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Vol. 04 - Nº 28 - MAI/JUN 2019

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ISSN 2526-7167

Energia Solar Fotovoltaica e Geração Distribuída continuam crescendo em 2019


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ÍNDICE

04 Controle descentralizado

12 Bateria de lítio parte 02

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Plataforma de inversor monofásico

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E-MAIL: comercial@revistabrasilsolar.com COLUNISTAS/COLABORADORES Rosana G. Almeida, Janaína B. Almada, Ruth P.S. Leão, Maria de Fátima N. C. Rosolem, Raul F. Beck, Rosemberg B. de Sousa, Luiz D. dos S. Bezerra, Otávio M. Palma, Ezequiel J. de Lima, Marcelo dos S. Monteiro, Mozart F. B. Junior, Ricardo da S. Mendonça

Os artigos e matérias assinados por colunistas e ou colaboradores, não correspondem a opinião do RBS Magazine - Revista Brasil Solar, sendo de inteira responsabilidade do autor.

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Artigo

CONTROLE DESCENTRALIZADO

PARA UMA MICRORREDE ISOLADA UTILIZANDO SISTEMAS MULTIAGENTES Rosana G. Almeida1; Janaína B. Almada2; Ruth P.S. Leão3 RESUMO

Nos últimos anos, a integração de unidades de geração distribuída (GD), nas redes de distribuição de energia elétrica aumentou consideravelmente. Nesse contexto, surge o conceito de microrrede como uma forma efetiva de fazer uso dos benefícios das GDs, agregando-as as suas cargas em um subsistema controlável. Este artigo apresenta uma abordagem de controle distribuído primário e secundário aplicado a uma microrrede composta por duas unidades de geração fotovoltaica, de 10 kW e 5 kW, e uma microturbina a gás, de 15 kW. O controle primário da microrrede foi implementado através da técnica de controle por inclinação. Para a aplicação em sistemas de baixa tensão, esta técnica foi adaptada através do uso da transformada dq e da emulação de uma impedância virtual indutiva. O restabelecimento dos desvios de frequência e tensão do valor nominal foi realizado por uma estratégia de controle secundário através de um sistema multiagente (SMA). Para isso, utilizou-se a plataforma de código aberto PADE (Python Agent Development Enviroment), apropriada para o desenvolvimento de SMA no sistema de potência. As simulações da microrrede foram realizadas no software PSCAD® que em sua versão mais recente dispõe de uma biblioteca de automação na linguagem Python 3, permitindo a interação com a plataforma PADE(Python Agent Development Enviroment). O desempenho do controle por inclinação foi observado através do compartilhamento apropriado de potência das fontes de geração e do desacoplamento entre a potência ativa e reativa das mesmas. Ademais, a comunicação entre o PSCAD e o PADE foi realizada, possibilitando a leitura de dados da simulação e o envio de comandos, em tempo real. Palavras-chave: Controle por inclinação; Energia Renovável; Geração Distribuída; Microrrede; Sistema Multiagente

1.Introdução Nos últimos anos, a inserção de Geração Distribuída (GD) com insumos renováveis, com destaque para eólio elétricas e solar fotovoltaicas, tem crescido, e a atual conjuntura dos sistemas de distribuição de energia elétrica (SDEE) tem sido modificada. Nesse contexto, considera-se a integração de unidades de geração conectadas diretamente ao sistema de distribuição e localizadas mais próximas ao consumidor. Com isso, surgem algumas questões técnicas relevantes, como a necessidade de controle da frequência e tensão, a avaliação das correntes de curto circuito e a análise da estabilidade do sistema, face a crescente incorporação deste tipo de geração ao sistema elétrico.

associadas formam um subsistema conectado ao SDEE por um ponto comum de conexão (PCC), como pode ser visto no esquemático apresentado na Figura 1.

Para o SDEE, a microrrede é vista como uma entidade única, capaz de injetar potência na rede (vista como fonte) ou receber potência da rede (vista como carga). Outra posO conceito de microrrede (MR) sibilidade, que surge com essa agreemerge como uma abordagem em gação de fontes e carga, é capacidade que um conjunto de GDs e suas cargas dessa entidade operar conectada ou mento para lidar com os excedentes e déficits na geração. ilhada à rede elétrica principal. Engenheira – Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, CE, rosana.g.a26@gmail.com 2 Mestre – Universidade da Integração Internacional da Lusofonia Afro-Brasileira , Acarape, CE janainaalmada@ unilab.edu.br 3 Doutora – Universidade de Fortaleza, Fortaleza, CE, rleao@dee.ufc.br 1

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Devido à variação dos insumos renováveis (p.ex. velocidade do vento e irradiação solar) é interessante a utilização de sistemas de armazena-

Quando conectada, as variações de tensão (magnitude e frequência) são ditadas pela rede elétrica principal, visto que as fontes de GD são


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consideradas de pequeno porte. Uma estratégia para operação da microrrede nesse modo é manter o sistema de armazenamento de energia (SAE) carregado e maximizar a produção, utilização e exportação da geração renovável. [1] Por outro lado, no modo ilhado o balanço energético passa a ser a função primordial dos controles aplicados a microrrede. O SAE é utilizado em função das características das fontes de geração intermitente no sentido de manter controladas a magnitude e a frequência da tensão fornecidos às cargas. Assim, são necessárias estratégias de controle para garantir a estabilidade e a qualidade da energia elétrica gerada pela MR. A estratégia de controle de uma microrrede pode ser subdividida em três níveis hierárquicos: primário ou local, secundário e terciário. Os dois primeiros níveis são associados à operação da microrrede propriamente dita, enquanto o nível terciário diz respeito à operação coordenada entre microrredes vizinhas e a rede de distribuição da concessionária. [2] O controle primário refere-se ao controle dos conversores que interligam os elementos da microrrede com o objetivo de proporcionar o ompartilhamento adequado de potência ativa e reativa entre as unidades de GD. Existem diversas arquiteturas de gestão e controle dos recursos de uma microrrede à nível primário. Algumas são baseadas em sistemas de controle centralizado, como a técnica de controle Mestre-escravo. Outras abordagens propõem a gestão do balanço energético da microrrede de forma distribuída, utilizando-se de técnicas como o controle por inclinação (do inglês droop control) que dispensa a necessidade de estruturas de comunicação entre os elementos da MR. O controle secundário da microrrede deve ser projetado para restaurar a frequência e a tensão das fontes bem como garantir operação estável da microrrede sob várias condições de carga e configurações diferentes. Semelhantemente, a arquitetura do controle pode ser centralizada

ou distribuída. Tradicionalmente nos sistemas de potência o controle secundário usa arquitetura centralizada. Entretanto, nos últimos anos, a estrutura de sistemas multiagente (SMA) tem recebido muita atenção por causa da flexibilidade e eficiência computacional.

segundo a capacidade de cada fonte. O mesmo ocorre entre a magnitude da tensão e a injeção ou absorção de potência reativa. [4]

2.1 Controle por inclinação (Droop Control)

Porém, em sistemas de distribuição cuja relação X/R é baixa, a aplicação do controle por inclinação é limitado por problemas de acoplamento entre a potência ativa e a reativa, tornando o compartilhamento entre as fontes GD impreciso para microrredes conectadas nesse nível de tensão. Necessita-se, portanto, do uso de alguma estratégia para contornar esse problema, como, por exemplo, a emulação de uma impedância virtual. [5]

Essa relação é descrita pelas equações abaixo, típicas do controle por inclinação clássico. Adicionalmente, pode-se utilizar uma parcela integraEste artigo tem como objetivo tiva à equação Q-V com o objetivo de apresentar a aplicação do controle por anular o erro do controle em regime inclinação e por sistema multiagente, permanente. ambos distribuído, em uma microrrede, em operação ilhada, composta por duas unidades de geração fotovoltaica, de 10kW e 5 kW, e uma microturbina a gás, de 15 kW. O controle por incli- em que: nação foi implementado utilizando-se a transformada dq para desacoplar as • ω0 e V0 são a frequência e ampotências ativa e reativa da MR, pro- plitude de referência da malha de porcionando um compartilhamento controle da potência. Em geral, esses mais preciso da carga. valores correspondem à frequência da rede e à tensão nominal do conversor; As simulações foram realizadas através do software PSCAD e o SMA • m e n são os coeficientes de inimplementado em linguagem Python clinação clássicos do controle por inatravés da plataforma de desenvol- clinação vimento de agentes PADE (Python Agent Development Enviroment). [3] • ni é o ganho integral do controle V-Q 2. Fundamentos das Técnicas de Controle de Microrredes • P e Q representam os fluxos de potência ativa e reativa, respectivaNeste trabalho são propostos os mente. controles primário e secundário para uma MR. O controle primário é imA grande vantagem do droop conplementado através da técnica de trol é que o ponto de operação de cada controle por inclinação e o controle fonte é ajustado de acordo com a tensecundário é pensado seguindo a es- são em seus terminais e não há necestratégia de SMA. sidade de comunicação.

A técnica de controle por inclinação convencional pode ser aplicada no paralelismo de conversores de conexão das unidades de GD em microrredes.

No método de controle por inclinação, cada conversor fonte de tensão é controlado de modo semelhante a um gerador síncrono, de forma a apresentar características de inclinaNeste trabalho, o controle por inção para potência ativa- frequência clinação é implementado utilizando(P-ϖ) e potência reativa-amplitude -se transformada dq e a emulação de da tensão (Q-V). Quando há varia- uma impedância virtual com caracteção na frequência, todos os converso- rística indutiva a fim de superar essas res mudam seu ponto de operação e limitações provenientes da aplicação contribuem com o aumento ou a di- do droop control em sistemas de disminuição da potência ativa injetada, tribuição de acordo com [6]. RBS Magazine

