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  • Murilo Souza Garcia

Controladores de Carga

Atualizado: 9 de fev. de 2021

INTRODUÇÃO:


A produção a seguir tem como uma de suas funções servir de continuação e complemento do texto de Módulos Solares Fotovoltaicos, disponível no site do Poli Náutico; então, recomenda-se, previamente, a leitura do texto sobre módulos, pois alguns conceitos não serão apresentados novamente.


FUNÇÃO:


Devido à produção irregular de energia dos módulos solares (Figura 1), que é dependente da irradiação de luz solar sobre suas células - já que sofre variações durante o tempo -, faz-se necessário um aparelho capaz de transformar essa produção em fornecimento contínuo, confiável e estável.


Figura 1: Variação da irradiância conforme o as condições do céu.

Fonte: Slides de IEE0004 - Aplicações de energia fotovoltaica


Para resolver tal problema e permitir o uso prático dos módulos solares foi inventado o controlador de carga, responsável por receber a energia irregular e transmitir corrente contínua. Então, em resumo, ele transforma a produção do módulo em corrente, tensão e potência para que baterias e demais sistemas funcionem.


FUNCIONAMENTO:


No nosso sistema, e em muitos outros sistemas off-grid (os que não são conectados à rede de energia), o controlador de carga se encontra entre os módulos solares e o banco de baterias; ele pode ser posicionado antes de outros componentes, mas sempre localizado de modo que esteja ligado à saída de energia dos módulos, recebendo sua produção - vide em destaque no diagrama de blocos abaixo:


Figura 2: Sistema Principal Simplificado.



Fonte: Resumo de projeto elétrico do Poli Náutico


MODELOS:


Há dois principais tipos de controladores de carga no mercado, são eles: MPPT e PWM; porém não convém explicar seu funcionamento de modo tão detalhado ou se aprofundar no significado de alguns termos, ou até mesmo na física por trás de sua atividade; então, procura-se destacar neste texto a operação do controlador MPPT, que foi escolhido pelo Poli Náutico. Ainda assim serão mencionados alguns detalhes sobre o PWM.


MMPT:


O Max Power Point Tracking (MPPT) ou, em português, Seguidor de Ponto Máximo de Potência (SPMP), é o tipo mais moderno de controlador de carga. Em suma, ele “caça” o ponto em que a relação P = U x I, sendo P potência, U tensão e I corrente, é máxima a partir da tensão mínima necessária.

Assim, quando o controlador é conectado à bateria, ele “detecta” a tensão fornecida pelo módulo, bem como a tensão necessária no sistema, e transforma a tensão sobressalente do módulo solar em corrente, fornecendo, assim, sempre a máxima potência baseada na tensão necessária, trazendo, com isso, um maior aproveitamento energético - até 98% ou mais.


Exemplo:

Dados do sistema:






Percebe-se que a tensão do módulo é 6 V maior do que na bateria; então, pela relação:


P =UxI => I = P/U


o controlador calcula a corrente que pode ser enviada.


Ip = Pp/Up => I = 300/24 => I = 12,5A


Com isso, o controlador carrega a bateria com essa nova corrente (de 12,5 A e os 24 V); porém, como a curva de Tensão x Corrente dos módulos não é linear (Figura 3), esses valores de tensão e corrente vão servir para localizar a atuação do controlador.



Figura 3: Curvas Tensão x Corrente

Fonte: Datasheet Módulo Znshine


Dentro do possível, e com base na potência disponível com a irradiância local, o MPPT vai encontrar o ponto em que a relação é ótima, mantendo a tensão mínima necessária para carregar a bateria.


PWM:


O Pulse With Modulation (PWM) ou, em português, Modulação por Largura de Pulso, é basicamente um sistema “On/Off” que chaveia de modo regular para garantir que a tensão do módulo não supere a suportada pela sistema. Isso é necessário pois o módulo solar produz constantemente a energia e, às vezes, dependendo da irradiação solar, ultrapassa a tensão do sistema; então, o PWM desliga e aumenta a corrente até abaixar a tensão o suficiente, ligando novamente a alimentação.


