitetura do aparelho ......................................................................... 49 4.5 Controles presentes no condicionador de potncia .................................................... 49 4.6 Comunicao serial Java .............................................................................................. 50 4.7 Comunicao: trabalhando com conexo serial no Java (API RXTX) ................... 51 4.8 Kit de desenvolvimento utilizado................................................................................. 51 4.8.1 Escolha do kit ........................................................................................................ 52 4.8.2 Motivos que justificam a escolha do Arduino: ..................................................... 52 4.8.3 Sobre o PWM do arduino:..................................................................................... 52 4.8.4 Sobre o conversor analgico/digital (A/D): .......................................................... 53 4.8.5 Sobre a comunicao USB (Arduino Side):.......................................................... 54 5 ESTRATGIA DE MERCADO ........................................................................................ 55 5.1 Geografia das fontes ..................................................................................................... 55 5.1.1 Energia elica no Brasil ........................................................................................ 55 5.1.2 Energia solar no Brasil .......................................................................................... 57 5.2 Configuraes principais .............................................................................................. 58 5.3 Principais aplicaes solares e elicas ......................................................................... 59 5.3.1 Caractersticas do produto ..................................................................................... 60 5.3.2 Principais consumidores........................................................................................ 60 5.4 Residncias isoladas ...................................................................................................... 61 5.5 Residncias comuns ...................................................................................................... 65 5.6 Levantamento de possveis concorrentes .................................................................... 67 5.7 Consideraes finais ..................................................................................................... 68 6 VIABILIDADE AMBIENTAL .......................................................................................... 70 7 ESTIMATIVA DO CUSTO DO PRODUTO.................................................................... 73 7.1 Componentes eletrnicos .............................................................................................. 73 7.2 Estimao da placa de circuito impresso .................................................................... 76 7.3 Estimao do custo do gabinete:.................................................................................. 76 7.4 Projeto eletrificao de sistema Rural Estimao do custo de um sistema solar e elico ..................................................................................................................................... 77 7.5 Estimao do custo da implementao de um laboratrio ....................................... 80 7.6 Custo da mo de obra ................................................................................................... 81 CONCLUSO......................................................................................................................... 82 REFERNCIAS ..................................................................................................................... 83

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INTRODUO Com o avano da tecnologia, cada vez maior a dependncia pela energia eltrica. Mas como sabido que dependendo de como a produo da energia eltrica realizada, o meio ambiente quem sofre as consequncias. Alm disso, devido o decrescente uso de gerao de energia por meio de petrleo, carvo mineral, entre outros, esse causado pela sua quantidade finita, novas fontes alternativas vm emergindo desde ento, quer seja por questes dessas serem menos poluentes, mais abundantes ou, at mesmo, constantes. Tais fontes alternativas, consideradas as mais tradicionais so: hidreltricas, trmicas, nuclear, elica e fotovoltaica. Porm, tambm a realidade de muitos brasileiros no possuir a rede de energia eltrica em suas residncias ou at mesmo passar por transtornos como o apago de 2009. Eventos como estes fazem com que a populao brasileira no tenha mais confiana na atual rede de distribuio de energia eltrica. E, para tentar resolver esse tipo de problema, este grupo de trabalho, simulando uma empresa de consultoria, se prope a desenvolver um estudo para uma empresa, tambm fictcia, que deseja entrar no mercado de condicionador de potncia. Neste estudo, sero levantadas informaes sobre a melhor maneira de comear a investir nesse ramo de distribuio de energia. Assim, sero abordadas as principais maneiras de gerar energia, com diversos tipos de geradores e outras fontes alternativas de produo. Os meios de distribuio com condies ideais de operaes da rede eltrica e os principais parmetros que influenciam na qualidade de fornecimento. Tambm ser feita uma abordagem sobre a melhor maneira de se armazenar essa energia, um levantamento de informaes sobre os principais tipos de baterias existentes hoje no mercado e uma explicao de forma mais aprofundada sobre a bateria escolhida. Na parte do condicionamento em si, sero mostrados os resultados das pesquisas feitas em tecnologias especificas, como o PWM, como tambm melhorar a eficincia na transmisso de potncia e a definio da arquitetura do condicionador de potncia. Na seo que trata da estratgia de mercado, sero especificados os equipamentos em condicionadores de potncia que tenham como gerao de energia a solar e a elica, assim como o levantamento de mercado para sanar informaes como: as principais fontes de energia renovveis brasileiras, qual o pblico-alvo do produto em questo e ainda os potenciais concorrentes empresa para a qual se est prestando consultoria.7

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de suma importncia ressaltar, tambm, a importncia deste projeto, quer seja para o cliente, o qual reduzir o custo enrgico residencial, quer seja para a humanidade, pois este visa, por meio da utilizao de fontes alternativa, a gerao de energia limpa, sem emisso de gases ou poluio sonora.

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1 GERADORES 1.1 Introduo Pode-se observar que existem vrias formas de gerar energia. Atualmente o mundo se encontra em uma situao na qual se torna necessrio o consumo de energia em diversas atividades, desde trabalhos no campo ao controle em grandes empresas. Assim, a reinveno da forma de transformar essa energia se faz cada vez mais necessria. Com o avano do homem, a demanda por energia tambm aumenta a cada dia. Com isso, inmeras formas de se obter energia eltrica tm sido criadas e aperfeioadas ao longo do tempo, a fim de atender aos diferentes cenrios. Nesse sentido, o condicionador de potncia tem o papel de garantir que essa energia, seja ela proveniente do sol, do vento ou de outras fontes, chegue ao seu usurio da melhor forma, atendendo suas necessidades, tanto para o lazer quanto para a realizao de algum tipo de trabalho. Visando informar ao cliente algumas alternativas de produo de energia, realizou-se uma pesquisa com algumas caractersticas importantes para os diferentes perfis. Portanto, a inteno fornecer ao cliente, de forma aberta e clara, informaes que possam lev-lo a conhecer o seu perfil de consumo. 1.2 Geradores a biogs 1.2.1 Biogs O biogs um combustvel resultante da decomposio da matria orgnica, formado por metano, dixido de carbono, gs sulfdrico e nitrognio. A decomposio dada atravs da fermentao anaerbica de materiais orgnicos, em condies controladas de temperatura e umidade. A produo do biogs ocorre com a utilizao de um biodigestor, constitudo por uma cmara fechada, onde colocado o material orgnico que sofrer uma decomposio, atravs de bactrias. Esse processo denominado como digesto anaerbica devido decomposio da matria orgnica na ausncia de ar. [1] Existe atualmente uma variedade de biodigestores que se ajustam ao tamanho da necessidade de consumo do biogs. Para o foco deste trabalho, sero abordados, exclusivamente, os biodigestores para pequenas propriedades rurais, ou seja, os modelos indiano, chins e de batelada.9

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1.2.2 Modelo indiano O modelo indiano caracteriza-se por possuir uma campnula (cpula de ao localizada na parte superior do biodigestor) como gasmetro que pode estar mergulhada sobre a biomassa em fermentao, podendo se deslocar verticalmente medida que a presso varia, aumentando assim a capacidade de armazenamento do gs que no foi consumido de imediato, mantendo a presso constante no interior do biodigestor e diminuindo as perdas na produo do biogs; e uma parede central que divide o tanque de fermentao em duas cmaras permitindo uma maior circulao do material no interior do biodigestor. Um dos motivos da grande utilizao desse modelo a facilidade de sua implantao, pois alm de ocupar pouco espao, no precisa de reforos ou cintas de concreto, devido a sua construo ser na maior parte subterrnea.

Figura 1 - Biodigestor Modelo Indiano

1.2.3 Modelo chins Trata-se de modelo construdo em alvenaria que no necessita do uso de gasmetros. formado por cmaras de fermentao em forma de cilindro, com teto abobado e impermevel. Seu funcionamento baseia-se no princpio da prensa hidrulica, aumentando sua presso interior medida que o biogs formado, deslocando os efluentes da cmara para a caixa de sada, ocorrendo assim a descompresso. Um dos problemas do uso desse modelo a perda do biogs gerado em excesso que vai para caixa de sada, sendo liberado para a atmosfera, com objetivo de diminuir a presso interna. Esse modelo ser alimentado de forma contnua, com material orgnico que possua concentrao de slidos equivalentes a 8%, para agilizar a circulao interna do material e prevenir entupimentos na entrada do sistema.10

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Figura 2 - Biodigestor Modelo Chins

1.2.4 Modelo de batelada O modelo de batelada possui baixa exigncia de implantao. Ele constitudo por um ou vrios tanques de fermentao anaerbica, que podem ser dispostos em srie, sendo abastecidos de forma descontnua, ficando em operao por certo perodo de tempo que, aps finalizado, resultar na retirada do produto do material fermentado. Esse biodigestor possui baixo custo de implantao; facilidade de limpeza, descarte e manuteno; curta vida til (5 anos); e cpula malevel de plstico que infla com produo de biogs.