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2.2 Sistemas Multiagentes

o despacho da carga e reestabelecer a frequSistema Multiagente é uma es- ência e a amplitude da tratégia de controle distribuído que tensão na microrrede. tem sido aplicada nos diferentes segA configuração mentos dos sistemas elétricos devido as suas características de autonomia, do SMA depende das reatividade, proatividade e sociabili- características particulares da MR, por dade. [7] exemplo: a natureza Um SMA consiste em um con- das fontes de geração junto de agentes que interagem entre (intermitentes ou dessi, por meio da troca de mensagens, pacháveis), a presença através de uma infraestrutura de rede ou não de sistemas de de comunicação. Um agente é qual- armazenamento e o quer entidade (física ou virtual) que modo de operação da possa ser vista como percebendo seu MR. ambiente através de sensores e agindo A arquitetura do autonomamente sobre esse ambiente através de atuadores, e ao fazê-lo re- sistema multiagente aliza um conjunto de metas ou tarefas para a MR proposta pode ser observada para as quais foram designados.[8] na Figura 3, composto Neste artigo, o SMA é desenvolvi- pelos Agente Geração do e executado na plataforma PADE Despachável, Agente (Python Agent DEvelopment [3], uma Geração Intermitente, estrutura de arquitetura aberta base- Agente Carga e Agente ada no padrão FIPA (Foundation for Balanço. Intelligent Physical Agents) [9], que O Agente Gerapermite o desenvolvimento de sistemas de agente flexível, expansível e ção Intermitente tem a função de monitorar a tolerante a falhas. potência gerada pelas unidades de geração 3. Metodologia fotovoltaica. O Agente Este trabalho propõe o controle Geração Despachável primário e secundário de uma mi- tem a função de concrorrede, em operação ilhada, com- trolar a potência geraposta por duas unidades de geração da pela microturbina a fotovoltaica, de 10kW e 5 kW, e uma gás. Além disso, quando necessário, esses microturbina a gás, de 15 kW. agentes têm a função Para isso utiliza-se a estratégia de de alterar os valores de controle por inclinação no controle referência do controle primário e SMA no controle secundá- por inclinação, com a finalidade de regular a rio. frequência e a amplitude da tensão de Para isso, os Agentes Geração Insaída do conversor. Cada unidade de O controle por inclinação é impletermitente e Geração Despachável nementado utilizando-se transformada GD da microrrede é supervisionada gociam constantemente a contribuidq e a emulação de uma impedância por um Agente Geração Intermitente ção de cada unidade de geração. virtual com característica indutiva, ou Despachável, de acordo com a natureza da fonte geradora. como pode-se observar na Figura 2. 4. Resultados Obtidos O Agente Balanço é responsável por monitorar o balanço total da potência gerada na microrrede, atentando-se à frequência de operação da mesma. Além disso, os agentes geração são configurados para operar priorizando o despacho de potência O sistema Multiagente, em desen- proveniente das fontes de geração involvimento, tem a função de gerenciar termitentes. Os coeficientes de inclinação utilizados para cada fonte podem ser vistos a partir da Tabela 1. O ganho integral ni da malha de controle Q-V foi definido 0,0001 para todas as fontes de geração.

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A implementação da estratégia de controle proposta foi dividida em duas etapas de simulação. Primeiramente, foram projetadas as malhas de controle dos conversores. Para as malhas internas de tensão e corrente, implementou-se o controle baseado nas coordenadas dq. A malha


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de potência fornece a referência Vd para a malha de tensão e o φ para as transformadas dq. A técnica de controle por inclinação utilizada resulta no compartilhamento de potência ativa correto e no controle da potência reativa em valores em torno de 0 kVar. Inicialmente as simulações foram realizadas considerando-se diferentes condições de carregamento da microrrede. Nesta etapa, verificou-se o compartilhamento de carga e os níveis de tensão e corrente da microrrede. Em seguida, considerou-se a operação a MR sem a contribuição da microturbina a gás, uma vez que o despacho da carga é feito prioritariamente pelas fontes intermitentes. Os resultados de potência ativa, frequência (rad/s) e potência reativa observados nas simulações, para as três fontes de geração, são apresentados nas Figuras 4, 5 e 6. Inicialmente a microrrede encontra-se operando em plena carga e todas as fontes de geração operam com seus valores nominais. Dessa forma, a frequência de operação da microrrede é controlada em ω0= 2π60. Após isso, em 0,5s e 0,7s são realizados cortes na carga e a potência de operação das GDs são limitadas, uma vez que a microrrede proposta não trolada, mesmo existindo variações dispõe de um sistema de armazena- da potência ativa, em todo o intervalo mento de energia. de operação da MR. Isso evidencia o desacoplamento entre a potência ativa Nessa situação é possível verificar e reativa através da técnica adaptada o compartilhamento da potência ativa de controle por inclinação. adequado entre as unidades geradoras, visto que as fontes operam sempre Finalmente, através da Figura 7 de acordo com as suas capacidades. verifica-se que não houve variações nos níveis de tensão das unidades de Além disso, verifica-se um au- geração da microrrede em nenhuma mento da frequência de operação da das situações descritas anteriormente. rede, seguindo a relação de inclinação proveniente do droop control. Seguindo [8], a segunda etapa da simulação, consiste na implemenPor fim, a microturbina a gás é tação do controle secundário através desativada, visto que as fontes de ge- do sistema multiagente proposto no ração fotovoltaica são suficientes para tópico anterior. Essas simulações, ainsuprir a carga da MR, em aproxima- da em desenvolvimento, estão sendo damente 1,2s. realizadas no software PSCAD, que recentemente desenvolveu uma biAdemais, através da Figura 6 ob- blioteca de gerenciamento e controle serva-se que a potência reativa foi con- através da linguagem Python 3. Isso 8

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tornou viável a integração do software PSCAD e a plataforma PADE para o desenvolvimento dos agentes. A comunicação entre o PSCAD e o PADE foi realizada, possibilitando a leitura de dados de simulação e o envio de comandos em temporeal. Além disso, já se dispõe de alguns protocolos de comunicação do padrão FIPA, como os protocolos: Fipa-Request; Fipa-Contract-Net e Fipa-Subscribe. Para exemplificar a evolução na utilização dos agentes no PSCAD, é mostrado na Figura 8 a implementação do protocolo Fipa-Request entre o Agente Geração Intermitente (AGI) e Agente Geração Despachável (AGD). Onde o AGD requere informações ao AGI sobre a potência gerada pela fonte de geração fotovoltaica.


Artigo

Por fim, a Figura 9 mostra o diaFuturamente, serão implementagrama de comunicação entre os agen- dos todos os agentes especificates, gerado pelo próprio PADE. dos com o objetivo desenvolver o controle secundário da microrreEsse exemplo mostra a viabilida- de, que exerce importante papel de do desenvolvimento nessa plata- no reestabelecimento da frequforma dos agentes necessários para a ência e amplitude da tensão, em implementação do controle proposto. situações de sobrecarga ou deviEntretanto, a comunicação entre os do a própria atuação do controle agentes, utilizando o padrão FIPA, primário. disponível na plataforma PADE, está em processo de implementação. AGRADECIMENTOS

Figura 9. Diagrama de comunicação gerado pelo PADE (Protocolo Fipa_Request)

5. Conclusões

Aos membros do Grupo de Processamento de Energia e Os sistemas de distribuição nas Controle (GPEC) e do Grupo de próximas décadas serão compostos Redes Inteligentes (GREI), ampor múltiplas microrredes supridas bos da Universidade Federal de prioritariamente por recursos energé- Fortaleza (UFC) e aos órgãos de ticos renováveis, de modo a garantir fomento à pesquisa CNPq e CAPES. confiabilidade, eficiência e sustentabilidade energética. REFERÊNCIAS Além disso, atualmente, o projeto de microrredes é visto como uma alternativa, para geração de eletricidade em locais remotos ou de difícil acesso, onde não há disponibilidade de energia elétrica a partir dos sistemas de distribuição e transmissão. Assim torna-se importante o estudo do controle de uma microrrede operando isolada. A partir dos resultados obtidos, foi possível verificar uma atuação satisfatória do controle por inclinação adaptado para sistemas de baixa tensão. Dessa forma, observou-se uma correta coordenação entre as unidades de geração distribuída no compartilhamento de potência ativa, segundo a capacidade de cada fonte. Além disso, verificou-se o controle preciso da potência reativa em níveis baixos, em torno de zero. Isso aconteceu devido ao desacoplamento entre a potência ativa e reativa, além da adaptação do droop adicionando-se uma parcela integrativa à relação Q-V. Ademais, foram especificados os comportamentos dos agentes que compõem o sistema multiagentes para a atuação no controle secundário da microrrede isolada. Por fim, foi estabelecida a comunicação entre o PSCAD e o PADE e implementada a comunicação entre os AGI e AGD utilizando-se o Protocolo Fipa_Request. 10

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[1] Caracas, J. V. M. et al. (2018). Controle Adaptativo para Balanceamento dos Estado de Carga de Múltiplos Sistemas de Armazenamento de Energia em Microrredes Descentralizadas com Barramento CA. In: XXII CBA: 22º Congresso Brasileiro de Automática. João Pessoa/PB.

[5] Dou, C. et al.(2016) Improved control based on virtual impedance and virtual power source in low-voltage microgrid.IET Generation, Transmission & Distribution

[6] Margoum, E. H. et al.(2017). Design and control of parallel three phase voltage source inverter in low voltage AC microgrid. Power Engineering [2] Bevrani, H. (2017). Microgrid and Electrical Engineering.Vol.15. Control: A solution for Penetration of Renewable Power. In: Internatio- [7] Sampaio, R. F.; Melo, L. S., Leão, R. nal Conference on Green Energy and P. S.,Barroso, G. C. and Bezerra, J. R.( Applications. University of Kurdistan. 2016). Automatic restoration system for power distribution networksbased pp.1-6 on multi-agent systems. IET Gene[3] Melo, L. S. (2015). Desenvolvi- ration, Transmission & Distribution. mento de uma Plataforma para Im- pp.475-484. plementação de Sistemas Multiagentes com aplicação para Recomposição [8] Almada, J. B. et al. (2018). SisteAutomática de Sistemas de Distribui- mas de Controle Distribuído Aplicação de Energia Elétrica. Dissertação dos a Microrredes. In: XXII CBA: 22º (Mestrado em Engenharia Elétrica) Congresso Brasileiro de Automática. - Programa de Pós Graduação em En- João Pessoa/PB. genharia Elétrica, Universidade Fede[9] FIPA. FIPA ACL Message Structural do Ceará. re Specification. Disponível em:<ht[4] Elgerd, O. I. Electric Energy Sys- tp://www.fipa.org/specs/fipa00061/ tems Theory an Introduction. 1982. 2ª SC00061 G>. Acesso em: 27 nov. 2017a Edição.


Artigo - parte 2

BATERIAS DE LÍTIO

para Veículos Elétricos e Híbridos PARTE 02

Maria de Fátima N. C. Rosolem, Raul F. Beck Fundação CPqD

RESUMO Desde a década de noventa a sociedade moderna está passando por grande revolução tecnológica iniciada com a introdução dos equipamentos eletrônicos portáteis, tais como telefones celulares, laptops, etc. O sucesso destes equipamentos foi possível devido à introdução comercial da célula de bateria de lítio-íon em 1991 pela Sony. A viabilização técnico-comercial das células de lítio-íon não foi alcançada do dia para a noite, é o resultado de décadas de pesquisa e contribuições de muitos cientistas, engenheiros e pesquisadores. Nos dias atuais, para atender a crescente demanda por armazenamento de energia, principalmente pela popularização dos veículos elétricos em países como China, Japão, Coréia, Estados Unidos, Alemanha, França, Holanda, Noruega, etc., muitos esforços vêm sendo realizados para melhorar o desempenho das baterias de lítio-íon, sendo necessário intensificar as pesquisas para desenvolver as novas gerações das células de lítio buscando aumentar significativamente sua densidade de energia, ciclabilidade, corrente de recarga, estabilidade e segurança. O aumento da densidade de energia das baterias pode ser alcançado através dos materiais do ânodo e cátodo, já a questão de segurança pode ser aumentada utilizando eletrólitos sólidos. Novos conceitos de células de bateria têm que ser desenvolvidos para que nos próximos anos seja possível viabilizar outras tecnologias, além da bateria de lítio-íon. Dentro desta estratégia a pesquisa tem se intensificado para viabilizar as baterias a base de lítio metálico, tais como lítio-enxofre, lítio-ar, e outras tecnologias como sódio-íon, manganês-íon, etc.

