Arquitetura de energia
1. Projeto do Subsistema de energia
O subsistema de energia do Coletor Automático de Água da Chuva foi projetado para alimentar de forma autônoma os demais componentes do sistema, garantindo operação contínua e confiável, mesmo em condições climáticas adversas. Baseado em um sistema off-grid, utiliza um painel solar como fonte de geração e uma bateria para armazenamento, garantindo a energia necessária para o funcionamento de motores e dispositivos eletrônicos. O projeto priorizou a eficiência energética, o dimensionamento adequado da capacidade e a conformidade com padrões de segurança e qualidade, promovendo a sustentabilidade e o desempenho.
1.1 Sistema off-grid
Um sistema off-grid, também conhecido como sistema autônomo de energia, é um arranjo de geração e armazenamento de energia projetado para operar de forma independente da rede elétrica convencional. Ele utiliza fontes renováveis, como a energia solar, para alimentar diretamente os equipamentos conectados e armazenar o excesso de energia em baterias para uso posterior. No contexto do Coletor Automático de Água da Chuva, o sistema off-grid foi escolhido por sua capacidade de fornecer energia sustentável e autônoma, mesmo em locais remotos ou sem acesso à rede elétrica. Essa abordagem permite que o coletor opere de maneira contínua, utilizando a energia gerada pelos módulos fotovoltaicos durante o dia e armazenada nas baterias para os períodos sem geração, como à noite ou em dias nublados. Além de sua independência, o sistema off-grid também promove a sustentabilidade ao reduzir a dependência de fontes não-renováveis, alinhando-se com práticas ecologicamente responsáveis.
2. Componentes do Subsistema de Energia
2.1 Painel Solar
O painel solar é o principal componente responsável pela geração de energia no sistema off-grid do Coletor Automático de Água da Chuva. Ele converte a luz solar em energia elétrica por meio do efeito fotovoltaico, utilizando células de silício que captam os fótons da luz e geram uma corrente elétrica.
No projeto, a escolha do módulo fotovoltaico foi baseada em critérios técnicos e práticos, como a potência necessária para atender à demanda do sistema, a eficiência energética do painel e a durabilidade frente às condições ambientais. Além disso, considerou-se a disponibilidade de materiais e a redução de custos, buscando um equilíbrio entre desempenho e viabilidade econômica.
A seleção também levou em conta a irradiação solar média da região onde o coletor será instalado, garantindo que o painel possa gerar energia suficiente mesmo em períodos de menor luminosidade. Este componente desempenha um papel essencial na autonomia e sustentabilidade do sistema, tornando-o confiável em diferentes cenários de uso.
2.2 Bateria
A bateria é um dispositivo eletroquímico responsável por armazenar energia elétrica para uso posterior. Ela funciona por meio de reações químicas reversíveis que permitem a conversão entre energia química e energia elétrica. Em sistemas de geração de energia, como os off-grid, as baterias desempenham um papel essencial, garantindo a continuidade do fornecimento de energia durante períodos em que a fonte principal (como o painel solar) não está gerando, como à noite ou em dias nublados.
Tipos de Baterias
As principais tecnologias de baterias disponíveis no mercado para sistemas off-grid incluem:
-
Baterias de Chumbo-Ácido: São compostas por placas de chumbo e dióxido de chumbo imersas em uma solução de ácido sulfúrico como eletrólito. São amplamente usadas devido ao baixo custo e boa durabilidade, mas exigem manutenção periódica.
-
Baterias de Níquel-Cádmio (NiCd) Utilizam níquel no catodo e cadmio no anodo, com eletrólito alcalino. São resistentes a ciclos profundos de carga/descarga, mas o cádmio é um material tóxico e com impacto ambiental.
-
Baterias de Íons de Lítio Utilizam compostos de lítio nos eletrodos e um eletrólito à base de sais de lítio. São leves, duráveis e eficientes, mas têm um custo mais alto.
Bateria Selecionada para o Projeto No contexto do Coletor Automático de Água da Chuva, foi escolhida uma bateria de chumbo-ácido devido à sua confiabilidade, custo acessível e ampla compatibilidade com sistemas fotovoltaicos. Apesar de exigir manutenção periódica, sua relação custo-benefício é vantajosa para o projeto.
A bateria não apenas garante o funcionamento contínuo do sistema, mas também estabiliza o fornecimento de energia, protegendo os componentes conectados contra flutuações elétricas. Este elemento é fundamental para assegurar a eficiência e a segurança do sistema em qualquer condição operacional.
2.3 Controlador de Carga
O controlador de carga é um componente fundamental em sistemas off-grid, pois regula a carga da bateria, protegendo-a contra sobrecarga ou descarga excessiva. Ele monitora a tensão da bateria e a corrente proveniente dos painéis solares, ajustando a entrega de energia de acordo com o estado de carga da bateria. Isso garante que as baterias sejam mantidas em níveis ideais de carga, prolongando sua vida útil e evitando danos. Além disso, o controlador de carga também pode incluir funções de proteção contra curtos-circuitos, sobrecorrente e outras falhas elétricas.