Figura 3 - Biodigestor Modelo Batelada

1.2.5 Geradores a biogs A gerao de energia eltrica atravs do biogs poder se realizar por meio de mquinas trmicas que utilizam o poder calorfico do combustvel (biogs) para mover uma turbina e, assim, transformar a energia mecnica em energia eltrica. Observando o mercado das tecnologias aplicadas s converses de energia eltrica atravs do biogs, podem ser analisadas duas principais formas: as microturbinas a gs e os motores de combusto interna, do tipo ciclo-Otto, acoplados a geradores (grupo de geradores). As microturbinas possuem uma grande vantagem ambiental em relao aos grupos geradores de combusto interna, devido a sua menor emisso de Nox. No entanto, quando a11

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anlise financeira da tecnologia considerada, o resultado extremamente desfavorvel para a microturbina. Alm do custo do equipamento, em relao potncia oferecida, ser duas vezes maior do que nos motores convencionais, a microturbina exige que o gs combustvel apresente propriedades mais controladas que os motores convencionais, acarretando o uso de sistemas de purificao do gs, o que no se faz necessrio para o grupo-gerador, pois, alm de suportar o uso de um biogs in-natura, dispensa a necessidade de compresso, uma vez que o seu princpio de funcionamento se d por aspirao.

Figura 4 - Microturbina de gerao biogs

Dependendo da necessidade de consumo, possvel ter diversos tipos de grupo geradores que podem variar de pequeno a grande porte, com potencial de gerao de 10KW a 20MW. Para simplificar essa gama de geradores, adota-se o grupo de geradores eltricos de pequeno porte capazes de fornecer eletricidade a uma propriedade rural que tenha uma carga instalada de 7-30kW. Nesse caso, sugere-se a utilizao do gerador bioflex B4T-10000, que consiste em um gerador de pequeno porte, alimentado por biogs ou lcool, com potncia mxima de gerao de 10kW e voltagem de sada bivolt (110V ou 220V). Seu preo de mercado de R$ 8,5 mil. Fabricante: Branco (primeiro fabricante nacional de geradores a biogs).

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Figura 5 - Gerador Bioflex B4T-10000

Caso a propriedade rural necessite de um gerador mais potente, sugere-se o GET GVW50, que se classifica como um grupo gerador de pequeno porte e que poder gerar at 35 kWh. Seu valor de mercado equivalente a R$ 36.340,00. Fabricante: GET- Global Energy and Telecom.

Figura 6 - Gerador GET-GVW50

1.3 Geradores a diesel Em populaes isoladas e em comunidades nas quais o fornecimento de energia eltrica restrito, alguns empreendimentos necessitam que se tenha outra fonte de energia confivel e sem interrupes para que no ocorram perdas no comrcio ou servio. Uma opo muito utilizada para solucionar esse problema so os motores a diesel, pois no dependem de variaes externas como, por exemplo, o clima, para seu perfeito funcionamento. Os geradores mais comuns e utilizados nas comunidades isoladas e em meios rurais fornecem em mdia at 7 kW de potncia. [2] Dados mdios dos geradores de at 7 kW de potncia: Tipo: monofsico ou trifsico; Tenso de sada: 110/220 v;13

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Frequncia: 60Hz; Corrente nominal de sada: at 40A (110v) / 25A (220v); Carregador de bateria: 12v 8.3A; Potncia mxima: at 6 kW; Potncia nominal: at 5,5 kW;

Figura 7 - Gerador diesel

1.4 Turbinas elicas Existem vrios tipos de turbinas elicas e cada vez mais esse tipo de transformao de energia vem se aprimorando e ficando mais comum. Sero apresentados dois tipos de turbina: as turbinas elicas de eixo vertical (VAWT, abreviao em ingls para Vertical Axis Wind Tower) e as turbinas elicas de eixo horizontal (HAWT, abreviao em ingls para Horizontal Axis Wind Tower). 1.4.1 Turbinas do tipo VANT Vantagens [3]: Pelo fato de o eixo estar na vertical, no necessrio um sistema que posicione as ps de acordo com o vento, uma vez que elas captam os ventos de qualquer direo; Mais simples de serem construdas; mais fcil para realizar a manuteno, pois as engrenagens, freios e o gerador ficam prximos base da turbina; Nas ps com a estrutura em forma de C, como as turbinas Darrieus, o esforo estrutural reduzido; Desvantagens [3]: Necessitam de um sistema de partida em baixas velocidades; Prximo ao solo o rendimento menor, pois os ventos tm velocidade menor;14

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Pode ter um custo elevado se as ps forem construdas em alumnio, sendo que os modelos mais novos so fabricados em polister e fibra de vidro; Os ventos realizam nas ps e na estrutura um grande esforo, limitando assim a velocidade. Para diminuir esses efeitos, aconselhvel dar uma forma de C nas ps, porm h a diminuio do rendimento; Nas turbinas do tipo Darrieus, necessrio o uso de cabos tensores o que aumenta a rea ocupada; Se for necessrio trocar o rolamento principal precisa desmontar toda a turbina.

Figura 8 - Turbina elica de eixo vertical da empresa brasileira CINTRAX modelo EL-1000W

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Figura 9 Gerador elico modelo Darrieus

1.4.2 Turbinas do tipo HAWT As turbinas do tipo HAWT so as mais conhecidas e utilizadas no mundo e aplicadas na maior parte dos parques de produo de energia eltrica. Atualmente a maior parte constituda por trs ps, mas tambm existem turbinas com duas e apenas uma p, caracterizando um menor custo na produo. Entretanto, essas turbinas so mais instveis. As HAWT precisam se alinhar constantemente com o vento, usando um mecanismo de ajuste. O sistema de ajuste padro consiste de motores eltricos e caixas de engrenagens que movem todo o rotor para a esquerda ou direita em pequenos incrementos. O controlador eletrnico da turbina l a posio de um dispositivo cata-vento (mecnico ou eletrnico) e ajusta a posio do rotor para capturar o mximo de energia elica disponvel. As HAWT usam uma torre para elevar os componentes da turbina a uma altura ideal para a velocidade do vento (e para que as ps possam ficar longe do solo) e ocupam muito pouco espao no solo, j que todos os componentes esto numa altura entre 37m e 135m. Vantagens: Ideal para locais isolados eletricamente, ou seja, aonde distante; As turbinas possuem uma faixa de operao entre 0,3kW e 7500kW; Incio de produo com ventos a partir de 3m/s, velocidade de arranque mais baixa que nas VAWT; Manuteno mnima requerida; e Custos de produo mais baixos. a rede eltrica esteja

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Desvantagens: Produz rudos entre 35dB e 65dB, o que pode causar algum incmodo; Precisa de certa distncia entre as turbinas para a diminuio do rudo; A rea ocupada deve ser especfica (sem muitas elevaes e habitaes por perto); O seu custo ainda um pouco elevado; Presso na estrutura de apoio (torque); Necessidade de afastar dos obstculos para evitar efeitos de turbulncia; e Mecnica mais elaborada, com mais peas mveis, necessidade de maior manuteno.

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2 DISTRIBUIO 2.1 Introduo Por qualidade de fornecimento, entende-se a medida que serve para determinar como a energia eltrica pode ser utilizada pelos consumidores. Nela esto inclusas caractersticas de continuidade de suprimento e de conformidade com certos parmetros considerados desejveis para a operao segura, tanto do sistema supridor como das cargas eltricas. Dentre os parmetros considerados esto: as distores harmnicas, as flutuaes de tenso, as variaes de tenso de curta durao, o desequilbrio de sistemas trifsicos e os transitrios rpidos. [4] Para definir qualidade de energia eltrica, necessrio considerar problemas que vo desde os incmodos visuais provocados pela variao luminosa devido m regulao da tenso at a interferncia em equipamentos eletrnicos sensveis, causada por interrupes no fornecimento de energia ou por fenmenos de mais alta frequncia. Incmodos como esses afetam tanto os consumidores de energia eltrica quanto os seus usurios indiretos. [4] 2.2 Condies ideais de operao de um sistema eltrico Para que um sistema eltrico trifsico funcione adequadamente, preciso que ele satisfaa as condies de operao em carter permanente, que so: tenses e correntes alternadas, com formas senoidais; amplitudes constantes, nos valores nominais; frequncia constante, no valor sncrono; tenses trifsicas equilibradas; fator de potncia unitrio nas cargas; perdas nulas na transmisso e distribuio. [4]

Um sistema eltrico trifsico considerado ideal deve satisfazer s condies de operao citadas abaixo: tenses e correntes alternadas, com formas senoidais; amplitudes constantes; frequncia constante; tenses trifsicas equilibradas; fator de potncia no mnimo igual a estabelecida por norma; perdas nulas na transmisso e distribuio.

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Ao respeitar essas condies, o sistema suportar qualquer carga prevista para operar com corrente alternada na frequncia industrial. Na sequncia, so justificadas trs dessas condies. 2.2.1 Forma senoidal De acordo com a lei de induo de Faraday, bsica na converso eletromecnica e eletromagntica de energia, escolheu-se a funo senoidal, descrita abaixo, como forma ideal.

Onde: (t) = fluxo magntico variando em uma regio envolvida por um condutor eltrico; e(t) = tenso eltrica induzida nos terminais do condutor.