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m continuação a Parte 1 deste artigo, publicada na Revista RBS 27 apresentando os conceitos básicos de operação da bateria e os principais progressos, estudos e desenvolvimentos, esta Parte 2 mostrará os principais desenvolvimentos dos materiais constituintes das placas positivas (cátodos), negativas (ânodos), eletrólito e separadores. A Parte 3 que se seguirá apresentará as principais pesquisas e desenvolvimentos de outros tipos de baterias, denominadas na literatura internacional como "pós lítio-íon".

LMO = óxido de manganês NMC = óxido de níquel-cobalto-manganês NCA = óxido de níquel-cobalto-alumínio LCP = cobalto fosfato de lítio LFP = ferro fosfato de lítio LFSF = ferro flúor sulfato de lítio

LCO = cobaltato de lítio

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• 4V (com estrutura em camada 3-d): LiCoO2, LiNiO2 • 4V (com estrutura espinel 3-d): LiMn2O4 • 4V (com estrutura olivina): LiFePO4 • 5V (com estrutura olivina): LiMnPO4, LiCoPO4 • 5V (com estrutura espinel 3-d): Li2MxLi2MxMn4-xO8 (M= Fe, Co)

Cátodos Há um grande número de materiais candidatos para o cátodo que vêm sendo estudados e utilizados para bateria de lítio-íon. A Figura 3 mostra a capacidade específica em função do eletropotencial de vários materiais de cátodos do tipo intercalação disponíveis comercialmente. Como pode ser observado, os materiais a base de cobalto apresentam maior capacidade e tensão. Os acrônimos para os materiais de intercalação são:

2-d): MnO2 e V2O5

Figura 3: Cátodos comerciais do tipo de intercalação

LTS = sulfeto de titânio e lítio Os materiais para o cátodo podem ser categorizados baseado na sua tensão operacional (neste caso tendo como referência um eletrodo de lítio). Tipicamente as tensões dos eletrodos dos cátodos são:

Geralmente é desejado que o cátodo apresente elevada tensão. Contudo a sua estabilidade no eletrólito também deve ser considerada.

Conforme apresentado anteriormente a maioria dos cátodos são constituídos por compostos de intercalação e são formados por óxidos metálicos de transição. No entanto, em termos de cátodos de intercalação, • 2V (com estrutura em camada atualmente as pesquisas estão focadas 2-d): TiS2 e MoS2 nos óxidos metálicos de transição e compostos poliânions, devido a ele• 3V (com estrutura em camada vada tensão de operação destes ma-


ESTRUTURAS

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METÁLICAS

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SOLAR

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Artigo - parte 2

teriais, o que contribui também para apresentarem elevada capacidade de armazenagem de energia. Resultados das pesquisas em andamento apontam que as próximas gerações de cátodos de óxidos metais de transição serão constituídas pelos óxidos enriquecidos de níquel, lítio e manganês. Já há produtos comerciais que estão utilizando enriquecimento parcial de óxidos. Explorando novos materiais para cátodos, pesquisadores desenvolveram uma nova família de cátodos denominados de poliânions. Largos poliânions (XO4)3_ (X = S, P, Si, As, Mo, W) ocupam posições em rede e aumentam o potencial redox, enquanto também estabilizam sua estrutura. Ferro fosfato de lítio - LiFePO4 (LFP) apresenta estrutura cristalina tipo olivina, sendo conhecido por sua estabilidade térmica e elevada capacidade de potência. No LFP, os íons de lítio e de ferro com dois estágios de valência (Fe+2) ocupam os lados octaedros enquanto o fósforo é localizado no lado tetraedro. A maior desvantagem do cátodo de LFP é sua baixa tensão e baixa condutividade elétrica e iônica. Nos últimos anos muitas pesquisas resultaram em avanços significativos, tanto no desempenho como no entendimento do mecanismo de reações do LFP. Redução do tamanho de partícula com cobertura da superfície do material com carbono e dopantes catiônicos tem sido empregado eficientemente no aumento do seu desempenho em corrente elevada de descarga. Outras estruturas de olivinas incluindo LiMnPO4 (LMP) apresentam tensão cerca de 0,4 V superior ao LFP, e maior densidade de energia, mas apresenta menor condutividade. Resultados promissores vêm sendo alcançados com os materiais LiCoPO4, LiNi0.5Co0.5PO4, e LiMn0. Fe0.33Co0.33PO4 (LCP, NCP, MFCP) 33 em termos de aumento de potência, estabilidade e densidade de energia. A olivina desenvolvida recentemente Li3V2(PO4)3 (LVP) apresenta elevada tensão operacional (4,0 V) e boa capacidade (197 mAh/g). Notavelmente nanocompostos de compostos LVP/C apresentaram capacidade teórica de 95% quando descarregada com 5C, apesar da baixa condutividade eletrô14

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nica do LVP (similar a LFP). A Figura 4 apresenta vários materiais com potencialidade para serem utilizados como cátodos, que estão sendo investigados e estudados. Como é possível observar, alguns compostos apresentam capacidade teórica superior a 600 mAhg-1.

sentam o ponto chave para viabilizar o uso destes materiais inovadores. As vantagens esperadas para o uso de nanotecnologia em baterias de lítio-íon são: • Aumento da área dos materiais ativos, resultando no aumento da capacidade específica. A elevada área superficial proporcionará elevado contanto com o eletrólito, com consequente aumento do fluxo dos íons de lítio na interface eletrodo/eletrólito. • Os materiais em nanoescala possibilitam que as reações ocorram em maior velocidade.

Figura 4: Cátodos tipo conversão (teóricos)

Ânodos Conforme comentando anteriormente, há uma busca no desenvolvimento de bateria de lítio-íon com maior densidade de energia e potência. Um dos caminhos que pode levar a este aumento é a seleção de materiais do ânodo com maior capacidade e que apresentem uma fácil difusão dos íons de lítio dentro do ânodo, com boa vida cíclica e segurança. Muitos esforços estão sendo realizados na pesquisa de materiais com elevada capacidade, a base de carbono e não carbonos, para serem utilizados como ânodo nas baterias de lítio-íon, tais como nanotubos de carbono, nanofibras de carbono, grafeno, carbono poroso, óxido de silício, silício, germânio, estanho e óxidos metálicos de transição. Além disso, sulfetos, fosfetos e nitretos metálicos também estão sendo considerados como possibilidade para serem usados como ânodo, estes materiais apresentam capacidade superior que 500 mAhg-1. No entanto, elevada expansão volumétrica, baixa capacidade de transporte dos elétrons, perda precoce de capacidade e baixa eficiência culométrica são as principais limitações que devem ser superadas antes que estes materiais possam ser usados efetivamente como ânodos. Neste sentindo, resultados promissores e boas perspectivas estão sendo encontradas nas nanoestruturas destes materiais listados anteriormente. Nanopartículas e as adaptações das morfologias repre-

• Aumento da difusão dos íons de lítio com consequente aumento da capacidade de potência. • Elevada taxa de transferência dos elétrons.

Figura 5: Materiais para ânodo das próximas gerações de baterias de lítio

A Figura 5 apresentam alguns materiais de ânodo para bateria de lítio e suas principais características. Materiais a Base de Carbono Materiais a base de carbono estão sendo amplamente utilizados como material do ânodo para baterias de lítio-íon (LiBs) devido suas características de alta disponibilidade, estabilidade térmica, química e eletroquímica, baixo custo e boa reversibilidade na intercalação dos íons de lítio. Estas características são muito importantes, especialmente no processo de recarga, onde os íons de lítio saem do cátodo (deslitiação) e são inseridos no ânodo (litiação), sendo que, em temperaturas elevadas, há uma tendência de ocorrer reações exotérmicas com os eletrólitos não aquosos. Na temperatura ambiente pode ocorrer reações paralelas, em particular o sal de lítio do eletrólito (LiPF6) pode reagir e formar HF. A produ-


Artigo - parte 2

EM PARTICULAR O CARBONO SOFT É BASTANTE POPULAR PARA A COMUNIDADE DA BATERIA, ELE APRESENTA REVERSIBILIDADE ADEQUADA, VIDA CÍCLICA LONGA E BOA EFICIÊNCIA CULOMÉTRICA ção de HF poderá por sua vez causar a dissolução dos metais de transição dos eletrodos e/ou provocar a erosão dos materiais ativos da superfície do eletrodo. A respeito deste fato, o uso de cobertura do carbono dos materiais ativos pode ser uma maneira de mitigar as desvantagens mencionadas anteriormente. O carbono apresenta uma atividade eletroquímica para reagir somente com o eletrólito a potencial muito baixo e sem ocorrer qualquer oxidação, até a tensão final de descarga da bateria. Além disso, o carbono apresenta alta estabilidade química e alta resistência à corrosão em relação ao HF. Finalmente a aplicação de uma cobertura de carbono também pode prevenir a oxidação da superfície do material ativo causada pelo oxigênio do ar, especialmente no nível de nanoescala. Nanoestrutura de materiais ativos apresenta elevada área superficial melhorando a superfície oxidada. Por estas razões a cobertura do cartono tem a capacidade de retardar consideravelmente qualquer degradação superficial durante o armazenamento e reduzir fortemente o processo de fadiga do material ativo durante a ciclagem. Os carbonos utilizados nas baterias de lítio-íon são classificados em duas categorias (de acordo com o grau de cristalinidade e ordenação dos átomos): i) Carbono SOFT (carbono grafitizado) onde os cristais são ordenados quase na mesma direção e o ii) carbono HARD (carbono não grafitizado) onde os cristais estão desordenados. Em particular o carbono SOFT é bastante popular para a comunidade da bateria, ele apresenta reversibilidade adequada, vida cíclica longa e boa eficiência culométrica. O mecanismo de reação do grafite (SOFT) tem sido estudado por várias técnicas analíticas. Embora a produção maciça e o baixo custo relativo do processo in16

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riais já utilizados. Consequentemente muitos esforços têm sido dirigidos no desenvolvimento de ânodos de nanoestruturas de óxidos de titânio. Dióxido de titânio com várias formas alotrópicas e o aerogeltitanato de lítio (Li4Ti5O12) cuja estrutura cristalina é espinel, tem sido extensamente estudado com este propósito.

