Acumuladores de Energia

Acumuladores de Energia
Nikolas Libert
Aula 11
Manutenção de Sistemas Eletrônicos Industriais ET54A
Tecnologia em Automação Industrial
Acumuladores de Energia
Acumuladores de energia
 Dispositivo eletroquímico para armazenamento de
energia.
–
Composto por um recipiente, separadores e eletrodos
banhados por um eletrólito.
–
Os eletrodos são associados em bateria.
 Transformações eletroquímicas são quase totalmente
reversíveis.
–
Possibilidade de vários ciclos de carga e descarga.
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 Principais tipos de baterias.
–
Baterias de Chumbo-Ácido.
–
Mais baratas. Dominam cerca de 40-45 % do
mercado de baterias.
● Baixa densidade de energia.
Baterias de Ni-Cd.
–
Menos susceptíveis aos efeitos da temperatura no
tempo de vida.
Baterias de Íon-Lítio.
●
●
●
Uso muito restrito a situações onde peso e espaço
são fatores relevantes.
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 Baterias chumbo-ácido.
–
Úmida: Eletrólito formado por solução aquosa de ácido
sulfúrico.
–
Seca: Eletrólito formado por um material em forma de
gel. Bateria gelatinosa selada.
 Tipos de bateria.
–
Chumbo-ácido ventilada ou convencional.
–
Chumbo-ácido regulada por válvula.
–
Gel, ou gelatinosa.
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 Acumuladores para Partida.
–
Fornecem grandes quantidades de corrente em
intervalos pequenos de tempo.
–
Uso automotivo. Partida de motores.
–
Não são projetados para descarga profunda.
 Acumuladores Estacionários.
–
Fontes de alimentação de emergência.
–
Fornecimento contínuo de energia por períodos
prolongados.
–
Devem permanecer na posição horizontal.
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 Acumuladores para Tração.
–
Fornecimento variado de energia em pequenos
intervalos.
–
Geralmente são de NiCd.
 Acumuladores portáteis.
–
Tamanho e peso pequeno, para uso em equipamentos
portáteis.
–
Construção hermética para evitar vazamentos.
–
Baterias de Íon de Lítio presentes em laptops e
celulares.
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 Acumulador Chumbo-Ácido Elementar.
–
Quando o circuito é fechado, os eletrodos reagem com
ácido sulfúrico.
–
Sulfato de Chumbo é depositado nos eletrodos e o
eletrólito se transforma em água.
Célula Carregada
Célula Descarregada
R
R
Pb
Pb
H 2 SO 4
PbO2
-
PbO2
+
H2O
Pb SO 4
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 Para aumento da capacidade de corrente, a área dos
eletrodos deve ser maximizada.
Placas de um único eletrodo
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Par de eletrodos
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 Componentes de
um acumulador
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 As baterias são formadas por mais de um
elemento/célula por monobloco.
–
Os elementos são conectados em série de forma que a
tensão resultante é elevada.
 Principais tensões características das baterias:
–
Tensão Nominal, Tensão de Flutuação, Tensão de
Equalização, Tensão de Carga Especial e Tensão Final
de Descarga.
 Tensão Nominal.
–
Tensão média de operação da bateria.
–
Vale 2,0 V/el. para baterias chumbo ácido.
–
Uma bateria de 12 V é formada por 6 elementos.
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 Tensão de Flutuação.
–
As baterias sofrem descarga com o passar do tempo
mesmo se não estiverem em uso.
–
Para que elas estejam sempre carregadas, seus
terminais são mantidos sob a tensão de flutuação, por
tempo indeterminado.
–
Vale tipicamente 2,2 V/el. para baterias chumbo ácido.
 Tensão Final de Descarga.
–
Tensão mínima de operação da bateria.
–
Quando a tensão da bateria cai abaixo deste valor, há
risco de danos irreversíveis.
–
Vale tipicamente 1,75 V/el. para baterias chumbo ácido.
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 Tensão de Equalização.
–
Quando a bateria é descarregada abaixo da tensão de
flutuação, a recarga pode ser feita pela aplicação da
tensão de equalização.
–
Ao fim da carga, deve-se voltar a aplicar a tensão de
flutuação.
–
A aplicação da tensão de equalização quando a bateria
estiver carregada pode ocasionar aquecimento,
emissão de gases e danos irreversíveis.
–
Deve ser aplicada por um tempo limitado e definido
pelo fabricante.