Os clculos propostos pela lei de Faraday comprovam a reversibilidade do campo magntico para corrente eltrica. Ou seja, a corrente eltrica ao passar por um condutor gera campo magntico, o oposto tambm resguardado pela lei. e(t ) = A.sen(2ft + ) onde: A = amplitude da onda senoidal; f = frequncia da onda; = ngulo de fase relativo referncia temporal. 2.2.2 Amplitude constante Dos clculos devero ser extrados: a amplitude do sinal, a freqncia e o ngulo de fase gerado por induo magntica naquele instante. A partir deles sero criados mtodos para manter o padro tcnico indicado pela norma. 2.2.3 Frequncia constante O dispositivo dever ser capaz de analisar os sinais modulados na rede durante funcionamento de equipamentos como motores, reduzir os harmnicos e esprios injetados na

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rede, trat-los para garantir a eficincia na gerao de energia e adequar as leis e normas estabelecidas. 2.3 Condies reais de operao Um sistema real no satisfaz todas as condies ideais descritas anteriormente, pois a rede e os equipamentos eltricos esto sujeitos a margens de erro, falhas ou perturbaes que danificam de alguma maneira as condies que seriam desejadas. Usando como referncia as condies de operao do sistema ideal, pode-se utilizar destes critrios como parmetro para aferir a qualidade da energia eltrica do sistema que ser desenvolvido. 2.3.1 Critrios de avaliao da qualidade Os critrios de avaliao da qualidade da energia eltrica incluem as normas estabelecidas deteriorao imposta por um distrbio. So eles:a) a continuidade do fornecimento, quantificada atravs da durao e da frequncia das interrupes (ndices DEC e FEC) de fornecimento de energia; b) o nvel de tenso adequado, obtido atravs do controle dos limites mnimos e mximos de tenso dos consumidores, bem como de ndice que avalie a frequncia de violao dos mesmos limites para os consumidores conectados; c) a distoro da forma de onda atravs da avaliao da presena de frequncias harmnicas e de inter-harmnicas; d) a regulao da tenso em torno dos valores nominais, mesmo com cargas variveis, quantificando a amplitude e frequncia das flutuaes de tenso; e) a frequncia nominal da rede, que atualmente estabelecida atravs

do balano de energia entre sistema produtor e consumidor;f) o fator de potncia, cujo valor mnimo atual (0.92) regulamentado atravs de legislao especfica; g) o desequilbrio entre fases, dado como valor percentual dos componentes de sequncia negativa e zero, medidos em relao sequncia positiva.[4]

Figura 10 Nvel de Compatibilidade

2.4 Distrbios na rede eltrica Esses distrbios vm crescendo cada vez mais com a adio de novos consumidores rede eltrica. Por isso, so preocupantes, uma vez que eles podem ser gerados tambm no20

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condicionador de potncia ainda a ser desenvolvido, ocasionando danos ou o mau funcionamento aos aparelhos a ele ligados. O grfico abaixo mostra as origens dos distrbios, do pondo de vista do consumidor.

Figura 11 - Grfico do ponto de vista do consumidor

Atualmente a Europa possui as melhores normas relacionadas qualidade da energia eltrica (QEE) do mundo. Melhores no sentido de abrangerem desde consumidores isolados e pequenos consumidores a grande conglomerados e indstrias de tecnologia, tendo em vista que esta ltima possui uma tolerncia muito baixa aos distrbios na rede eltrica. no continente europeu que pode ser encontrada a norma EN50160 que rege a QEE. Diversos pases mundo afora, inclusive os EUA e o Brasil tambm utilizam tal norma, deixando a norma IEEE 519 apenas como referncia. So listadas abaixo as normas referentes qualidade de energia eltrica no mundo. Essa lista foi extrada do trabalho feito por Edgar Franco. [5] EN50160: uma nova norma que cobre flicker, interharmnicas, desvios/variaes de tenso e muito mais. IEC 61000-4-15: uma norma de medio de flicker que inclui especificaes para medidores. IEC 61000-4-7: descreve uma tcnica de medio padro para harmnicas. IEEE 519 (1992): uma prtica recomendada pela IEEE, utilizada principalmente por concessionrias de energia nos EUA. Descreve nveis aceitveis de harmnicas para o ponto de entrega de energia pela concessionria. IEEE 1159 (1995): uma prtica recomendada pela IEEE para monitorao e interpretao apropriada dos fenmenos que causam problemas de qualidade de energia. CBEMA (Computer and Business Equipment Manufacturers Association). A CBEMA virou ITI em 1994. A curva CBEMA define os nveis de suportabilidade21

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de equipamentos, em funo da magnitude da tenso e da durao do distrbio. Distrbios que caiam fora da curva podem causar danos aos equipamentos. ITI (Information Technology Industry Council). Grupo que trabalha para defender os interesses da indstria de informtica. Logo, pode-se assumir que a qualidade QEE medida tendo como referncia o tempo em que a energia permanece nos nveis aceitveis de alimentao. Qualquer mudana nesses nveis (por exemplo 110 e 220 V) considerado um distrbio. Assim, os fenmenos que possam vir a modificar os nveis nominais da energia eltrica sero considerados um distrbio ou perturbao. Os especialistas que trabalham moldando os nveis aceitveis da QEE classificam os distrbios conforme o exposto abaixo, encontrado na literatura [5]:

Transitrios dos tipos impulsivos ou oscilatrios. Variaes de tenso de curta durao, que podem ser instantneas, momentneas ou temporrias.

Variaes de tenso de longa durao, que podem ser de trs tipos: interrupes, sobtenses ou sobre tenses sustentadas.

Desequilbrios de tenso causados por m distribuio de cargas monofsicas, e que fazem surgir no circuito tenses de sequncia negativa.

Distores da forma de onda, que podem ser classificadas em cinco tipos: nvel CC, harmnicos, interharmnicos, notching e rudos.

Oscilaes de tenso, que so variaes sistemticas dos valores eficazes da tenso de suprimento (dentro da faixa compreendida entre 0,95 e 1,05 pu) e que podem ser aleatrias, repetitivas ou espordicas.

Variaes da frequncia do sistema, que so definidas como sendo desvios no valor da frequncia fundamental deste sistema (50 ou 60Hz).

Figura 12 - Onda de qualidade mais comum

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2.4.1 Transitrios Primeiramente necessrio um estudo breve sobre as perturbaes conhecidas como transitrios. Os transitrios so criados quando se tem alguma alterao na rede eltrica ou em um sistema que possa vir a estar acoplado. Essas alteraes so bastante rpidas, mas levam os equipamentos a demandarem uma grande quantidade de corrente e/ou tenso. Eles podem ser classificados em dois grupos: os oscilatrios, que so criados no processo de chaveamento; e os impulsivos, que so causados por raios e troves (descargas atmosfricas em geral). Caracteriza-se o transitrio impulsivo como sendo uma alterao nos nveis de corrente e/ou tenso com impulsos unidirecionais polarizados. Em sua grande maioria, as frequncias desses impulsos diferem daquela encontrada nominalmente na rede eltrica. A figura 13 ilustra um transitrio.

Figura 13 Sobretenso decorrente da eliminao de uma falha

Tais descargas atmosfricas so basicamente cargas eltricas com bastante intensidade de energia. Assim como as cargas que trafegam pelo sistema de distribuio, as cargas provenientes de raios e outros fenmenos da natureza tendem a se dirigir atravs do condutor de fase. Dessa forma, diversos picos e vales so observados na tenso nominal. Picos de energia so conhecidos como sobretenses (swell) e vales so conhecidos como sobtenses (sag) ou interrupes. Como esto sendo estudadas as perturbaes transitrias, as sobretenses causadas por esse fenmeno podem desencadear os seguintes problemas: Elevao do potencial do terra local, em relao a outros terras, em vrios kV. Com isso, equipamentos eletrnicos conectados entre duas referncias de terra, tais como computadores conectados a modems, podem ser danificados quando submetidos a altos nveis de tenso.

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Induo de altas tenses nos condutores fase, quando as correntes passam pelos cabos a caminho do terra. Prosseguindo para o transitrio oscilatrio, os efeitos so basicamente os mesmos dos transitrios impulsivos, tendo como diferena entre eles a causa. Enquanto que no transitrio impulsivo tem-se como causas as descargas atmosfricas, as causas do transitrio oscilatrio so as eliminaes de faltas (interrupes), cortes de correntes indutivas e chaveamento de bancos de capacitores, entre outros. Na figura 14, pode-se observar o transitrio gerado pelo chaveamento de um banco de capacitores.

Figura 14 Transitrio proveniente do chaveamento de um banco de capacitores

2.4.2 Interrupes e SAGS As interrupes na tenso nominal podem ser instantneas, momentneas ou temporrias, variando o tempo da interrupo. So geralmente criadas na energizao de grandes cargas ou por maus contatos no sistema. Dependendo do local do distrbio, obtm-se como resultado um sag (queda de tenso temporria), um swell (elevao de tenso temporria) ou uma interrupo completa na alimentao do sistema eltrico. Estabilizadores do tipo nobreak tentam filtrar, entre outros distrbios, essas interrupes. possvel observar a realizao das manobras de proteo nos estabilizadores mais antigos e nos mais baratos atualmente, visto que seu circuito depende do chaveamento de bancos de capacitores entre outras estratgias para filtrar as perturbaes. Quando se sente uma oscilao na alimentao da residncia, por exemplo, so ouvidos diversos estalos oriundos do estabilizador, que so consequncia das manobras de proteo. Estabilizadores convencionais tentam reduzir os efeitos das sobretenses e sobtenses, enquanto que os

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nobreaks podem tambm eliminar interrupes, por um determinado perodo de tempo. O grfico da figura 15 ilustra algumas manobras de proteo.