dustrial dessas classes de carbono, a maior desvantagem é sua baixa capacidade específica (372 mAhg-1), espeSilício cialmente para aplicações em veículos elétricos. O uso de carbono grafite Silício tem uma das mais elevacomo ânodo faz com que os dispositi- das capacidades gravimétricas (4200 vos móveis, por exemplo, apresentem mAhg-1, Li22Si5) e volumétrica (9786 baixa potência. mAhcm-3) entre os materiais passíveis de serem usados como de ânodo da Desta forma, as pesquisas e de- bateria de lítio. O potencial de descarsenvolvimento de novos materiais ga (litiação) é o mais próximo do grapara o ânodo da bateria de lítio são fite, isto é 0,4 V vs Li/Li+. Finalmente, necessárias para promover maior Si é o segundo metal mais abundante competitividade e desempenho dos da terra, barato e amigável ambientalveículos elétricos, rede elétrica inte- mente. Portanto o silício e seus deriligente, equipamentos portáteis, etc.. vados são considerados os materiais Uma das possibilidades é a utiliza- mais promissores para a nova geração ção de materiais a base de carbono de baterias de lítio, o que justifica o que apresentem elevada capacidade forte interesse acadêmico e industrial - neste sentido as pesquisas recentes para o seu desenvolvimento como estão focadas na porosidade do car- material ativo do ânodo. bono, nanotubos de carbono (CNTs), nanofibras e grafeno. A redução e o A eletroquímica de litiação nos formato destas estruturas introduzem eletrodos de Si vem sendo estudada propriedades que podem aumentar por vários grupos. Foi elucidado que substancialmente a capacidade de ar- sua alta capacidade específica é devimazenamento de energia das baterias do à formação de intermetálicos bináde lítio-íon. rios de Li e Si, formando compostos tais como Li12Si7, Li7Si3, Li13Si4, Li22Si5. Óxidos de Titânio Contudo alguns problemas para Óxidos de titânio tem chamado utilizar o silício como ânodo tem que a atenção na comunidade de bateria ser solucionados. Primeiramente a de lítio por permitir o desenvolvi- grande expansão e modificação de seu mento de dispositivos operacionais volume (400%) durante o processo de com menor preocupação em relação recarga e descarga, o que acarreta baià segurança. Além disso, esta classe xa vida cíclica e irreversibilidade de de material apresenta baixa toxidez, capacidade. Em segundo ocorre a forpouca alteração de volume (2 a 3%) mação de compostos de Si na interface no processo de intercalação dos íons sólida do eletrólito (SEI), inibindo o de lítio e excelente vida cíclica. Contu- processo formação das ligas. Estudos do apresenta baixa capacidade teórica evidenciaram que a razão da baixa ci(175 a 330 mAhg-1) e baixa condutivi- clabilidade é devido a diminuição do contato elétrico entre o material ativo, dade iônica. o carbono condutivo e o coletor de O desempenho eletroquímico e corrente, devido à grande expansão/ capacidade de intercalação dos íons retração do Si no ânodo, provocando de lítio nos óxidos de titânio depen- irreversibilidade da inserção/desordem de sua estrutura, morfologia e ta- ção dos íons de lítio. Esta alteração do manho. Particularmente, tem sido en- volume diminui a vida cíclica, causancontrado que nanoestrutura de óxidos do a perda de capacidade da bateria. de titânio apresenta melhor capacidaPara superar estas questões váde, longevidade, vida cíclica e maior taxa de capacidade do que os mate- rios esforços estão sendo focados em


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nanoestruturas do Si, especialmente no aspecto de sua morfologia. Por exemplo, nanofios, nanotubos e nanoesferas estão sendo estudados devida a capacidade destas estruturas para prover volumes livres maiores para acomodar a expansão do Si durante o processo das reações eletroquímicas. Particularmente nanofios de Si (SiNWs) e nanotubos apresentaram reversibilidade de capacidade superior a 2000 mAhg-1 com boa estabilidade cíclica. O melhor resultado obtido foi o crescimento direto de nanofios de Si em coletores de corrente metálico. Esta técnica proporciona melhor acomodação das alterações do volume, e todos os nanofios participam do processo de litiação, devido ao contato direto com o coletor de corrente. Este processo de fabricação levou ao aumento do desempenho eletroquímico.

camada de SiOx sobre nanotubos de Si facilita a difusão dos íons de lítio e, ao mesmo tempo, previne o contato direto com o eletrólito. Este nanotubo híbrido apresentou um excelente desempenho, demonstrando capacidade de 88% após 6000 ciclos de recarga/ descarga. Eletrólito O eletrólito deve ser cuidadosamente selecionado de modo a ser estável com os materiais do ânodo e do cátodo na faixa da tensão de operação dos eletrodos, sem sofrer decomposição ou degradação. Adicionalmente o eletrólito deverá ser inerte e estável numa faixa de temperatura aceitável de operação da bateria.

LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiClO4 e LiCF3SO3. Ressalta-se que os ânions são selecionados de maneira a evitar sua oxidação na superfície dos cátodos na condição de carga. A coordenação desta função é realizada pelos ânions simples Cl−, Br−, e I−. O LiPF6 está sendo estudado como sal de lítio devido sua perspectiva de segurança, condutividade e equilíbrio entre a mobilidade iônica e constante de dissociação. Contudo o LiPF6 pode reagir com água formando o HF, que é extremamente corrosivo. Assim a umidade deve ser minimizada em eletrólitos contendo LiPF6. O sucesso da primeira bateria comercial de lítio-íon em escala industrial foi possível utilizando um LiPF6 com alto grau de pureza.

Os solventes são tipicamente formulados para atender requisitos de viscosidade, condutividade e estabiliApós 20 ciclos de recarga/descardade quando misturados com os sais ga foi observado uma capacidade de de lítio. Por exemplo, solventes com 3500 mAhg-1 na corrente de C5 (ou alta constante dielétrica e elevada viscosidade são tipicamente misturados e 0,2C), enquanto que com uma correnbalanceados com solventes com baixa te de 1C a capacidade atingida foi de viscosidade para alcançar um eletróli2100 mAhg-1. Este excelente resultado to líquido com requisito para atender foi possível devido ao excelente conuma determinada faixa de temperatato eletrônico entre o coletor de cortura. O eletrólito mais utilizado é 1M rente e os nanofios de Si, o que proLiPF6 50:50 p/p misturado com carboporciona um mecanismo eficiente de transporte na carga. Os pequenos diânato de etileno (EC) e dietilcarbonato metros dos nanofios de Si promovem (DEC) ou dimetilcarbonato (DMC) melhor acomodação das alterações do para reduzir a viscosidade e promover Solventes orgânicos apróticos, tais a transferência do íon de lítio. Geralvolume evitando o início de fraturas da estrutura. Estudos com nanofibras como carbonatos com elevada cons- mente o EC pode blindar os íons de também apresentaram bons resulta- tante dielétrica, são utilizados com lítio mais fortemente do que os DEC sais de lítio em elevada concentração ou DMC. Este eletrólito apresenta esdos. (tipicamente 1M). Por outro lado, sol- tabilidade razoável sobre uma deterApesar das nanoestruturas apre- ventes com baixa viscosidade e baixo minada faixa de potencial. sentarem propriedades eletroquími- ponto de fusão são requisitos para se cas superiores, seu processo fabril tem conseguir elevada mobilidade iônica Aditivos para futuramente auelevado custo, não sendo possível ain- na faixa de temperatura operacional mentar a estabilidade do eletrólito e da aplicar esta tecnologia emergente da bateria. possibilitar a formação de uma boa em escala industrial. Alguns procescamada de interface sólida (SEI) tamVários solventes orgânicos vêm sos de sínteses estão sendo estudados bém estão sendo estudados. As várias para viabilizar a fabricação industrial sendo explorados, incluindo dimetil- formulações dos aditivos, em termos carbonato, dietilcarbonato, etil-me- de composição química e quantidade deste tipo de ânodo. tilcarbonato, carbonato de propileno, percentual utilizada pelas diferentes Recentemente foi desenvolvido carbonato de etileno, dietoxietano, empresas, são consideradas segredo nanotubos estáveis de Si através de dioxolane, butirolactone e tetrahidro- industrial. um depósito na superfície do eletro- furano. Vários sais de lítio também do de óxido de silício (SiOx). Esta fina vêm sendo explorados, incluindo Geralmente a SEI formada no primeiro ciclo de formação da bateria é essencial para isolar o eletrodo NAS BATERIAS COMERCIAIS DE LÍTIO-ÍON, O e eletrólito, evitando a decomposição futura do eletrólito. Embora a compoELETRÓLITO LÍQUIDO TIPICAMENTE UTILIZADO É sição química da SEI seja relativamenUMA SOLUÇÃO DE SAIS DE LÍTIO DISSOLVIDO EM te bem caracterizada, seu mecanismo de formação é pouco entendido até SOLVENTES ORGÂNICOS 18

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Nas baterias comerciais de lítio-íon, o eletrólito líquido tipicamente utilizado é uma solução de sais de lítio dissolvido em solventes orgânicos. Contudo, os eletrólitos líquidos orgânicos potencialmente podem pegar fogo sob condições de avalanche térmica ou curto-circuito interno, devido sua volatilidade e natureza de inflamabilidade dos solventes, e também apresentam levada toxidez. Idealmente os eletrólitos devem apresentar baixo impacto ambiental e no futuro devem ter baixo custo de fabricação.