3 Dimensionamento do Subsistema de Energia
3.1 Consumo de Energia do Sistema
O consumo de energia do sistema refere-se à quantidade de energia necessária para alimentar todos os componentes envolvidos no funcionamento do coletor automático de água da chuva, incluindo os sensores eletrônicos e o motor de abertura da tampa. Para o cálculo do consumo total, foi considerado que os componentes eletrônicos estarão em funcionamento contínuo, ou seja, ligados 24 horas por dia. Já o motor será utilizado por um minuto por dia para realizar a abertura da tampa do coletor.
Tabela 1: Levantamento de carga.
| Componente | Qtd | Corrente [mA] | Tensão [V] | Potência [W] |
|---|---|---|---|---|
| Microcontrolador: ATmega328P | 3 | 40,00 | 5,00 | 0,60 |
| Microcontrolador: ESP32 | 1 | 12,00 | 5,00 | 0,06 |
| Motor de Passo | 1 | 840,00 | 4,00 | 3,36 |
| Condicionador de Comunicação | 4 | 0,30 | 5,00 | 0,0005 |
| Velocidade/direção do vento | 1 | - | - | 0,4212 |
| Sensor de Umidade, temperatura e pressão | 1 | 0,036 | 3,60 | 0,00001 |
| Sensor Ultrassônico | 1 | 8,00 | 5,00 | 0,04 |
| Sensor de Chuva e Módulo de Controle | 1 | 100,00 | 5,00 | 0,50 |
| Potência Total [W] | 5 |
3.2 Radiação Solar da Região
A radiação solar da região é um fator essencial para o dimensionamento do sistema fotovoltaico, pois define a quantidade de energia que os módulos solares poderão gerar a partir da luz solar disponível. Para determinar a radiação solar média diária, foram utilizados dados obtidos do site da CRESesb (Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais – Solarimetric), que fornece informações detalhadas sobre a irradiação solar nas diversas regiões do Brasil. Através desses dados, foi calculada a irradiação solar diária média mensal, que para a região do projeto foi de 5,28 kWh/m².dia. Esse valor representa a quantidade média de energia solar que incide sobre cada metro quadrado de superfície de painéis fotovoltaicos a cada dia ao longo do mês.
Figura 1 - Tabela de Irradiação (Cresesb, 2024).
Com base nessa irradiação média, é possível estimar a geração de energia dos módulos fotovoltaicos e dimensionar o sistema para garantir que ele consiga atender à demanda de energia do coletor automático de água da chuva de forma eficiente.
3.3 Dimensionamento da bateria
O dimensionamento da bateria foi realizado com base no consumo energético diário do sistema, levando em consideração o tempo de autonomia necessário, ou seja, o tempo que o sistema deve operar sem geração de energia, caso não haja radiação solar suficiente. Para isso, foi considerada a necessidade de armazenamento de energia suficiente para alimentar o motor e os componentes eletrônicos do sistema, que funcionam 12 horas por dia. A bateria selecionada foi do tipo chumbo-ácido, levando em conta a disponibilidade e o custo-benefício para o projeto. A tabela a seguir apresenta os dados da energia consumida pelo sistema
Tabela 2 - Energia do sistema.
| Descrição | Valor |
|---|---|
| Carga Instalada (W) | 5 |
| Consumo diário de energia (Wh/dia) | 38,95 |
Como já temos todos os valores necessários para realizar o dimensionamento da bateria, basta utilizar a equação a seguir para calcular sua capacidade. A tensão do sistema é de 12 V, e para o cálculo, será considerado o coeficiente de descarga da bateria. De acordo com as pesquisas, a profundidade de descarga das baterias de chumbo-ácido varia entre 0,7 e 0,8, o que significa que apenas essa fração da capacidade total da bateria pode ser utilizada para evitar danos à bateria e garantir uma vida útil prolongada.
A equação para calcular a capacidade da bateria é a seguinte:
Cbat = (Pot × Ndias) / Pd
Onde:
- Cbat: Capacidade da bateria (Wh)
- Pot: Potência necessária do sistema(W)
- Ndias: Autonônima do sistema(h)
- Pd: Profundidade de descarga
Assim temos:
Cbat = (5 × 12) / 0,7 = 85 (Wh)
Com o valor da energia armazenada calculado, podemos determinar a capacidade necessária da bateria, que será:
Cbat(Ah) = Cbat(Wh) / V = Cbat(Ah) = 85(Wh) / 12 = 7(Ah)
Como a capacidade da bateria foi definida, na tabela seguir estão seus detalhes técnicos:
Tabela 3 - Caracteríticas da bateria.
| Marca | Elgin |
|---|---|
| Modelo | 82315 |
| Composição das células da bateria | Chumbo - Ácido |
| Voltagem | 12 V |
| Amperagem | 7 Ah |
| Dimensões [cm] | 16 x 16 x 16 |
| Peso [kg] | 1,5 |
3.3 Dimensionamento dos Módulos Fotovoltaicos
O dimensionamento dos módulos fotovoltaicos foi baseado no consumo diário do sistema e na radiação solar média da região, que é de 5,28 kWh/m²/dia. Com esses dados, foi calculada a potência necessária e, a partir disso, o módulo fotovoltaico adequado para garantir que o sistema gerasse energia suficiente para atender à demanda. Os dados detalhados sobre o dimensionamento estão apresentados na tabela a seguir.