Figura 15 Sequncia de manobras de proteo

Para uma sobretenso, o aparelho tenta dissipar parte da energia de forma a manter sua sada sempre constante, de acordo com a QEE. No caso de uma sobtenso de curta durao, o equipamento fornece energia armazenada em seus capacitores para manter sua sada constante. Quando h interrupo, o equipamento, dotado de um banco de baterias, fornece, por certo perodo de tempo, uma tenso constante na sua sada. Pesquisas mostraram que 75% das falhas nas linhas de transmisso so temporrias. Tal percentual era ignorado, porm, com o aumento da quantidade de equipamentos eletrnicos conectados rede, este nmero tornou-se relevante. Esses distrbios podem paralisar diversos equipamentos, levando a grandes prejuzos indstria e ao processo produtivo. 2.4.3 Sobretenso Uma sobretenso de curta durao (swell) caracterizada como o aumento entre 1,1 e 1,8 pu na tenso eficaz com uma durao entre 0,5 ciclo (a frequncia nominal da rede de 60 Hz ou 60 ciclos por segundo, logo 0,5 ciclo equivale a 0,008 segundos) e 1 minuto. Sobretenses ou picos so responsveis normalmente por falhas catastrficas no sistema. Os picos so culpados pelos danos materiais causados aos componentes de um circuito associado ao sistema. Quanto maior a durao do pico, mais prejuzos ao circuito este ir causar, podendo acarretar estragos ao ambiente que rodeia o equipamento danificado, como, por exemplo, a criao de incndios. Os picos podem ser gerados com a sada de grandes cargas na rede, com o chaveamento de grandes blocos de capacitores ou falhas na fase terra da rede. Observa-se na figura 16 um pico em vermelho, um vale em verde e a regio em amarelo a faixa tolervel de alimentao da rede.

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Figura 16 - Sobretenso

Devido ao aumento na implantao de cargas eltricas com caractersticas no lineares na rede eltrica brasileira, sero citados, a seguir, seus tipos, de forma a reduzir os locais onde esses distrbios so criados, que podem causar dano maior, conforme pode ser observado na literatura [5]:

circuitos de iluminao com lmpadas de descarga; fornos a arco; compensadores estticos tipo reator saturado etc. motores de corrente contnua controlados por retificadores; motores de induo controlados por inversores com comutao forada; processos de eletrlise atravs de retificadores no-controlados; motores sncronos controlados por ciclo conversores; fornos de induo de alta frequncia etc. fornos de induo controlados por reatores saturados; cargas de aquecimento controladas por tiristores; velocidade dos motores CA controlados por tenso de estator; reguladores de tenso a ncleo saturado; computadores; eletrodomsticos com fontes chaveadas etc.

Os distrbios danificam os aparelhos com relao ao tempo e sua intensidade. Na sequncia so mencionados quais danos podem ser esperados na presena dessas perturbaes na rede:

Capacitores: queima de fusveis e reduo da vida til. Motores: reduo da vida til e impossibilidade de atingir potncia mxima. Fusveis/disjuntores: operao falsa/errnea e componentes danificados.26

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Transformadores: aumento de perdas, causando reduo de capacidade e diminuio da vida til.

Medidores: possibilidade de medies errneas e de maiores contas. Telefones: interferncias. Mquinas sncronas: sobreaquecimento das sapatas polares, causado pela circulao de correntes harmnicas nos enrolamentos amortecedores.

Acionamentos/fontes: operaes errneas devido a mltiplas passagens por zero e falha na comutao de circuitos.

Carregamento exagerado do circuito de neutro, principalmente em instalaes que agregam muitos aparelhos eletrnicos e possuem malhas de terra mal projetadas.

2.4.4 Flutuaes ou oscilaes da tenso Essas perturbaes so variaes sistemticas (repetitivas) na tenso nominal de alimentao. Geralmente as indstrias so responsveis pela criao desses distrbios. Tais formas, descritas a seguir, foram extradas da literatura [5]: Flutuaes Aleatrias: causadas por fornos a arco, onde as amplitudes das oscilaes dependem do estado de fuso do material e do nvel de curto-circuito da instalao. Flutuaes Espordicas: causadas pela partida direta de grandes motores. Flutuaes Repetitivas: causadas por mquinas de solda, laminadores, elevadores de minas e ferrovias. 2.4.5 Variaes na frequncia de um sistema eltrico Variaes na frequncia so, como o nome sugere, variaes na frequncia da tenso nominal de alimentao. Sabendo-se que a rede eltrica de 220V e 60 Hz, todos os equipamentos eletrnicos so feitos para trabalhar com uma frequncia de alimentao de 60 Hz (virtualmente em todo o mundo). Essa frequncia definida na converso de outras fontes de energia em energia eltrica. Pode-se dizer, ento, que tal frequncia aquela na qual os geradores invertem os plos na converso da energia potencial em eltrica, como ocorre, por exemplo, nas hidroeltricas. Variaes nessa frequncia podem ser causadas nos geradores das usinas ou quando grandes cargas entram ou saem da rede. Na indstria ou em sistemas isolados, que possuem uma gerao de energia eltrica prpria e alternativa, as variaes na frequncia tendem a ser maiores.27

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O quadro 1 contm os principais distrbios, suas causas e efeitos no sistema, e as solues mais comuns. Analisando o primeiro pblico-alvo, que so residncias e produtores rurais de pequeno e mdio porte, possvel descartar alguns desses distrbios.

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[Digite texto] Quadro 1 Principais distrbios Distrbio Interrupes Descrio Interrupo total da alimentao eltrica Causas Curto-circuitos, descargas atmosfricas, e outros acidentes que exijam manobras precisas de fusveis, disjuntores, etc. Descargas atmosfricas Manobras da concessionria Manobras de grandes cargas e bancos de capacitores Efeitos Queda do sistema Danificao de componentes Perda de produo Solues UPS Geradores de emergncia (interrupes de longa durao)

Transientes

Distrbio na curva senoidal, resultando em rpido e agudo aumento de tenso

Travamento, perda de memria e erros de processamento Queima de placas eletrnicas, danificao de materiais de isolao e de equipamentos Perda de dados e erros de processamento Desligamento de equipamentos Oscilaes em motores com reduo de vida til

Supressores de transientes UPS com supressores de transientes Transformadores de isolao

Sag / Swell

Subtenses (sags) ou sobretenses (swells) curtas (meio ciclo at 3 segundos) Sags respondem por cerca de 87% de todos os distrbios eltricos Sinal indesejado de alta frequncia que altera o padro normal de tenso (onda senoidal)

Queda/Partida de grandes equipamentos Curto-circuitos Falha em equipamentos ou manobras da concessionria

UPS Reguladores de tenso

Rudos

Interferncia de estaes de rdio e TV Operao de equipamentos eletrnicos

Travamentos, perda de dados e erros de processamento Recepes distorcidas (audio e video)

UPS Transformadores de isolao Filtros de linha

2.5 Fator de potncia um problema? Primeiramente, para que possa responder essa pergunta, torna-se necessrio uma breve explicao sobre fator de potncia. Segundo o trabalho elaborado pelo engenheiro Valdecir Mateus [6] o fator de potncia definido como a relao entre a potncia ativa e potncia29

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aparente consumida por um dispositivo ou componente eletrnico, independentes das formas que as ondas de tenso e corrente apresentem. A relao matemtica disso :

Onde P a potncia ativa e S a potncia aparente.

Para o caso do projeto de condicionador de potncias para fontes alternativas de energia, a tenso e correntes que entrariam nesses componentes possuem formato aproximadamente igual a uma senide. O clculo para o fator de potncia se torna:

Essa equao baseada na interpretao geomtrica da figura 17:

Figura 17 - Tringulo das potncias

Nota-se que quanto mais o ngulo , tambm chamado de ngulo de defasagem entre a tenso e a corrente, estiver prximo de zero, maior ser seu fator de potncia. Por regulamentao da Agncia Nacional de Energia Eltrica (ANEEL), todos os aparelhos devem possuir fator de potncia mnimo de 0.92. Feitas essas consideraes, possvel concluir que quando o ngulo de defasagem entre tenso e corrente muito prximo de 90 graus, o fator de potncia ir se tornar um problema, pois estar bem menor que o valor estipulado por lei, tendo como consequncia a baixa eficincia de trabalho do equipamento, o que far com que ele no possua uma boa qualidade. 2.6 Legislao e faturamento A Resoluo Normativa n 414, de 9 de setembro de 2010, abrange aspectos tanto para concessionrias quanto para consumidores, cujos principais artigos so reproduzidos a seguir:30