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o momento, vários modelos teóricos estão sendo propostos e analisados. A formação da SEI é um tópico em evidência e estudo para a comunidade científica, empresas e centros de pesquisas, pois este entendimento ajudará a obter baterias com melhor design, com maior tolerância a situações de abuso e capacibilidade. Outros tipos de eletrólitos também vêm sendo desenvolvidos para baterias de lítio-íon, tais como polímeros, gel e cerâmico, conhecidos também como eletrólitos sólidos. Os eletrólitos de polímeros são livres de solvente e usa um polímero de elevado peso molecular com um sal de lítio dissolvido. Ressalta-se que o eletrólito polimérico não é considerado polieletrólito. As vantagens do eletrólito polimérico sobre o eletrólito líquido são o aumento da segurança devido as propriedades de baixa volatilidade, design flexível e a eliminação do separador. O eletrólito polimérico pode ser processado mais fácil do que o eletrólito líquido. Processos fabris podem ser simplificados, com consequente redução significativa do custo da bateria. Similarmente a outros eletrólitos, os eletrólitos poliméricos devem apresentar estabilidade eletroquímica, térmica e mecânica nas condições operacionais das baterias de lítio-íon. Um dos polímeros mais estudados é o polioxietileno, que tem sido combinado com vários sais de lítio, tais como LiCF3SO3 e LiClO4. A condução iônica do polioxietileno ocorre principalmente na fase amorfa. Os íons podem ser transportados pelo movimento semirandômico dos segmentos curtos do polímero. Para manter uma boa estabilidade mecânica a condutividade iônica poderá ser sacrificada. Tipicamente o valor da condutividade é 10-8S/cm, significantemente menor do que o eletrólito líquido. Baterias de lítio-íon baseadas em eletrólitos poliméricos apresentam design flexível e podem ser fabricadas nos formatos cilíndrico, botão, prismática, pouch e outras configurações. Outro tipo de eletrólito é o denominado gel, onde o sal de lítio e o solvente polar são dissolvidos e adi20

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RECENTEMENTE

sendo muito pesquisada é o desenvolvimento de eletrólito cerâmico com ELETRÓLITOS CERÂMICOS condutividade elevada na temperatura ambiente. Vários sulfetos, óxidos e fosfatos têm sido pesquisados. Os TÊM ATRAÍDO MUITO pesquisadores acreditam que os eletrólitos cerâmicos serão utilizados na A ATENÇÃO próxima geração de baterias de lítio-íon (baterias de lítio metálico) princicionados numa rede ativa de um po- palmente para veículos elétricos, delímero de alto peso molecular. LiPF6 e vido a seu excelente desempenho em solventes de carbonato são tipicamen- relação à segurança. te utilizados, similar aos eletrólitos Separadores líquidos. A fase líquida é totalmente absorvida no polímero, para evitar o O separador é um componente problema de vazamento. A condutividade do eletrólito gel geralmente é essencial nas baterias de lítio-íon, asbem maior, quando comparada com sim como nas outras tecnologias de o eletrólito polimérico. Há um núme- acumuladores elétricos, pois tem um ro de polímeros que estão sendo ex- papel crítico impedindo o contato fíplorados para esta função, incluindo sico entre o ânodo e cátodo e evitando poliacrionitrila, cloreto de polivinil, ocorrência de curto-circuito. Ao mesfluroreto de polinilledeno e polimetil mo tempo deve permitir que íons de metacrilato. Na preparação do ele- lítio do eletrólito passem através dele. trólito gel, o aumento da viscosidade O separador deve ser quimicamente pode ser atingido pela adição de po- estável e inerte em contato com o elelímeros solúveis. Alternativamente trólito e eletrodos, mecanicamente ropode ser utilizado matriz polimérica busto na faixa de operação de tensão e microporosa com características de o tamanho de seus dos poros deve ser inferior a 1 μm. Vários separadores, absorção no eletrólito. incluindo membranas poliméricas Recentemente eletrólitos cerâmi- microporosa, materiais nonwonem e cos têm atraído muito a atenção. Há membranas inorgânicas vem sendo longo tempo os eletrólitos cerâmicos explorados. Separadores a base de são usados em células ao combustível materiais de poliolefina microporosa e atualmente tem aumentado o inte- baseada em membranas poliméricas resse no uso para baterias de lítio-íon. são dominantes nas baterias de lítioA vantagem do eletrólito cerâmico é -íon comercial com eletrólito líquido. a segurança, pois não são adicionaOs separadores microporosos dos solventes orgânicos inflamáveis. As baterias com eletrólito cerâmico da membrana do polímero deve ser podem ser usadas em condições ope- muito fino (tipicamente ~25μm) e racionais de elevada temperatura, tais altamente poroso (tipicamente 40%) como dispositivos médicos que ne- para reduzir a resistência e aumentar cessitam ser esterilizadas em estufas a condutividade iônica. Ao mesmo com elevada temperatura e pressão. tempo as membranas poliméricas deAs baterias na estufa devem supor- vem ser robustas. Outros parâmetros tar temperatura em torno de 130 ºC que devem ser considerados na selee pressão de 30 psi sem deteriorar ção da membrana microporosa poseu desempenho após a esterilização. limérica é baixo encolhimento, perOutra vantagem interessante para o meabilidade, molhabilidade e custo. uso de eletrólito cerâmico em aplica- Outra interessante vantagem de usar ção de temperatura elevada é que sua membrana porosa polimérica como condutividade iônica aumenta com separador, é que os compostos de o aumento da temperatura. A tem- multicamadas adequadamente projeperatura elevada cria um movimen- tados com separador poderão interto iônico dos pontos de defeitos, que romper a operação da bateria em caso determina a condutividade iônica e de curto-circuito e avalanche térmica, requerer energia. Uma área que vem funcionando similarmente como um


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fusível térmico. Para esta última funcionalidade é requerido que o separador possua duas partes, uma em que seus poros são fechados por fundição e outra parte que provê rigidez mecânica para manter o cátodo isolado do ânodo. Como exemplo, o fabricante Celgard (USA) fabrica um separador microporo de polietileno (PE) e polipropileno (PP) na forma de camada tripla (PP-PE-PP). Os pontos de fundição do PE e PP são 135 ºC e 165 ºC, respectivamente. No caso de uma sobretemperatura aproximar do valor do ponto de fundição do PE, a membrana porosa do PE fechará, prevenindo reações futuras. Para baterias comerciais de lítio-íon, a temperatura onde a bateria é desabilitada de operar é 130 ºC.

3. Bruce Dunn, Haresh Kamath, Jean-Marie Tarascon, “Electrical Energy Storage for the Grid: A Battery of Choices”, Science, Volume 334, 2011 4. https://www.researchgate.net/post/ what_is_alloying_conversion_and_ displacement_mechanisms_in_lithium_battery_anodes 5. Naoki Nitta, Feixiang Wu, Jung Ta e LeeandGlebYushin, “Li-ion battery materials: present and future”, Materials Today, Volume 18, Number 5, Junho 2015

6. Subrahmanyam Goriparti, Ermanno Miele, Francesco De Angelis, Enzo Di Fabrizio, Remo ProiettiZaccaria, Claudio Capiglia, “Review on recent progress of nanostructured anode Para desenvolvimentos futuros materials for Li-ion batteries”, Journal das baterias de lítio-íon em aplicações of Power Sources 257 (2014) 421e443 que exigem operação em temperatura elevada, separadores de membrana 7. Jang Wook Choie Doron Aurbainorgânicas são uma alternativa atra- ch, “Promise and reality of post-litiva. Todas as baterias de lítio-íon em thium-ion batteries with high energy estado sólido também estão sendo in- densities REVIEW”, Nature Materials, vestigadas com foco na aplicação em volume 1, Abril 2016 temperatura elevada. Outro parâmetro que determina o sucesso comer- 8. ArumugamManthiram, Xingwen cial dos separadores é o custo. O custo Yu and ShaofeiWang, ”Lithium batrazoável de um separador para bate- tery chemistries enabled by solid-sria de lítio-íon é que este represente tate electrolytes”, Nature Materials, no máximo um quinto do custo total volume 2, 2017 da bateria. Contudo muitas pesquisas Contatos estão em desenvolvimento buscando aumentar o desempenho dos separaMaria de Fátima N. C. Rosolem dores com redução de seus custos. mfatima@cpqd.com.br Referências Raul F. Beck raul@cpqd.com.br 1. Da Deng, ”Li-ion batteries: basics, progress, and challenges- REVIEW”, Agradecimentos Energy Science & Engineering, 2015 2. S. Abada, G. Marlair, A. Lecocq, M. Petit, V. Sauvant-Moynot, F. Huet, ”Safety focused modeling of lithium-ion batteries: A review”, Journal of Power Sources 306 (2016) 178 e 192

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O CPqD agradece ao BNDES e a seus parceiros PHB Eletrônica e Magneti Marelli pelo apoio e financiamento de projetos de desenvolvimento de baterias de lítio-íon, que vem possibilitando estudos e aprofundamento nestas tecnologias.

Definições/Abreviaturas Bateria de lítio-íon

Li-B

Bateria de zinco-ar

Zn-O2

Bateria de lítio-ar

Li-O2

Bateria de lítio-enxofre

Li-S

BMS

Sistema de gestão da bateria

C

Capacidade (Ah) ou corrente (A)

Ce

Césio

C-rate

Taxa de descarga

Cobalto

Co

DoD

Profundidade de descarga

Gás oxigênio

O2

HF

Ácido fluorídrico

Li+

Íon de lítio

LCO

Cobaltato de lítio

LMO

Óxido de manganês

LCP

Cobalto fosfato de lítio

LFP

Ferro fosfato de lítio

LFSF

Ferro flúor sulfato de lítio

LTS

Sulfeto de titânio e lítio

Mg

Manganês

Na

Sódio

Ni

Níquel

NMC

Óxido de níquel-cobalto-manganês

NCA

Óxido de níquel-cobalto-alumínio

PE

Polietileno

PP

Polipropileno

Si

Silício

SiOx

Óxido de silício

Sn

Estanho

SoC

Estado de carga

SEI

Camada sólida do eletrólito

S

Enxofre


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DESENVOLVIMENTO DE UMA PLATAFORMA DE INVERSOR MONOFÁSICO, GRID TIE, PARA PRODUÇÃO INDIVIDUAL DE ENERGIA ELÉTRICA Rosemberg Braga de Sousa(1); Luiz Daniel dos Santos Bezerra(2), Bolsista(1); IFCE, campus Maracanaú; rbs41010@gmail.com, Orientador(2); IFCE, campus Maracanaú; daniel.bez.ifce@gmail.com

RESUMO Com a mudança na legislação para instalação de mini e micro geração de energia, e a introdução do sistema de compensação por parte das concessionárias [7], gerou-se incentivo para aquisição e instalação de equipamentos para geração fotovoltaica em residências. Vê-se agora a necessidade de criar tecnologia nacional para produção de inversores que atendam essa faixa de produção para residências, e que atenda aos requisitos legais impostos pelas normas da ANEEL e das concessionárias [5]. O inversor proposto atende a essas normas, como limite de fator de potência e proteção de equipamento, faltando realizar testes mais precisos para atendimento das normas para detecção de ilhamento. Palavras-chave: Inversor, Geração distribuída, Sistemas fotovoltaicos, Ilhamento.

Introdução A partir da aprovação da Resolução Normativa ANEEL 489/2012 [4], atualizada na RN ANNEL 687/2015 [5], a introdução de geração por parte de pequenos consumidores ficou mais viável. Essa aprovação veio como forma de impulsionar a instalação de mini e micro gerações, e prevê que até 2030, 2,7 milhões de consumidores tenham uma geração paralela a concessionária [7]. Com o sistema de compensação, a instalação de um sistema de geração em residência, por exemplo, dispensaria o uso de baterias. Para isso, o desenvolvimento de tecnologia em inversores de frequência GRID TIE é fundamental, de forma que este possa atender os requisitos de segurança e qualidade impostos por normas, bem como oferecer custo-benefício favorável aos consumidores residenciais. Será proposto o projeto e construção de um inversor GRID TIE monofásico, de ponte completa, com potência de 1000W, ideal para sistemas residenciais e comerciais com 3-6 placas solares.