EXEMPLOS:


Seguem alguns exemplos de controladores de carga, PWM Victron - canto superior esquerdo -, PWM EpEver - canto superior direito -, MPPT Victron - canto inferior esquerdo - e MPPT EpEver - canto inferior direito.


Figura 4: Exemplos de controladores de carga da Victron e da EpEver.

Fonte: Fotos retiradas dos sites oficiais


CRITÉRIOS DE ESCOLHA:


Compreendida a necessidade do controlador de carga, sua função, seu funcionamento e seus modelos, é possível discutir como escolhê-lo. Trata-se de um dimensionamento elétrico, em que são analisados alguns dados do sistema e as capacidades do controlador.

Os parâmetros a serem calculados são:

- Corrente dos módulos solares (corrente de carga);

- Corrente de consumo (corrente do controlador para a bateria);

- Corrente de descarga (corrente da bateria para o sistema);

- Tensão do sistema (tensão do módulo e da bateria).


A corrente dos módulos, ou do seu sistema, é de fácil aquisição. Basta olhar o datasheet do módulo e realizar algumas contas de acordo com o seu arranjo e ligações/associações em série ou em paralelo. Lembrando que, com a associação em série, a corrente é a mesma e, em paralelo, é a soma das correntes individuais.

A corrente de consumo/descarga da bateria varia de sistema para sistema, sendo uma variável única neste. Será, portanto, mais fácil de prever seu valor com uma bateria, basta consultar o datasheet. Em caso de associações, basta realizar os cálculos já mencionados. Para calcular a demanda do sistema, faz-se necessária uma análise deste e de todos os itens contidos nele que possam alterar o valor da corrente.

Finalmente, com esses dados em mãos e com o valor das tensões, é possível escolher o controlador de carga ideal para o seu projeto. Basicamente, deve-se selecioná-lo, com base em suas correntes de carga e descarga; geralmente, estas são as mesmas devido a forma com que funciona o controlador; tais correntes devem ser superiores às calculadas no projeto. Para se ter conhecimento desses dados, basta consultar o datasheet.


Figura 5: Dado de corrente datasheet do controlador de carga

Fonte: Datasheet EPEVER Tracer AN


Algumas características importantes:

  1. Proteção contra corrente reversa: desconecta os módulos fotovoltaicos para prevenir perda de carga das baterias nos módulos solares durante a noite;

  2. Controle de descarga: desligamento da saída para evitar descarga das baterias abaixo de valores seguros;

  3. Monitoramentos do Sistema: medidores digitais ou analógicos, LEDs indicadores ou alarmes de advertência;

  4. Proteção contra sobrecarga de corrente: através de fusíveis ou disjuntores.


CONCLUSÃO:


Por isso, com base no texto, pode-se ter noção do quão necessária é a utilização de controladores de carga para assegurar o correto funcionamento de um sistema elétrico que utiliza módulos solares como fonte de energia; esses controladores, além de manter o fluxo de corrente que carregará as baterias, e consequentemente alimentarão o sistema, fazem com que a energia fornecida pelos módulos seja compatível com os aparelhos disponíveis atualmente.

Ressalta-se a importância da leitura de textos mais profundos, que têm seus links disponibilizados nas referências, e/ou a consulta de profissionais da área e de dados disponibilizados por empresas do ramo.


Até a próxima, marujos e marujas!


BIBLIOGRAFIA:


GTES. (2014). Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos. Rio de Janeiro: CEPEL - CRESEB.


Minha Casa Solar. (3 de Janeiro de 2020). CONTROLADOR DE CARGA E DESCARGA. Fonte: Minha Casa Solar: https://www.minhacasasolar.com.br/saiba-mais-controlador-de-carga


IEE0004 (2019.2). Curso aplicações de energia fotovoltaica. São Paulo, SP, USP Butantã: Instituto de Energia e Meio Ambiente (IEE).


Responsável: Prof. Dr. Roberto Zilles.



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