[Digite texto]Art. 2 - Definies XVI concessionria: agente titular de concesso federal para prestar o servio pblico de distribuio de energia eltrica, doravante denominada distribuidora; XVII consumidor: pessoa fsica ou jurdica, de direito pblico ou privado, legalmente representada, que solicite o fornecimento, a contratao de energia ou o uso do sistema eltrico distribuidora, assumindo as obrigaes decorrentes deste atendimento (s) sua(s) unidade(s) consumidora(s), segundo disposto nas normas e nos contratos, sendo: a) consumidor especial: agente da Cmara de Comercializao de Energia Eltrica CCEE, da categoria de comercializao, que adquire energia eltrica proveniente de empreendimentos de gerao enquadrados no 5o do art. 26 da Lei no 9.427, de 26 de dezembro de 1996, para unidade consumidora ou unidades consumidoras reunidas por comunho de interesses de fato ou de direito cuja carga seja maior ou igual a 500 kW e que no satisfaam, individualmente, os requisitos dispostos nos arts. 15 e 16 da Lei no 9.074, de 7 de julho de 1995; b) consumidor livre: agente da CCEE, da categoria de comercializao, que adquire energia eltrica no ambiente de contratao livre para unidades consumidoras que satisfaam, individualmente, os requisitos dispostos nos arts. 15 e 16 da Lei no 9.074, de 1995; e c) consumidor potencialmente livre: aquele cujas unidades consumidoras satisfazem, individualmente, os requisitos dispostos nos arts. 15 e 16 da Lei no 9.074, de 1995, porm no adquirem energia eltrica no ambiente de contratao livre. XXXI energia eltrica ativa: aquela que pode ser convertida em outra forma de energia, expressa em quilowatts-hora (kWh); XXXII energia eltrica reativa: aquela que circula entre os diversos campos eltricos e magnticos de um sistema de corrente alternada, sem produzir trabalho, expressa em quilovoltampre-reativo-hora (kvarh); XXXV fator de potncia: razo entre a energia eltrica ativa e a raiz quadrada da soma dos quadrados das energias eltricas ativa e reativa, consumidas num mesmo perodo especificado; LXXXV unidade consumidora: conjunto composto por instalaes, ramal de entrada, equipamentos eltricos, condutores e acessrios, includa a subestao, quando do fornecimento em tenso primria, caracterizado pelo recebimento de energia eltrica em apenas um ponto de entrega, com medio individualizada, correspondente a um nico consumidor e localizado em uma mesma propriedade ou em propriedades contguas; LXXXVI unidade consumidora interligada: aquela cujo consumidor responsvel, seja o Poder Pblico ou seu delegatrio, preste o servio de transporte pblico por meio de trao eltrica e que opere eletricamente interligada a outras unidades consumidoras de mesma natureza, desde que atendidas as condies previstas nesta Resoluo; Seo IV Do Fator de Potncia e do Reativo Excedente Art. 95. O fator de potncia de referncia fR, indutivo ou capacitivo, tem como limite mnimo permitido, para as unidades consumidoras dos grupos A e B, o valor de 0,92. Pargrafo nico. Aos montantes de energia eltrica e demanda de potncia reativos que excederem o limite permitido, aplicam-se as cobranas estabelecidas nos arts. 96 e 97, a serem adicionadas ao faturamento regular. (Redao dada pela Resoluo Normativa ANEEL n 418, de 23.11.2010) Art. 96. Para unidade consumidora que possua equipamento de medio apropriado, includa aquela cujo titular tenha celebrado o CUSD, os valores correspondentes energia eltrica e demanda de potncia reativas excedentes so apurados conforme as seguintes equaes:

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onde: ERE = valor correspondente energia eltrica reativa excedente quantidade permitida pelo fator de potncia de referncia fR, no perodo de faturamento, em Reais (R$); EEAMT = montante de energia eltrica ativa medida em cada intervalo T de 1 (uma) hora, durante o perodo de faturamento, em megawatt-hora (MWh); fR = fator de potncia de referncia igual a 0,92; fT = fator de potncia da unidade consumidora, calculado em cada intervalo T de 1 (uma) hora, durante o perodo de faturamento, observadas as definies dispostas nos incisos I e II do 1o deste artigo; VRERE = valor de referncia equivalente tarifa de energia TE aplicvel ao subgrupo B1, em Reais por megawatt-hora (R$/MWh); DRE(p) = valor, por posto horrio p, correspondente demanda de potncia reativa excedente quantidade permitida pelo fator de potncia de referncia fR no perodo de faturamento, em Reais (R$); PAMT = demanda de potncia ativa medida no intervalo de integralizao de 1 (uma) hora T, durante o perodo de faturamento, em quilowatt (kW); PAF(p) = demanda de potncia ativa faturvel, em cada posto horrio p no perodo de faturamento, em quilowatt (kW); VRDRE = valor de referncia, em Reais por quilowatt (R$/kW), equivalente s tarifas de demanda de potncia - para o posto horrio fora de ponta - das tarifas de fornecimento aplicveis aos subgrupos do grupo A para a modalidade tarifria horossazonal azul e das TUSD-Consumidores-Livres, conforme esteja em vigor o Contrato de Fornecimento ou o CUSD, respectivamente; MAX = funo que identifica o valor mximo da equao, dentro dos parnteses correspondentes, em cada posto horrio p; T = indica intervalo de 1 (uma) hora, no perodo de faturamento; p = indica posto horrio, ponta ou fora de ponta, para as tarifas horossazonais ou perodo de faturamento para a tarifa convencional; n1 = nmero de intervalos de integralizao T do perodo de faturamento, para o posto horrio de ponta e fora de ponta; n2 = nmero de intervalos de integralizao T, por posto horrio p, no perodo de faturamento. 1o Para a apurao do ERE e DRE(p), deve-se considerar: I o perodo de 6 (seis) horas consecutivas, compreendido, a critrio da distribuidora, entre 23h 30min e 6h 30min, apenas os fatores de potncia fT inferiores a 0,92 capacitivo, verificados em cada intervalo de 1 (uma) hora T; e II o perodo dirio complementar ao definido no inciso I, apenas os fatores de potncia fT inferiores a 0,92 indutivo, verificados em cada intervalo de 1 (uma) hora T. 2 O perodo de 6 (seis) horas, definido no inciso I do 1o, deve ser informado pela distribuidora aos respectivos consumidores com antecedncia mnima de 1 (um) ciclo completo de faturamento. 3 Na cobrana da demanda de potncia reativa excedente, quando o VRDRE for nulo, a distribuidora deve utilizar valor correspondente ao nvel de tenso imediatamente inferior. Art. 97. Para unidade consumidora que no possua equipamento de medio que permita a aplicao das equaes fixadas no art. 96, os valores correspondentes energia eltrica e demanda de potncia reativas excedentes so apurados conforme as seguintes equaes:

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ERE = valor correspondente energia eltrica reativa excedente quantidade permitida pelo fator de potncia de referncia, no perodo de faturamento, em Reais (R$); EEAM = montante de energia eltrica ativa medida durante o perodo de faturamento, em megawatt-hora (MWh); fR = fator de potncia de referncia igual a 0,92; fM = fator de potncia indutivo mdio da unidade consumidora, calculado para o perodo de faturamento; VRERE = valor de referncia equivalente tarifa de energia TE aplicvel ao subgrupo B1, em Reais por megawatt-hora (R$/MWh); DRE = valor correspondente demanda de potncia reativa excedente quantidade permitida pelo fator de potncia de referncia, no perodo de faturamento, em Reais (R$); PAM = demanda de potncia ativa medida durante o perodo de faturamento, em quilowatt (kW); PAF = demanda de potncia ativa faturvel no perodo de faturamento, em quilowatt (kW); e VRDRE = valor de referncia, em Reais por quilowatt (R$/kW), equivalente s tarifas de demanda de potncia - para o posto horrio fora de ponta - das tarifas de fornecimento aplicveis aos subgrupos do grupo A para a modalidade tarifria horossazonal azul.

2.7 Sensibilidade de equipamentos eletrnicos O condicionador de potncia tem que normalizar a energia oriunda do processo de gerao alternativa (elica e solar) para ser utilizada nas tomadas residenciais e/ou industriais. Dessa forma, deve-se garantir que a energia condicionada que chega aos aparelhos eltricos e eletrnicos esteja em certa faixa adequada. Para saber que faixa essa, preciso analisar qual a sensibilidade dos aparelhos mais comuns que so utilizados em cada um dos nichos. Adotando-se como nicho o consumidor residencial/rural, que possui um consumo relativamente menor (levando em considerao moradias simples com poucos equipamentos eltricos e eletrnicos), estima-se que os aparelhos em questo tratam-se de televisores de pequeno e mdio porte, vcr, dvds, rdio-relgios, minisystens (aparelhos de som de pequeno porte), micro-ondas e geladeiras. Variaes no fornecimento de energia a esses aparelhos causam neles mau funcionamento, podendo levar a danos materiais. Picos na tenso de alimentao podem levar certos componentes, como resistores ou capacitores, a sofrer danos que impeam o funcionamento do circuito como um todo.