Figura 1 - Topologia básica Full-Bridge conectada à rede Fonte: Grid Converters for Fotovoltaic and Wind Power Systens, Wiley, 2011

podendo ser utilizada tanto para con- paração. No método usado no converversão CC-CC como CC-CA, como é sor, o “braço” que possui as chaves S1 e aplicada no caso dos inversores mo- S2 comutam na frequência do sinal de nofásicos fotovoltaicos (TEODORES- referência (alta frequência), enquanto CU; LISERRE; RODRIGUÉS, 2011). as chaves S3 e S4 comutam na frequência da rede elétrica, mesma frequConforme mostrado na Figura 1, ência do sinal portador. As chaves que a topologia possui quatro chaves (dois comutam em baixa frequência são as braços), que devem ser adequada- que possibilitam acompanhar o sinal mente controladas, de forma a permi- positivo e negativo da rede elétrica, tir que a saída possua a menor DHT enquanto as de alta frequência con(Taxa de Distorção Harmônica) pos- trolam a quantidade de energia, assim sível. Para isso, foi utilizada a meto- modelando seu sinal na saída. Metodologia dologia de modulação por largura de pulso do tipo chaveamento unipolar A. Topologia do inversor B. Sincronia com a rede elétrica (HART, 2012). Primeiramente, foi selecionada a Para que a entrega de corrente Nessa metodologia de PWM, uti- pelo inversor seja realizada de forma topologia Full-Bridge (ponte completa) como estrutura básica do conver- liza-se um sinal portador senoidal, e sincronizada à rede elétrica, foi utisor. Essa topologia é bastante versátil, uma referência triangular para a com- lizado o método proposto em [1]. A 24

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de forma digital pode ainda gerar distorções no sinal de resposta e ter alto consumo computacional por parte do processador. Assim, o método proposto em [1] utiliza um controlador ressonante para compensar as harmônicas presentes no sinal de tensão, e pode ser usado como base para implementar um filtro para sinal vindo de um Figura 2 - Sinal da rede elétrica (verde) e transformador abaixasinal de detecção de passagem pelo zero Fonte: Autor dor, como é utilizado. sincronização é necessária para garantir alto fator de potência exigido pela norma, e que realmente o inversor consiga injetar potência na rede. A utilização de sincronizadores analógicos, ou com filtros de segunda ordem, mesmo discretizados, podem não ter um bom funcionamento devido a distorção harmônica do sinal de tensão da rede. O uso desses métodos

O sinal senoidal apresentado na Figura 2 é retirado da rede, passando pelo filtro discreto implementado no DSP. O sinal de resposta do filtro será a senóide de referência. Os zeros identificados desse sinal serão a base para cada meio ciclo da rede. Com esse método, há garantia bem maior do sinal de referência do zero ser realmente o zero da rede, quando o inversor for instalado em locais com alto taxa de distorção na rede, como próximo a in-

dústrias. O sinal quadrado, mostrado na Figura 2, a cada estágio de subida e descida, sincroniza o sinal do PWM senoidal com o da rede, ajudando não só a modelar o formado de onda da corrente injetada, como a fase do sinal com a tensão da rede. A fase do sinal irá determinar se o inversor está injetando ou consumindo potência da rede elétrica. A senóide usada no PWM é montada a partir de tabela dos valores de seno entre 0 e 90. Para os outros quadrantes de referência, é apenas realizada a manipulação do sinal algébrico. C. Condição de Ilhamento Para a situação de ilhamento, é aplicada uma metodologia de controle similar a utilizada com o conversor interligado à rede. Para isso, o inversor utiliza métodos ativos de detecção de ilhamento, injetando um sinal a rede por meio de realimentação positiva. Isso permite o inversor detectar o desligamento da rede pela concessionária, por exemplo, se desligar da rede, e alimentar apenas o circuito interno,

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por meio de diferenças de frequência, tensão, ou da leitura de potência ativa. Após a detecção da condição de ilhamento, o controle é responsável por manter a tensão padrão dos equipamentos, sendo a carga máxima definida pela potência instantânea gerada. O método também usa um controlador ressonante com compensação de harmônicas.

Figura 3 - Tensão da rede (verde), corrente injetada (amarelo), e tensão das placas (azul) Fonte: Autor

D. Periféricos A estrutura também é composta de alguns periféricos necessários ao funcionamento, como, por exemplo, uma fonte flyback com 5 saídas, para alimentar os níveis CC que são necessários para o funcionamento autônomo. Também, possui um visor LCD, onde são apresentadas informações de tensão e corrente RMS, e valor de potência entregue a rede. Também, possui um circuito de isolamento para levar o sinal da rede e fazer a sincronia e leitura do seu status. 3. Resultados e Discursões A partir das técnicas apresentadas anteriormente, foi montado um protótipo do equipamento. Utilizando 5 placas solares em série, foi ligado o conversor à rede e através de um osciloscópio e wattímetro, extraído alguns resultados. A sincronia do sinal de corrente e tensão da rede observada na Figura 3 justifica o valor do fator de potência alcançado pelo conjunto, valor que pode ser observado na Figura 4. 4. Considerações finais O conversor mostrou-se adequado para o uso em residências de pequeno e médio porte, de forma a instalar micro gerações para até cinco painéis. Apresenta resultados satisfatórios de fator de potência. Será necessário realizar testes mais precisos nas rotinas de detecção de ilhamento e modelagem do sinal de tensão para carga de forma isolada a rede elétrica.

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Figura 4 - Dados obtidos por meio de wattímetro, durante injeção de corrente à rede elétrica Fonte: Autor

REFERÊNCIAS [1] SERA, D. et al. Low-cost digital implementation of proportional-resonant current controllers for PV inverter applications using delta operator. 31st Annual Conference of IEEE Industrial Electronics Society, 2005. IECON 2005., [S.l.], v. 1, n. 1, p.25172522, 2005. Anal. IEEE. (SERA et al., 2005) [2] TEODORESCU, Remus; LISERRE, Marco; RODRIGUÉS, Pedro. Grid Converters for Photovoltaic and Wind Power Systems. Chichester: Wiley, 2011.

CA, ANEEL, Abril de 2012; [5] Resolução Normativa N° 687, de 24 de novembro de 2015 – “Altera a Resolução Normativa N° 482, de 17 de abril de 2012, e os Módulos 1 e 3 dos Procedimentos de Distribuição – PRODIST”, AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA, ANEEL, Novembro de 2015; [6] VIEIRA JUNIOR, José Carlos de Melo. Detecção de ilhamento de geradores distribuídos: uma revisão bibliográfica sobre o tema. Revista Eletrônica de Energia, Salvador, v. 1, n. 1, p.3-14, jul./dez. 2011. Semestral.

[3] HART, Daniel W.. Eletrônica de potência: Análise e projetos de circui- [7] Notícias: “Brasil lança Progratos. Porto Alegre: Artmed, 2012. ma de Geração Distribuída com destaque para energia solar” http:// [4] Resolução Normativa Nº 482, de mme.gov.br/web/guest/pagina-i17 de abril de 2012 – “Acesso de micro nicial/outras-noticas/-/asset_pugeração e mini geração distribuídas blisher/32hLrOzMKwWb/content/ aos sistemas de distribuição de ener- programa-de-geracao-distribuidagia elétrica e o sistema de compen- -preve-movimentar-r-100-bi-em-insação de energia elétrica”, AGÊNCIA vestimentos-ate-2030, acessado em NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRI- agosto de 2017.


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COMUNICADO À IMPRENSA

Solar Group lança no Brasil nova geração de perfil e grampos para fixação de painéis solares em telhados Chamada de linha Thunder, equipamentos reduzem em 18% o tempo de instalação nos projetos de geração distribuída em residências, comércios e indústrias

São Paulo, maio de 2019 – A Solar Group, indústria especializada em estruturas de fixação para o mercado de geração solar, acaba de lançar no País uma nova tecnologia de perfil e grampos para fixação de painéis solares em telhados. Chamada de linha Thunder, os novos equipamentos são capazes de reduzir em cerca de 18% o tempo de instalação dos módulos fotovoltaicos nos projetos de geração distribuída em residências, comércios e indústrias. A tecnologia aplicada nos equipamentos está baseada no sistema auto-atarraxante de grampos, com parafusos diretamente instalados no perfil, tanto os intermediários quanto os terminais. A linha Thunder propõe uma redução no custo dos produtos, aumento de resistência e velocidade de instalação. Os mesmos grampos atenderão

módulos de 35 a 40 milímetros de espessura. “A nossa empresa é reconhecida no mercado pelo rápido atendimento e pelo suporte da equipe técnica, que está sempre pronta a tirar qualquer tipo de dúvida dos integradores, seja no projeto ou na instalação”, ressalta Raphael Vaz, gerente comercial da Solar Group. “A redução de custo do perfil não implica na perda de qualidade, muito pelo contrário. O perfil suportará vãos maiores entre fixadores devido a sua evolução tecnológica.” Para mais informações, contatar: Thiago Nassa (Mtb. 30.914) TOTUM Comunicação Assessoria de Imprensa (11) 99544-4954

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Com a nova tecnologia, estima-se ainda uma economia de cerca de 15% no valor dos grampos e perfis do produto. Segundo o diretor comercial, Ronaldo Koloszuk, o lançamento faz parte do plano estratégico da empresa de reduzir custos para o integrador e aumentar a velocidade nas instalações. “A Solar Group já comercializou mais de 187 megawatts (MWp) em estruturas para geração distribuída sobre telhados e lajes. É a empresa de estruturas que cresce mais rápido no Brasil”, acrescenta. Sobre a Solar Group A Solar Group é líder em estruturas de fixação no mercado de geração distribuída brasileiro. A empresa se destacou ao tropicalizar as melhores soluções de fixações que existiam no mundo e disponibiliza-las a pronta entrega no mercado. A companhia atende em todo o território nacional e América Latina.


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MEDIÇÃO E AVALIAÇÃO DO SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO À REDE NO IFSULDEMINAS CAMPUS POÇOS DE CALDAS Otávio Messias Palma1; Ezequiel Junio de Lima1 IFSULDEMINAS – Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sul de Minas Gerais Campus Poços de Caldas

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RESUMO Este artigo visa avaliar o sistema fotovoltaico implementado no IFSULDEMINAS (Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sul de Minas Gerais), depois de 18 meses de operação. A usina fotovoltaica foi modelada para comparar respostas físicas e simuladas do sistema através do coeficiente de desempenho e de produtividade. PALAVRAS-CHAVE: Coeficiente de Desempenho; Energia Solar; Produtividade; Sistemas Fotovoltaicos.