Tabela 4 - Dimensionamento do módulo.
| Descrição | Valor |
|---|---|
| Consumo diário de energia (Wh/dia) | 38,95 |
| Radiação Diária Mensal (kWh/m².dia) | 5,28 |
| Consumo diário da bateria (Wh/dia) | 85 |
| Rendimento | 0,95 |
A equação para calcular a potência do módulo:
Pmod = (Cbat + Csist) / (HSP × η)
Onde:
- Pmod: Potência do módulo fotovoltaico (Wp)
- Csist: Carga do sistema (Wh)
- HSP: Irradiação solar média diária da região (kWh/m2m^.dia)
- n: Rendimento do sistema
Substituindo os valores na equação:
Pmod = (85 + 38,95) / (5,28 × 0,95) = 22 (Wp)
O valor encontrado para a potência do módulo foi de 22Wp. Considerando a proximidade dos valores, selecionamos o módulo de 20Wp. O modelo escolhido é o Painel Solar Fotovoltaico Yingli YL020P-17b (20Wp). A seguir, estão suas especificações técnicas:
Tabela 5 - Especificação Técnica módulo.
| Marca | Yingli |
|---|---|
| Modelo | YL020P-17b |
| Número de células e tipo | 36, Silício Policristalino |
| Voltagem de Máxima Potência (Vm) | 16,6 |
| Corrente de Máxima Potência (Im) | 1,2 |
| Voltagem de Circuito Aberto (Voc) | 21,4 |
| Corrente de Curto-Circuito (Isc) | 1,31 |
| Eficiência do Painel | 15% |
| Dimensões do painel (mm) | 360x480x25 |
3.4 Controlador de Carga
O Controlador de Carga Solar 10A 12V já atende aos requisitos do sistema, garantindo a correta gestão da carga da bateria e a proteção contra sobrecarga. A seguir, estão suas especificações técnicas:
Tabela 5 - Especificação Técnica Controlador de Carga.
| Marca | Knup |
|---|---|
| Modelo | KP-AD10A |
| Voltagem mínima de entrada (V) | 12 |
| Corrente máxima de saída (A) | 10 |
| Tecnologia | PWM |
| Voltagem de Circuito Aberto (Voc) | 21,4 |
| Corrente de Curto-Circuito (Isc) | 1,31 |
3.5 Cabos
O dimensionamento da seção transversal dos cabos foi realizado com base nas correntes máximas que o gerador e a bateria podem gerar. O gerador tem uma corrente de curto-circuito de 1,31A, enquanto a corrente máxima gerada pela bateria é de 0,8A. Para o cálculo, foi considerado o método de instalação número 11, que se aplica a cabos unipolares ou multipolares instalados sobre a parede ou com um espaçamento inferior a 0,3 vezes o diâmetro do cabo. A partir disso, foi identificado o método de referência C na Tabela 33 da norma.
Fonte: Própria
Com o método de referência definido, consultou-se a Tabela 36, resultando em uma seção de cabo de 0,5 mm² para o sistema.
3.6 Disjuntor
O subsistema de energia conta com a instalação de dois disjuntores de 2 A para proteger o circuito. Um deles está posicionado entre o módulo fotovoltaico e o controlador de carga, e o outro entre a bateria e o controlador. A escolha dos disjuntores de 2 A baseia-se na corrente de curto-circuito do módulo, que é de 1,31 A, e na corrente máxima estimada do sistema, que atinge até 1.000 mA (1 A) ao somar todos os componentes. Assim, esses disjuntores oferecem a proteção necessária contra sobrecorrente, prevenindo danos ao equipamento e garantindo a segurança do sistema.
4. Diagrama Unifilar
Referências Bibliográficas
[1] Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). NBR 5410: Instalações elétricas de baixa tensão. Rio de Janeiro, 2004.
[2] Instituto Nacional de Meteorologia (INMET): Clima. Prognóstico de Tempo (2024). Acesso em: 27 abr. 2024. Disponível em: https://clima.inmet.gov.br/progt.
[3] ABNT NBR IEC 60335-2-29:2010. Aparelhos eletrodomésticos e similares - Segurança - Parte 2-29: Requisitos particulares para carregadores de baterias. Rio de Janeiro: ABNT, 2010.
Tabela de versionamento
| Versão | Data | Descrição | Responsável |
|---|---|---|---|
| 1.0 | 29/10/2024 | Adicionando placeholder para imagens inexistentes. | Arthur José |
| 1.1 | 21/11/2024 | Subsistema de energia. | Gabriel Oliveira |
| 1.2 | 04/12/2024 | Ajuste formatação de textos, fórmulas e imagens. | Pablo Santos |
| 1.3 | 13/01/2025 | Criação de nova seção para disjuntor. | Gabriel Oliveira |