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Com o avano da microeletrnica, esses componentes tornaram-se mais sensveis devido reduo de seus tamanhos. Logo, deve-se proporcionar um fornecimento energtico mais uniforme a eles. Alm do mais, com o constante avano por mais funes e melhor qualidade, os microcontroladores esto sendo utilizados em uma escala mais ampla. Esses componentes so mais suscetveis a variaes energticas. Eles devem operar numa faixa bastante restrita de voltagem, normalmente de 3,3 a, no mximo, 7 volts, com correntes na casa dos miliampres, e pouca variao. Os danos que podem ser causados por variaes bruscas de corrente e tenso so: o rompimento das ligaes dentro do microcontrolador, derretimento da casca externa de proteo (encapsulamento) e perda na programao, tornando-o, assim, um componente intil no circuito. A figura 18 mostra uma curva de sensibilidade de alguns equipamentos logo aps a tolerncia a falhas de alguns componentes eletrnicos:

Figura 18 - Sensibilidade de Equipamentos Eletrnicos

2.8 Expanso modular de potncia para residencial e comercial de pequeno porte Com a expanso modular possvel ao usurio customizar o equipamento em funo das suas necessidades. Isso um facilitador do projeto, pois gera-se o projeto de pequenos mdulos que podem ser interligados entre si, aumentando assim, a capacidade de carga de sada e a possibilidade de o equipamento ser dimensionado mais precisamente. Essa caracterstica tambm possibilita a diminuio do valor final do produto, porm agregando valor a ele. A caracterstica mais bsica do sistema o de condicionamento da rede eltrica fornecida por uma distribuidora. Tal funo proporciona ao usurio obter uma energia de qualidade, mesmo com alguns problemas vindos da rede. A funo de devida necessidade aos que tm equipamentos muito sensveis a rudos vindos da rede. Trata-se, portanto, de34

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funo mnima do equipamento. Outra possibilidade de assimilao o modulo de gerao alternativa, que trabalha juntamente com o banco de baterias. Porm, ele usado para substituir a energia vinda da rede por fontes alternativas como a solar, a elica, a proveniente de biodigestores, dentre outras. Outra funo de possvel agregao o modulo de venda de energia. Nesse caso, possvel, se o usurio julgar interessante, vender concessionria a energia gerada, desde que junte esse mdulo aos demais. Os mdulos de potncia tambm podem ser ligados em forma de redundncia (backups). Essa funcionalidade d uma caracterstica peculiar ao sistema, pois se acontecer um mau funcionamento em um dos mdulos, o sistema continua a sua operao normal. Da mesma forma, em uma possvel manuteno preventiva e/ou preditiva, pode-se retirar o mdulo e executar a manuteno sem desligar o sistema. Como j dito anteriormente, a customizao do equipamento facilita o dimensionamento correto dos mdulos nas mais vastas aplicaes possveis de um sistema de condicionamento de energia. Exemplo de usurio de uma residncia rural, no levando em considerao um possvel sistema de irrigao: Bomba d'agua - Anauger 700 - 450W; TV Semp Toshiba Lumina 2982 AV CRT - 80W; Freezer - Consul CHA22C 213 l - 107W; Chuveiro - Lorenzetti Bello Banho - ~4600W; Refrigerador - Consul CRC28 241L - 90W; Triturador - TRAPP TRF 60 - ~1000W; Liquidificador - POLI LS-06MB - ~370W; Lmpadas - 3x 100W - 300W. Total de potncia em pleno uso - ~7000W. Outro exemplo, um usurio residencial urbano: TV Semp Toshiba Lumina 2982 AV CRT - 80W; Freezer - Consul CHA22C 213 l - 107W; Chuveiro - Lorenzetti Bello Banho - ~4600W; Refrigerador - Consul CRC28 241L - 90W; Computador + acessorios - ~500W; Lmpadas - 4x 100W - 400W; Mquina de lavar - Brastemp Clean 8 kg - ~1200W;35

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Liquidificador - POLI LS-06MB - ~370W; Ferro de passar - Arno Ultragliss FV4250 - 1400W. Total de potncia em pleno uso - ~9000W. E, por ltimo, um exemplo de uma pequena loja de polpas de frutas: Freezer Metalfrio DA400 - ~170W; 4x Freezer - ~680W; Computador + acessrios - ~500W; Lmpadas - 6x 100W - 600W; Liquidificador - POLI LS-06MB - ~370W; 2x Liquidificador - ~750W; CFTV - 4 cmeras + gravador + tela - ~120W. Total de potncia em pleno uso - ~2700W. (Dados baseados em equipamentos e/ou eletrodomsticos geralmente usados em uma residncia rural/urbana e/ou uma empresa de pequeno porte, porm com algumas caractersticas superiores para dar maior margem de clculos).

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3 ARMAZENAMENTO 3.1 Introduo No mbito da disciplina de projeto integrador, foi proposto um estudo para o desenvolvimento de um controlador de potncia. Neste relatrio, o foco ser na parte de armazenamento de energia por meio de baterias. As baterias chumbo-cido, ltio e nquel so as mais usadas para armazenamento de energia proveniente de fontes renovveis [7]. Assim, sero enfatizadas as baterias chumbo cido, que sero comparadas com outras baterias potenciais tambm utilizadas neste projeto. As baterias eletroqumicas so a tecnologia de armazenamento de energia eltrica mais antiga e ainda hoje a mais utilizada [7]. Da sua importncia para este projeto, j que o trabalho est voltado s fontes de energia alternativa, que podem no fornecer energia de forma constante, necessitando de um banco de baterias para o funcionamento adequado do sistema de demanda. Como sabido, a quantidade de energia eltrica produzida por um mdulo fotovoltaico varia significativamente com o nvel de insolao. Por exemplo, no incio da manh, no final da tarde ou em dias nublados os nveis de energia eltrica gerados so baixos; durante a noite no h nenhuma gerao; em dias claros, prximo ao meio dia, a gerao est no mximo. Assim como a energia eltrica produzida por geradores elicos que varia com a disponibilidade de ventos. Em sistemas isolados, no qual o fornecimento de energia eltrica necessrio de forma ininterrupta durante todo o ano, as baterias tm como funo: armazenar energia gerada, de maneira a servir como reservas de potncia. Observando o mercado de condicionamento de energia, conclui-se que as baterias mais utilizadas no Brasil em sistemas fotovoltaicos e elicos so as de chumbo-cido estacionrias. Tais baterias so usualmente mais caras quando comparadas a baterias automotivas e bateria de arranque, porm duram mais tempo nesse regime especfico de utilizao (podem operar com ciclos dirios de carga e descarga mais profundas), aumentando a vida til do sistema pelo funcionamento mais linear, o que pode ser importante para locais isolados e com pouca infraestrutura para uma eventual troca. 3.2 Baterias As baterias chumbo cidos foram concebidas em 1854 por Sinstede que utilizou placas de chumbo em cido sulfrico para armazenar energia. Em 1859, Plant melhorou a capacidade das baterias chumbo cidas com uma tcnica ainda usada atualmente (placas tipo37

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plante). De acordo com a Norma n 570 da Anatel, o acumulador chumbo-cido definido como: acumulador eltrico no qual os materiais ativos so o chumbo e seus compostos, e o eletrlito uma soluo aquosa de cido sulfrico. Existem baterias fluidas, baterias de gel e baterias AGM (Absorved Glass Mat). Para efeito deste estudo, foram escolhidas as baterias fluidas, por serem do tipo mais comum dentro das baterias cidas e as mais utilizadas para fontes alternativas na classificao Deep-cycle (ciclo profundo), que so caracterizadas por placas mais espessas e slidas e permitem a utilizao durante um grande perodo de tempo. Quanto maior a capacidade, medida em Ah (Ampre-hora) da bateria, maior a autonomia de funcionamento do sistema, caso esta esteja carregada e na ausncia de radiao solar ou de outra fonte geradora de energia. A medida Ampre-hora determina a corrente que o sistema pode fornecer quando submetido a x horas de funcionamento. Esse dado muito importante para o correto dimensionamento da bateria. A reao [8] que ocorre na bateria pode ser genericamente expressa por: Na carga:Energia + 2PbSO4 + 2H2O Pb + PbO2 + 2H2SO4

Na descarga:Pb + PbO2 + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O + Energia

Como exemplo de clculo, ser utilizada a bateria Delphi DF3000 que fornece 4 horas e meia de autonomia no regime de 30 A (ampre) e produz energia de 311 Watts hora (Wh) nesse regime de operao. 3.2.1 Um comparativo das baterias aplicveis Quanto s propriedades das tecnologias de armazenamento:Tabela 1 Relao custo, autonomia e eficincia Custo da energia Custo da potncia Caractersticas kWh/Ano kW/ano tempo (horas) 55 117 24 73 351 96 1a5 1 a 10 1a4

Tecnologia Chumbo-cido Nquel- cdmio Nquel - Hidreto metlico

Eficincia % 63 72 64

Fonte: BARTON, J. P.; INFIELD, D. G. Energy Storage and Its Use With Intermittent Renewable Energy, 2004.

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[Digite texto] Tabela 2 Tenso por clula e densidade de potncia NquelHidretos ons de Ltio ons de Ltio Cdmio Metlicos de com eletrlito Nquel de polmero Tenso por Clula (V) Densidade de Potncia (w/l) 1,2 60 1,2 320 2,5 642 3,6 2900

Chumbocidas 2 60

Fonte: Estudo de Baterias do Instituto Superior Politcnico de Viseu Escola Superior de Tecnologia.