INTRODUÇÃO O Balanço Energético Nacional de 2017, apresenta que a micro e mini geração distribuída atingiu 104,1 GWh com uma potência instalada de 72,4 MW, destacando-se o meio fotovoltaico que apresentou 53,6 GWh de geração e 56,9 MW instalados. [1]

METODOLOGIA

dados reais. A foto da usina se encontra na Figura 1 abaixo.

A. Local do trabalho

O Campus Poços de Caldas do IFSULDEMINAS apresenta atualmente uma micro usina fotovoltaica de 70 kWp, sendo 265 módulos fotovoltaicos de silício policristalino divididos entre 5 inversores de 15 kW. Os móA ABSOLAR (Associação Brasi- dulos apresentam uma inclinação de 5 leira de Energia Solar Fotovoltaica), graus e possuem um desvio azimutal informa que sistemas fotovoltaicos de 35 graus. ultrapassaram a marca de 1,5 GW de Ao longo de um ano e meio (perícapacidade instalada em 2018 e para o fim do ano, o país chegará a 2,4 GW. odo entre janeiro de 2017 e junho de De 2017 para 2018, houve um cres- 2018) foram armazenados os dados cimento de dez vezes do número de de geração do sistema, posteriormenresidências abastecidas, cerca de 633 te, com a ajuda do software PVSyst, foi mil, o que consiste em 30 mil sistemas feita a simulação da micro usina, em de geração distribuídas conectados à situações ideais de inclinação dos módulos e azimute, obtendo os dados de rede. [2] geração que serão comparados com os Em sintonia com esse avanço, de volta em 2016, o IFSULDEMINAS iniciou o “projeto IFSolar” que implementou micro usinas fotovoltaicas conectadas à rede em cada um dos seus campi, com capacidade total instalada de 560 kWp. No campus de Poços de Caldas, a geração instalada apresenta 70 kWp e teve seus dados analisados ao longo de um ano e meio (desde janeiro de 2017 até junho de 2018). Com tais informações em mãos, este artigo visa analisar se a geração corresponde ao coeficiente de desempenho e produtividade projetados com o auxílio do software de simulação PVSyst.

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B. Procedimento Para realizar a simulação do sistema, foi escolhido o programa PVSyst, um software de computador especializado em estudo, dimensionamento, simulação e análise de dados de sistemas fotovoltaicos completos. Para a simulação do PVSyst foi necessário se apoderar de dados mensais meteorológicos da cidade de Poços de Caldas, sendo estes, a irradiância global horizontal, a irradiância difusa horizontal, a temperatura média e a velocidade média do vento. Os dois primeiros parâmetros foram obtidos em [5] e os dois últimos em [6]. A Figura 3 mostra a entrada de dados do software.

Figura 01: Visão Geral do Sistema


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O campus possui uma estação solarimétrica equipada com dois piranômetros first class (de acordo com a ISO 9060:1990), orientados no plano horizontal, sensores de umidade relativa do ar, temperatura do ar e velocidade do vento. A estação começou sua operação em março de 2018. A Figura 2 mostra a estação solarimétrica instalada no instituto. C. Análise Estatística A maior parte dos dados de radiação brasileiros são baseados em captações de satélites que são publicados no Atlas Brasileiro de Energia Solar [5]. Como é sabido, existem desvios significantes entre medidas feitas no solo e por satélites, especialmente para dias em que há grande presença de nuvens. Dessa forma, para melhorar a precisão das medidas, os dados da estação solarimétrica (desde março de 2018) foram integralizados e armazenados a cada 10 minutos, que posteriormente foram ajustados para se obter a irradiação diária e a temperatura, e em seguida a média mensal. Em [5], todas as medidas foram geradas por 503 estações meteorológicas, cuja base de dados abrange o período de 2005 até 2015. O software Radiasol [8], desenvolvido pela UFRGS (Universidade Federal do Rio Grande do Sul), utiliza modelos matemáticos para obter os valores que são disponibilizados no programa. Os resultados obtidos por todas as fontes são comparados na Tabela 1.

Onde: PRt Coeficiente de desempenho (normalmente multiplicado por 100 e dado em %). Et Potência gerada sobre um período t (medida em kWh); G Irradiância de referência, 1000, (medida em W/m2). Po Potência nominal do sistema (medida em kWp). Ht Irradiação sobre os módulos fotovoltaicos sobre um período t (medida em Wh/ m2). Yieldt Produtividade do sistema sobre um período t (medida em kWh/kWp).

De acordo com [9] o coeficiente de desempenho é a medida de qualidade do sistema fotovoltaico que independe da sua localização e, portanto, é usualmente chamado de fator de qualidade. O coeficiente de desempenho é dado como uma porcentagem e define uma relação entre a potência real e teórica do sistema fotovoltaico. Ele, portanto, mostra a proporção de energia que está realmente sendo enviada para a rede Da Tabela 1 pode-se ver que os após as reduções das perdas valores encontrados não excedem (devido a perdas térmicas e uma diferença de 11% sobre os dados de condução, por exemplo) coletados obtidos na estação solari- e da energia consumida para métrica. O Atlas Brasileiro apresentou operar. dados mais precisos, como era esperado visto o número de estações que RESULTADOS E DISCUSSÕES compõem sua base de dados enquanto que o software Radiasol apresentou Com a simulação ideal no softwaresultados satisfatórios. re PVSyst, os dados da micro usina e a Estação Solarimétrica foi possível calCom os dados de Irradiação Glo- cular o coeficiente de desempenho e a bal Horizontal calculados foi possível produtividade mês-a-mês e anual, os obter o coeficiente de desempenho resultados obtidos são mostrados na (Performance Ratio) e a produtivi- Tabela 2 e na Figura 3. dade (Yield) do sistema, esses valores podem ser calculados da seguinte forA grande maioria dos coeficientes ma: de desempenho mensais se encontram abaixo de 70%, já na avaliação anual, o valor encontrado foi de 76%. Quando comparados com a simulação ideal te32

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Figura 02 - Estação Solarimétrica presente no IFSULDEMINAS

Tabela 1. Diferença Percentual entre a Estação Solamétrica e outras fontes

mos quase o mesmo valor, diferença de apenas 4,12%. Estes resultados mostram uma performance satisfatória do sistema fotovoltaico instalado. Naturalmente, alguns fatores ambientais podem influenciar o coeficiente de desempenho como a temperatura do módulo, irradiação solar e potência dissipada, sombras e resíduos sobre os módulos fotovoltaicos e etc. e precisam ser observados e analisados.


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Na Figura 3 é possível observar uma diferença pequena na produção anual real para a produção anual simulada, enquanto o valor medido é de 1385,6 kWh/kWp (o que representa uma produção anual de 97,29 MWh), o valor simulado é de 1489 kWh/kWp, uma diferença de 7,46%, valor aceitável considerando a simulação feita em situações ideais. CONCLUSÕES No presente artigo foram analisados dados de cerca de um ano e meio (de janeiro de 2017 a junho de 2018) da produção fotovoltaica da micro usina de 70 kWp que se encontra no campus Poços de Caldas do IFSULDEMINAS.

[2] ABSOLAR. Brasil ultrapassa 1,5 GW de energia solar fotovoltaica e abastece mais de 633 mil residências. São Paulo: ABSOLAR, 2018. Disponível em: <http://absolar.org.br/ noticia/noticias-externas/ brasil-ultrapassa-15-gw-de-energia-solar-fotovoltaica-e-abastece-mais-de-633-mil-residencias.html>. Acesso em: 10 jul. 2018.

Tabela 02: Coeficientes de Desempenho Real e Simulado

[3] INTERNATIONAL ENERGY AGENCY. Renewables 2017: Analysis and Forecasts to 2022. Paris: IEA, 2017. 189p.

[4] CAMARGO, Lucas Tamanini. Projeto de Sistemas Fotovoltaicos conectados à Rede Elétrica - Londrina 2017. Londrina: 2017. Orientador: Prof. Dra. Silvia Galvão de Souza Cervantes. Disponível em: <http:// www.uel.br/ctu/deel/ TCC/TCC2017_LuDe forma secundária, foi possí- casTamaniniCamargo. vel também analisar a irradiação glo- pdf>. Acesso em: 09 jul. bal horizontal fornecida por diversas 2018. fontes e compará-las com a irradiação [5] PEREIRA, Enio obtida da Estação Solarimétrica. Bueno et al. Atlas BraCom o passar do tempo, esses da- sileiro de Energia Solar. dos podem ser usados para contribuir 2. ed. São José dos com a base de dados para a cidade e Campos: Inpe, 2017. 88 p. Disponível em: região de Poços de Caldas. <http://ftp.cptec.inpe. br/labren/publ/livros/ AGRADECIMENTOS Atlas_Brasileiro_EnerOs autores agradecem o supor- gia_Solar_2a_Edicao. te do Instituto Federal de Educação, pdf>. Acesso em: 11 jul. Ciência e Tecnologia do Sul de Minas 2018. Gerais-IFSULDEMINAS, DME Distribuição S/A e a Agencia Nacional de [6] BRASIL. Instituto Energia Elétrica – ANEEL pela cola- Nacional de MeteoroFigura 03: Produtividade real e simulada boração e financiamento do projeto logia. MAPA. Banco de Dados Meteorológicos que permitiu este estudo. para Ensino e Pesquisa. 2018. Disponível em: REFERÊNCIAS [8] Brasil. LABSOL. UFRGS. RADIA<http://www.inmet.gov.br/projetos/ SOL 2. 2018. Disponível em: <http:// rede/pesquisa/>. Acesso em: 12 jul. [1] EMPRESA DE PESQUISA www.solar.ufrgs.br/>. Acesso em: 12 2018. ENERGÉTICA (Rio de Janeiro). jul. 2018. Balanço Energético Nacional 2017: Relatório Final, ano base 2016. Rio de [7] Estados Unidos da América. [9] SMA Solar Technology AG, World Bank Group. SOLARGIS. Janeiro: EPE, 2017. 296p. Disponível Performance ratio: Quality factor for em: <https://ben.epe.gov.br/downlo- Global Solar Atlas. 2018. Disponível the PV plant. Disponível em: < http:// ads/Relatorio_Final_BEN_2017.pdf> em: <http://globalsolaratlas.info/>. files.sma.de/dl/7680/Perfratio-TIAcesso em: 12 jul. 2018. Acesso em: 09 jul. 2018. -en-11.pdf>. Acesso em: 12 jul. 2018. Com uma produção anual de aproximadamente 97,3 MWh de energia, o sistema se mostrou muito eficiente, estando apenas 7,46% abaixo da simulação ideal gerada pelo software de simulação e a produção do sistema fotovoltaico instalado deve ocorrer conforme as previsões.