–
Vale tipicamente 2,45 V/el. para baterias chumbo
ácido.
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 Tensão de Carga Especial.
–
É a máxima tensão que pode ser aplicada sobre a
bateria, devendo ser evitada.
–
Vale tipicamente 2,58 V/el. para baterias chumbo
ácido.
 Capacidade de Carga da Bateria.
–
Parâmetro definido pelo produto da corrente que uma
bateria pode fornecer pelo tempo em horas que levará
para que a mesma atinja a tensão final de descarga.
–
Valor dado em Ampère-Hora [Ah].
–
A capacidade de carga diminui caso a corrente de
descarga seja muito elevada.
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 Capacidade de Carga: Exemplo Manual Lorica
–
A capacidade nominal é de 450 Ah.
–
Pode fornecer 45 A por 10 horas ininterruptas.
–
No entanto, para descarga na metade do tempo (5
horas), a corrente é inferior ao dobro (90 A).
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 Aumento da capacidade de carga.
–
Pode ser obtido associando-se baterias em paralelo.
–
Para associação em paralelo as tensões devem ser
praticamente iguais, e as baterias idênticas.
 Aumento da tensão de saída.
–
Pode ser obtido associando-se baterias em série.
 Associação série paralelo.
–
Utilizada quando se deseja aumentar a tensão de
saída e a capacidade de carga simultaneamente.
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 Resistência interna.
–
A resistência interna de bateria é extremamente baixa
(ex.: 3 mΩ).
–
Curto circuitos em baterias são muito perigosos devido
às altas correntes geradas.
–
Exemplo: uma bateria de 12 V e resistência de 3 mΩ
geraria uma corrente de curto circuito de 4000 A.
Haveria risco de fogo ou explosão.
–
A resistência varia de acordo com a carga da bateria.
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 Resistência interna: Exemplo Manual Lorica.
Ex.: Resistência de
4 mΩ para bateria
TM50 com 40 % de
carga.
A bateria é composta
por 10 elementos,
cada elemento teria
0,4 mΩ.
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 Temperatura de Trabalho da Bateria.
–
É ideal que as baterias operem a 25 °C.
–
Temperaturas elevadas reduzem a vida útil.
–
Baterias chumbo ácido não devem exceder os 40 °C
enquanto as alcalinas, 45 °C.
–
Temperaturas abaixo de 10 °C são muito prejudiciais
para baterias chumbo ácido.
–
Em grandes bancos de baterias, é interessante o uso
de climatização do ambiente.
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 Temperatura: Exemplo Manual Lorica.
Ex.: Para operação à
35 °C, a vida útil cai 50 %.
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 Densidade do Eletrólito.
–
Na medida em que a bateria chumbo ácido é
descarregada, o eletrólito se torna mais aquoso.
–
A densidade da água é de 1 g/cm³, sendo inferior à
densidade do ácido sulfúrico.
–
Alterações na densidade, para uma mesma carga,
podem indicar necessidade de manutenção.
 Evaporação do Eletrólito.
–
Nas baterias não seladas, é necessária a adição de
água destilada quando há redução no nível do
eletrólito.
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 A medição da densidade e correção no nível de
eletrólito é realizada pelo plug de manutenção.
Adição de água destilada
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Uso de densímetro
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 Profundidade de descarga
–
O tempo de vida da bateria também varia de acordo
com o quanto ela é descarregada à cada ciclo.
–
Descargas profundas são prejudiciais para baterias
Chumbo Ácido.
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 Profundidade de descarga. Exemplo Manual Lorica.
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Exercício
–
Você dispõe de baterias Chumbo Ácido de 5 el.
Quantas baterias são necessárias para gerar uma
tensão nominal de 110 V?
–
Qual a tensão de flutuação para manter o banco de
baterias carregado?
–
O banco de baterias alimentará uma carga de 4565 W
e você deseja uma profundidade de descarga de 80 %.
Por quanto tempo durarão as baterias?
–
Qual será o número de ciclos possível?
R.:11 / 121 / 5h / 500
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Referências
 URBANETZ, Jair Jr., MAIA, José da Silva. Apostila Curso Sistemas de CC e CA, DAELT / UTFPR, 2005.
 FIGUEIRA, Antonio. Sistemas No-Breaks Estáticos,
Antenna Edições Técnicas, Rio de Janeiro, 2005.
 LORICA, Manual de Manutenção e Operação de
Baterias Ácidas Tipo TM, São Paulo, 2007.
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