Como pde ser observado, o custo da energia proveniente de baterias chumbo-cido mais baixo em relao aos acumuladores nquel e apresentam maior tenso por clula, diminuindo a quantidade de baterias. Apesar de no terem uma boa relao de densidade potncia quando comparada s outras, as baterias chumbo-cido apresentam um custo reduzido. Os principais componentes da bateria Delphi Freedom 3000 so: a) Grade: a tecnologia de grade e liga faz com que a bateria tenha menor perda de gua e melhor durabilidade. b) Placa: uma vez empastadas com o material ativo, as grades passam a ser chamadas de placas. c) Separador: utilizado para evitar que as placas se toquem e causem um curtocircuito. d) Conectores de placas: tm como funo unir as placas de um mesmo tipo, formando grupos positivos e negativos, e fazer a integrao entre as clulas. e) Elemento: um grupo de placas positivas e negativas intercaladas. Cada elemento gera 2 Volts; portanto, so necessrios 6 elementos para obter uma bateria de 12 Volts. f) Caixa/tampa: as caixas e tampas so feitas com um material leve, o polipropileno de alto impacto, excepcionalmente resistente e durvel. As caixas resistem s vibraes que ocorrem em servio e em diversos tipos de terreno, e so divididas em 6 clulas para abrigar cada elemento. g) Flame arrestor: dispositivo destinado a permitir a liberao de gases formada no interior do acumulador retendo a sada de partculas do eletrlito arrastadas durante o processo de carga e impedindo a entrada de impurezas no mesmo. Este filtro apresenta caractersticas de segurana, evitando a penetrao de gases e exploso do elemento. [8]39

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3.2.2 A respeito das caractersticas tcnicas da bateria escolhida para o estudo de caso A bateria a ser utilizada a que contm liga de chumbo clcio prata na placa, cuja finalidade proporcionar maior resistncia corroso, melhor condutividade, menor taxa de auto descarga, maior resistncia degradao trmica e maior tempo de vida til pela mnima perda de gua, sendo esta selada, livre de manuteno. No regulada por vlvula (VRLA Valve Regulated Lead Acid Battery), o dispositivo de liberao dos gases feito por um Flame arrestor, que possui um filtro antichamas. Tem eletrlito em forma fluda, o que permite melhor dissipao trmica da bateria, dando maior elasticidade na temperatura de operao. formada por 6 elementos geradores de energia, perfazendo um total de 12v por bateria. A bateria empregada neste estudo de caso intitulada pelo fabricante como Delphi Freedom 3000 (DF3000), ela tem capacidade indicada de 135 Ah temperatura de 25 C e capacidade nominal de 185 Ah em 100 horas e 160 Ah em 10 horas a 25C, chegando nessa corrente com 10,5v de tenso final da bateria (1,75v/elemento). Para a bateria em anlise, o fabricante especifica as tenses para o correto carregamento da bateria e, em caso do no uso delas, a tenso que os acumuladores devem estar submetidos para prolongamento da vida til. A Tenso de Flutuao, na qual se refere tenso dos retificadores sobre a bateria, vem a ser o nvel de tenso da qual os retificadores fornecem tenso ao consumidor (carga(s) instalada(s)) e mantm a bateria em um regime na qual ela permanece carregada e sem fornecer corrente ao consumidor. Isso ocorre da seguinte maneira: A tenso nominal fornecida por um elemento de bateria estacionria, neste estudo de 2,0V/el (Volts por elemento). Por exemplo, um determinado banco de bateria possui 24 elementos, 6 elementos por bateria, significa que sua tenso nominal de 48V. Assim, se submeter o banco a uma tenso maior, gerada por um retificador, tem-se assim duas fontes de corrente contnua em paralelo, sendo que a fonte de maior potencial ir fornecer toda corrente requisitada pela carga. exatamente isso que recebe a denominao de tenso de flutuao, ou seja, a tenso na qual a bateria no fornece corrente por estar sendo submetido em paralelo a uma fonte de maior valor. Em tenso de flutuao a bateria mantida carregada, isto , pronta para fornecer energia para carga, quando houver interrupo do fornecimento dos retificadores, por qualquer motivo. Normalmente, isso dependente de cada fabricante, mas em geral, a tenso de flutuao deve se manter em 2,2V/elemento. A tenso de carga ou carga de equalizao tem por funo a aplicao de uma tenso maior que aquela praticada em regime de tenso de flutuao; sendo seu valor determinado por cada fabricante de bateria, normalmente seus valores so entre 2,35V/elemento e 2,4V/elemento. Seu propsito 40

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compensar quaisquer irregularidades que possam ter ocorrido, ou regularizar as diferenas de tenses e densidades entre os elementos individuais de um banco. Neste estudo de caso, a bateria apresentar tenso final de 10,5v de acordo com o fabricante (DELPHI). A aplicao da tenso de carga pode ser justificada pelos seguintes critrios: quando a densidade de eletrlito de um elemento cair abaixo de 5 g/dm da mdia dos outros elementos do banco; quando a densidade mdia de todos os elementos cair mais de 5 g/dm da densidade a plena carga, corrigida a temperatura referncia (25C) e ajustado o nvel; quando a tenso de qualquer elemento apresentar uma diferena superior a 0,04V da tenso mdia dos elementos da bateria; quando houver necessidade da correo do nvel do eletrlito com gua destilada. Neste estudo no necessria essa reposio de gua, pois, como j citado anteriormente, a bateria livre de manuteno. A aplicao da tenso de carga pode ocorrer de trs maneiras: manual: quando o tcnico manualmente aciona a tenso de carga atravs da Unidade de Superviso de Corrente Contnua (USCC) ou da Unidade de Superviso de Distribuio (USD); automtica: quando ocorre uma interrupo do fornecimento de tenso das fontes externas, a bateria assume a demanda da residncia. Aps a normalizao do sistema, a bateria que foi descarregada passa a requerer uma corrente de carga. Um circuito no sistema de superviso detecta a corrente que, ao assumir um valor acima do ajustado (de acordo com a capacidade de Ampre-Hora da bateria), aciona automaticamente a tenso de carga, voltando a tenso de flutuao, quando a corrente diminui do valor pr-ajustado. Essa a opo a ser utilizada no sistema proposto, porm far-se- uso da tenso da bateria para estimar o nvel de carga e assim determinar quando ser necessrio o carregamento das baterias; outra forma, porm muito rara, a carga remota, onde atravs de um telecomando a carga acionada manualmente; porm alm de raro pouco recomendado, por no haver superviso. Abaixo as instrues do fabricante a respeito da tenso de equalizao e tenso de flutuao: Instrues de carga: Tenso de flutuao: 13,2 a 13,8 V @ 25C41

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Tenso de equalizao e carga: 14,4 a 15,5 V @ 25C Compensao de temperatura: Para cada 1C acima de 25C, subtrair 0,033 V; e para cada 1C abaixo de 25C, adicionar 0,033 V.Tabela 3 Corrente de descarga

Fonte: Manual Tcnico Freedom Delphi. Em destaque o modelo DF3000.

Figura 19 Curvas de Descarga Fonte: Manual Tcnico Freedom Delphi

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A tabela 4 estima a porcentagem de carga da bateria em relao voltagem; um grfico genrico para baterias cidas que ser tomado como referncia para o monitoramento de carga.Tabela 4 Relao entre a capacidade e a tenso das baterias

Estado de Carga 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0

Bateria de 12 Volts 12.7V 12.5V 12.42V 12.32V 12.20V 12.06V 11.9V 11.75V 11.58V 11.31V 10.5V

Tenso por clula 2.12V 2.08V 2.07V 2.05V 2.03V 2.01V 1.98V 1.96V 1.93V 1.89V 1.75V

Fonte:

Por fim, a tabela 5 mostrar a influncia do peso da bateria escolhida chumbo-cido relacionada com a energia e suas consequncias com relao implementao da arquitetura do projeto como um todo. Dessa forma, ratifica-se o porqu da escolha.Tabela 5 Relao entre Energia e Peso Densidade de Autonomia Tipo de Bateria Chumbo-cido Nquel-cdmio Sdio-enxofre Ltio Zinco-ar Hidreto de nquel metlico Energia (W-h/kg) 30-50 55 80-140 150 180-200 60 Urbana (km) 110-150 180-200 300 450 400 180-200 Observaes Confivel, baixo custo, pesada Tecnologia conhecida, cara Boa armazenagem, operao em temperatura elevada (350 C) Barata, P & D necessria Cara, ciclo de vida curto Popular, leve

Fonte: Dados de Replacing the Battery in Portable Electronics, de Chistopher K. Deyer, jul. 1999, p. 92.

Conforme mostrado acima, percebeu-se que a integrao entre a energia e o peso da bateria menor nas de chumbo-cido, produzindo um impasse no processo de escolha, tendo em vista o incmodo que elas causariam no processo de locao do Banco de Baterias proposto, j que, dessa maneira, precisaria de mais baterias, acumulando, por conseguinte, mais peso.43

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Dessa forma, por mais que a relao acima citada no seja favorvel para o tipo de bateria escolhida, a soluo encontrada para sanar tal dificuldade foi alocar o Banco de Baterias para um local isolado que no dificultasse o acesso ao cliente, pois, desse modo, todos os prs dessa bateria sobressairiam em relao ao seu peso, inclusive, ao desconforto quando se trata das suas dimenses.