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SISTEMA HÍBRIDO DE GERAÇÃO DE ENERGIA: Uma solução inovadora aplicada em áreas rurais Marcelo dos Santos Monteiro1; Mozart Ferreira Braga Junior2; Ricardo da Silva Mendonça3

RESUMO A exploração de pequenas fontes renováveis e a redução dos impactos ambientais são motivadores para geração de energia elétrica através do conceito de Geração Distribuída (GD), tornando um negócio com alto valor agregado impulsionado por incentivos fiscais e regulatórios. Este trabalho apresenta um modelo inovador de GD, com a combinação de duas fontes de energia renováveis (hidráulica e solar fotovoltaica) interligadas a um gerador de pequeno porte, conectado a uma rede de energia elétrica de baixa tensão. O protótipo constituído de uma roda d’água, associado a painéis fotovoltaicos, ambos acoplados a um gerador de corrente contínua, ligados a um controlador de carga conversor de múltiplas entradas. Filtros integrados permitem o controle e estabilidade da tensão de saída permitindo a integração com a rede de distribuição rural de baixa tensão. PALAVRAS-CHAVE: Energia Fotovoltaica; Fontes Renováveis; Gerador CC; Roda d’água.

Introdução

A GERAÇÃO

DISTRIBUÍDA É UMA

FONTE DE SOLUÇÕES,

ALIADA A INTRODUÇÃO NO MERCADO DE

NOVAS TECNOLOGIAS QUE REDUZEM

SIGNIFICATIVAMENTE

O CUSTO DA ENERGIA PRODUZIDA

Os avanços tecnológicos têm permitido cada vez mais a implantação de usinas de geração utilizando fontes renováveis, como alternativas energéticas limpas e economicamente viáveis. A interligação de duas ou mais fontes é definida como geração híbrida de energia.

Diversas áreas rurais dispõem de recursos naturais onde a exploração de fontes renováveis podem ser combinadas e acopladas a um sistema único de geração de energia. Essa combinação de fontes, chamada de sistema hibrido de energia, pode ser Conforme a Resolução Norma- bem atraente, confiável e eficaz, visto tiva nº 482/2012, atualizada recente- a possibilidade de diversificar a promente pela Resolução Normativa n° dução de energia com fontes de ori786/2017, “o consumidor pode gerar gens diferenciadas, baixo risco e alta sua própria energia elétrica a partir operacionalidade. de fontes renováveis ou cogeração qualificada e inclusive fornecer o exA Figura 1 apresenta um projecedente para a rede de distribuição de to híbrido eólico-solar localizado em sua localidade. Trata-se da micro e da Caetité, Bahia. mini-geração distribuídas de energia elétrica” [1]. Os sistemas híbridos podem ser “on-grid” (interligado a rede de distribuição da concessionaria) ou“offDiscente - Centro de Engenharias Doctum, Juiz de -grid” (sem interligação). No sistema Fora-MG, marcab2001@hotmail.com; “on-grid”, há necessidade de instalaDocente - Centro de Engenharias Doctum, Juiz de Fora-MG; ção de um inversor para possibilitar Discente - Centro de Engenharias Doctum, Juiz de o intercambio com à rede da conA geração distribuída é uma fonte de soluções, aliada a introdução no mercado de novas tecnologias que reduzem significati-vamente o custo da energia produzida.

1.

2.

3.

Fora-MG.

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Figura 1. Projeto Híbrido eólico-solar. Fonte: https:/fullenergy. grupomidia.com/parque-hibrido-une-sistema-de-energias-limpas-na-bahia/


cessionária e, além de produzir uma conhecer e otimizar recursos disponíonda senoidal pura, para sincronizar veis de energia fotovoltaica e hídrica. a frequência e estabilizar a tensão de Por meio de sua localização geofornecimento, de forma a atender os gráfica, verificaram-se os valores da requisitos técnicos obrigatórios. média sazonal do insumo solar, utiliComo principais vantagens dos zando o software Sun Data versão 3.0. sistemas híbridos podem ser destaca- A Figura 2 apresenta os dados de irradas: a possibilidade do aproveitamen- diação solar média na região. to de recursos disponíveis, de fontes diferenciadas; produção através de sistemas independentes que não precisam, necessariamente, estar ligados à rede de energia elétrica convencional; confiabilidade e proximidade à carga. Entretanto, há algumas desvantagens relacionadas aos recursos e a disponibilidade energética ser favorável para geração de energia elétrica e a alta complexidade dos sistemas de Para determinar a vazão útil a ser controle, dependendo do porte da geturbinada, utilizou-se o método direto ração [2]. volumétrico, que consiste na captação O objetivo deste trabalho apre- de agua em um recipiente de volume senta uma solução viável para geração conhecido e o tempo de enchimento. de energia em áreas rurais, podendo Este método é aplicável para pequenas ser intercambiável com a rede elétrica vazões (≤ 10 litros/s) para determinar a vazão media sazonal da energia híde baixa tensão da concessionaria. drica disponibilizada pelo riacho, O sistema de energia híbrida, conforme a Equação 1. construído a partir de um protótipo faz a associação da geração hidráulica, por meio de uma roda d’água acoplada a um gerador de energia em corrente contínua, instalada no curso Onde: natural de um riacho, e placas solares fotovoltaicas, ambos interligados ao (Q) é a vazão disponível em m³/s; controlador de carga. (l) é a medida em litros de água; Metodologia (s) o tempo de enchimento em segunPara o desenvolvimento deste tra- dos. balho, foi utilizado como laboratório A Figura 3 apresenta as vazões de campo a propriedade rural Sítio mensais com base no gráfico de preBom Jardim, localizada no município de Chácara-MG, cuja atividade pre- cipitação local. dominante é a criação de gado leiteiro, ao qual é abastecido pela concessionária de energia elétrica local através de um transformador monofásico de 10 kVA em tensão primária de 22 kV e no secundário com tensões entre 120V e 240V. Para o desenvolvimento do protótipo tornou-se necessário realizar, primeiramente, um levantamento detalhado da área rural, onde foi instalado o laboratório de campo, a fim de

As rodas hidráulicas ou rodas d’água são máquinas motrizes rudimentares, em que a água atua com a predominância de uma das modalidades de energia que possui, e conforme a localização da entrada da água na roda, esta recebe um nome característico [3]. A roda do tipo sobreaxial, cuja eficiência energética é entre 70% e 90%, possui caçambas (alcatruzes) montadas diagonalmente na parte periférica da roda, ao qual a água é derramada em sua parte superior de modo a enchê-las fazendo com que um dos lados da roda fique mais pesado fazendo-a girar. Após a construção de uma pequena barragem para estabilização da vazão, determinou-se o potencial de fluxo contínuo de água e o desnível proporcional à altura da roda, considerando o desnível total do terreno aproveitado para a possibilidade de instalação de outras unidades de geração em cascata. O protótipo foi construído em um dispositivo circular montado sobre um eixo, contendo, na sua periferia, alcatruzes ou aletas dispostas de modo a aproveitar a energia hidráulica. Os alcatruzes foram definidos através da divisão da roda em um polígono regular de 10 lados, resultando em uma roda do tipo sobreaxial, composto por 10 reservatórios (alcatruzes), com espaçamento entre eles de 0,02m, montadas diagonalmente, totalizando um diâmetro de 1,40m com largura de 0,15m. Para o eixo foi utilizado um rolo tracionado com diâmetro de 0,03m nas extremidades e 0,10m no centro, ao qual foram soldados vergalhões de 8 mm de espessura, dobrados em forma de “U” e intercalados para suportar as forças axiais. A Figura 4 apresenta a roda d’água construída no local. O sistema de geração de energia híbrido, composto pelos protótipos roda d’água e painel solar, foi interligado a um controlador de carga DC-DC MPPT (Maximum Power Point RBS Magazine

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Tracker) através de um conversor de múltiplas entradas MIC (Multiple Input Converters) tendo a tensão de saída disponibilizada pelo barramento DC, permitindo a integração dos sistemas, garantindo a estabilidade de tensão, reduzindo o número de conversões e perdas [4]. A Figura 5 apresenta o diagrama de configuração do sistema híbrido.

A Tabela 1 apresenta alguns resultados com a aplicação de carga no lar-hídrico, podendo ser tornar um eixo do gerador e avaliação do com- investimento atrativo para áreas ruportamento da velocidade (rpm) e rais. potência gerada (W). Referências Conclusões [1] CEMG. ND.5.30: Requisitos para Com os resultados obtidos, con- a Conexão de Acessantes ao Sistema clui-se que para ser viável o uso do de Distribuição – Conexão em Baixa aproveitamento hídrico através de Tensão. 1 ed. Belo Horizonte/mg: Ceroda d’água, levando em consideração mig, 2016. 50 p. O conversor de múltiplas entra- os custos comparados ao aproveitadas MIC (Multiple Input Converters), mento fotovoltaico, cada roda teria [2] BRASÍLIA, J.T.P. Ministério de utiliza a topologia Ćuk, do tipo abai- que gerar uma potência igual ou supe- Minas e Energia. Sistemas Híbridos: xador/elevador de tensão, proposto rior a 60 Wh, neste caso, vazão maior Soluções Energéticas para a Amazôpara fazer a interface entre as duas que 7 litros por segundo. nia. 2008. fontes, possuindo controle através da lógica do tipo perturbação e observaAparentemente o potencial hídri- [3] MESQUITA, J. ; MORAES, W.R. ção (P&O), cujo principal função é de co é pequeno, mas levando em consi- Máquinas Hidráulicas: Aplicações. "rastrear" o ponto de máxima potên- deração que não há perdas de fluído São Paulo: Matemática Editora S.A., cia das fontes de geração de energia e durante a etapa de transformação em 1958. entregar esta potência máxima a car- potência mecânica e com a ajuda do ga. Possui ótima filtragem com gran- desnível do relevo local existe a pos- [4] PEREIRA, N.D.T. Sistema Híbrido de capacidade de suportar picos de sibilidade de alinhar diversas rodas De Produção De Energia Elétrica Para corrente e tensão, baixa ondulação de d’água em sequência, em forma de Autoconsumo. 2015. 98 f. Monografia corrente de entrada e saída [5]. cascata, ampliando de forma expo- (Especialização) - Curso de Engenhanencial a potência elétrica aproveita- ria Eletrotécnica, FEUP, Porto, Portuda. Resultados e Discussão gal, 2015. O resultado alcançado possibiDurante a fase de testes, coletaram-se os dados para diferentes cargas litou definir limites mínimos proe/ou situações tanto para o protótipo missores para o desenvolvimento e instalação de um sistema híbrido sohídrico como para o protótipo solar.

[5] ĆUK, Slobodan. Modelling, analysis, and design of switching converters. 1977. Tese de Doutorado. California Institute of Technology.

O RESULTADO ALCANÇADO POSSIBILITOU DEFINIR LIMITES MÍNIMOS PROMISSORES PARA O DESENVOLVIMENTO E INSTALAÇÃO DE UM SISTEMA HÍBRIDO SOLAR-HÍDRICO 38

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