3.3 Ciclo das baterias cidas (de maneira genrica) O ciclo de carga e descarga de uma bateria considerado completo quando ela atinge 100% da sua capacidade, ou seja, utiliza uma determinada profundidade de descarga e torna a recarregar novamente at os 100% de capacidade.Quanto menor for a profundidade da descarga maior o nmero de ciclos da bateria, logo maior a sua longevidade. Se a profundidade de descarga de uma bateria for de 50%, esta dura duas vezes mais do que uma profundidade de descarga de 80%, como se pode ver na figura 25. Da que o recomendado seja uma profundidade de descarga na ordem dos 50% (o que no invalida que por vezes a descarga v at aos 80%), pois o valor que proporciona um melhor fator custo/armazenamento, o que confere a este tipo de baterias uma longevidade entre os 500 e os 800 ciclos. [10]

O grfico representado na figura 20 traz a quantidade de ciclos de uma bateria:

Figura 20 Nmero de Ciclos versus Descarga

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3.4 Normas de referncia na concepo de baterias estacionrias As baterias estacionrias devem seguir as seguintes normas: a) NBR14199 /1998 Acumulador chumbo-cido estacionrio ventilado que dispe sobre ensaios: Capacidade, em ampres-hora, nas condies nominais - item 5.6.2; Capacidade, em ampres-hora, para regime diferente do nominal - item 5.6.3; Ensaio de durabilidade frente a ciclos de carga e descarga - item 5.7.1; Ensaio de durabilidade frente sobrecarga com tenso de flutuao e temperatura elevada item 5.7.2; Ensaio de aptido flutuao e reserva de eletrlito - item 5.8; Ensaio de reteno de carga item 5.9; Ensaio para determinao da resistncia interna e corrente de curto-circuito item 5.10; Queda de tenso nas interligaes item 5.11. b) NBR14198 Acumulador chumbo-cido estacionrio ventilado Terminologia c) NBR14197 Acumulador chumbo-cido estacionrio ventilado Especificao d) Norma para certificao e homologao de acumuladores chumbo-cido estacionrios para aplicaes especficas. Resoluo da Agncia Nacional de Telecomunicaes (Anatel) n 570, de 22 de agosto de 2011 e) NBR14200 Acumulador chumbo-cido estacionrio ventilado para sistema fotovoltaico Ensaios; f) CONAMA Resoluo N 401/2008 Estabelece limites mximos de chumbo, cdmio e mercrio e os critrios e padres para o gerenciamento ambientalmente adequado das pilhas e baterias portteis, das baterias chumbo-cido, automotivas e industriais e das pilhas e baterias dos sistemas eletroqumicos nquel-cdmio e xido de mercrio. 3.5 Algumas precaues e recomendaes As baterias foram concebidas para ter certa durabilidade, dependendo da profundidade do ciclo de carga/descarga das baterias cidas e da sua utilizao. Nesse sentido, abaixo so indicados alguns cuidados a serem observados:

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As baterias devem ser carregadas em reas ventiladas, pois sofrem reaes qumicas e consequentemente ocorre liberao de hidrognio, e este em contato com o oxignio forma uma atmosfera explosiva. A bateria e o local de instalao devem estar sempre limpos, mantendo o acesso ao local das baterias limitado ao pessoal qualificado; A limpeza das baterias no pode ser feita com solventes ou qumicos e no se deve utilizar panos sujos nas partes eltricas, para evitar descargas eletrostticas; A bateria deve ser carregada correta e totalmente, visando aumentar o tempo de vida til; No caso de utilizao de uma bateria que requeira manuteno, adio de gua destilada, ela deve manter o eletrlito com o nvel de gua correto. A verificao deve ser feita pelo menos de 12 em 12 meses; necessrio ter em considerao que a gua em excesso pode provocar uma m regulao da tenso. Caso seja adicionado ao eletrlito outra substncia que no gua destilada pura iro ser introduzidas impurezas que vo causar reaes qumicas adversas e interferir no normal funcionamento da bateria; A bateria no deve ser exposta a curto-circuitos, nem a vibraes; No devem ser ligadas entre si baterias diferentes tanto ao nvel da capacidade como do tipo. 3.6 Dicas de segurana Por ser um produto perigoso, devem ser tomados alguns cuidados durante o manuseio, instalao, manuteno, transporte e descarte da bateria. Nesse sentido, o Manual Tcnico de Bateria Estacionria Freedom [9] apresenta algumas dicas de segurana: Antes de utilizar a bateria, necessrio verificar as respectivas polaridades do circuito eltrico; Checar a tenso aplicada bateria para estar em conformidade com o manual do fabricante e refazer a medio de 3 a 6 semanas depois da primeira operao; Quando as baterias esto quase totalmente carregadas e lhes fornecida uma quantidade de energia superior que elas podem armazenar, a energia extra vai separar as molculas de gua em hidrognio e oxignio. Como o hidrognio um gs explosivo, o local onde se encontram as baterias ter de ser ventilado; Evitar fascas, chamas ou fumar prximo, pois podem causar exploso;46

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Manter fora do alcance das crianas; O chumbo uma substncia txica que em contato com o meio ambiente tem um efeito bio acumulativo prejudicial para toda cadeia alimentar e, portanto, no deve ser colocado em direto contato com a natureza. O seu descarte regulamentado pelo CONAMA e se enquadra na Poltica Nacional de Resduos Slidos (PNRS) como responsabilidade da empresa produtora pelo descarte com base na logstica reversa, definida pelo artigo 3, XII, da Lei n 12.305/2010, que tem o objetivo de direcionar as baterias usadas a locais apropriados para tratamento do chumbo que reciclvel. Logo, deve-se buscar um posto de coleta ou entrar em contato com o fabricante do produto para a coleta da bateria. Caso haja contato de algum fludo da bateria com os olhos ou pele, recomenda-se que lave imediatamente em gua corrente. Se ingerido, deve-se beber muita gua e procurar, urgente, atendimento mdico. O corrosivo (cido sulfrico) pode causar cegueira e queimaduras graves. Evitar contato com as roupas; e no virar a bateria. Proteger os olhos, pois os gases explosivos podem causar cegueira ou ferimentos.

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4 CONDICIONAMENTO 4.1 Caracterizao do Produto 4.1.1 O que o produto? Uma caixa preta que existe entre a fonte de energia renovvel (painis, gerador elico, gerador biodiesel) e a tomada. 4.1.2 O que faz? Molda o formato da onda que a fonte energtica entrega segundo os parmetros que os dispositivos ligados as tomadas esperam (220V, 60Hz). 4.1.3 Quem o desenvolver? A equipe de engenharia do empresrio-fictcio. 4.1.4 Onde ir ser utilizado? Em residncias, isoladas ou no. Que por algum motivo necessitem de uma fonte alternativa de energia. Uma fazenda um cenrio favorvel a aquisio deste produto, visto que nem sempre possvel levar a rede de distribuio sede da fazenda. 4.1.5 Como ser desenvolvido? Ser desenvolvido segundo as especificaes iniciais levantadas pelo grupo.

4.2 PWM Nesta seo, foi feita uma pesquisa sobre o funcionamento das 6 sadas PWM embutidas no arduino, com vrios testes prticos para que se familiarizasse com a sua utilizao. Percebeu-se que muito fcil controlar a porcentagem do ciclo ativo (duty cycle), mas que, em contrapartida, muito complicado customizar o perodo do PWM. Para poder alterar esse perodo, preciso descer o nvel de programao e trabalhar de forma direta com algumas estruturas do microprocessador AVR ATMega328.

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Antes de definir se os conhecimentos sobre o PWM podem ser aproveitados ou no, necessrio avanar mais na especificao do circuito inversor (DC/AC). Se for realmente inevitvel ter domnio tanto sobre a largura de pulso ativa quanto a frequncia, pode-se considerar a utilizao de circuitos externos para trabalhar com o PWM, ou solues alternativas, caso seja preciso apenas controlar a largura do pulso de forma dinmica, o conhecimento adquirido perfeitamente aplicvel. 4.3 Controle de eficincia de potncia Estudou-se, tambm, maneiras de melhorar a eficincia na transmisso de potncia ao longo do aparelho. Usualmente isso feito pelo casamento de impedncia dos dois sistemas, utilizando reatncias controlveis de forma a maximizar a transferncia da potncia entre dois circuitos (fonte alternativa e condicionador de potncia). Foi observado que uma alternativa interessante a utilizao do chaveamento de IGBTs, de forma a entregar ao condicionador de potncia a energia que est sendo requisitada e conduzir a sobressalente para o acmulo nas baterias estacionrias. 4.4 Definio da arquitetura do aparelho Aps a compilao do material tcnico pesquisado, foi proposto um diagrama de blocos que expressou a arquitetura do aparelho com uma viso macro do sistema. Assim, a partir dessa viso macro, foi possvel estabelecer o desenvolvimento de cada um dos blocos envolvidos.

4.5 Controles presentes no condicionador de potncia O condicionador deve possuir uma inteligncia de modo a gerenciar, da melhor forma possvel, alguns comportamentos do sistema. Abaixo feita uma relao dos controles a serem empregados e suas respectivas justificativas: Temperatura do banco de baterias: sabido que, de acordo com a temperatura que as baterias esto submetidas, h mudanas expressivas no s na vida til da bateria, mas tambm nos ciclos de carga e descarga. Carga disponvel: existe uma relao fornecida pelo fabricante entre a tenso nos terminais da bateria e a carga nela contida. importante manter o controle da carga

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da bateria a fim de se obter ciclos de carga e descarga eficientes, maximizando a vida til da bateria e garantindo a disponibilidade de carga armazenada. Potncia de entrada: o sistema deve ser capaz de medir a potncia que chega ao aparelho pela fonte de entrada, para q