Um ponto importante para quem faz trabalhos escolares, projetos de apresentação ou mesmo estudos e aplicações de fontes alternativas de energia elétrica é saber o que pode ser ligado a elas e de que modo isso deve ser feito. Neste artigo vamos analisar este problema, dando dicas e soluções para projetos com qualquer tipo de fonte de energia elétrica.
Fontes alternativas de energia elétrica tais como células fotovoltaicas, termocélulas (efeito Peltier), pequenos dínamos, células químicas ou biocélulas são comuns em nossos dias, sendo usadas em projetos dos mais diversos tipos.
Algumas podem fornecer energia suficiente para ter uma aplicação prática importante como os painéis solares formados por células fotovoltaicas, outras podem ser interessantes para aplicações experimentais como os dínamos e algumas servem apenas para demonstrações.
No entanto, o que você pode fazer com essas fontes de energia elétrica depende de alguns conhecimentos básicos que determinarão o modo como elas podem ser usadas. Neste artigo vamos tratar disso de uma forma que pode ser muito importante para você obter o máximo, como também para embasá-lo na elaboração de um eventual relatório técnico ou na realização de cálculos.
As fontes são geradores de energia elétrica
Quando estudamos eletricidade aprendemos que existem dispositivos que fornecem energia elétrica, gerando-a a partir da conversão de uma outra espécie de energia sendo denominados geradores. Aprendemos também que existem dispositivos denominados receptores, que convertem energia elétrica em alguma outra espécie de energia que aproveitamos.
Assim, como geradores temos as células fotovoltaicas, os dínamos, as pilhas, os geradores de efeito Peltier e muitos outros. Como receptores temos as lâmpadas, os LEDs, motores, circuitos eletrônicos que produzem sons, ondas de rádio, etc.
Geradores, receptores e um meio que transporte a energia de uma o outro formados por fios condutores resultam no que denominamos circuitos elétrico.
Observe que representamos o gerador com um símbolo que mostra a parte em que é gerada energia, mas também ligamos em série com ele um resistor.
Esse resistor, representa sua resistência interna que determina quanto de corrente ele pode fornecer e o que acontece com sua tensão que ele funciona.
O que ocorre é que nenhum gerador é perfeito, e todos os que encontramos em fontes alternativas como as que descrevemos em nossos trabalhos, possuem uma característica de funcionamento para que possamos usá-los corretamente.
Vamos analisar em pormenores o que ocorre e depois mostrar como devemos usar na prática esses geradores para que nossos projetos funcionem corretamente.
A característica do gerador
Quando o gerador que pode ser uma célula fotovoltaica, um dínamo, um gerador termoelétrica ou uma pilha se encontra desligado, ou seja, sem fornecer energia a um circuito externo, aparece entre seus terminais uma “pressão elétrica”, uma tensão que cria um campo capaz de empurrar os elétrons pelos fios. Essa tensão é a força eletromotriz, abreviada por f.e.m. e medida em volts.
Em suma é a tensão que medimos nos terminais de um gerador com o multímetro que ele está desligado.
No entanto, quando ligamos o gerador a uma carga, por exemplo, uma lâmpada ou um resistor e ele começa a fornecer energia através da circulação de uma corrente, a força que empurra os elétrons pelo circuito diminui e assim, a tensão cai. Quanto maior a corrente que ele tem de fornecer, menor é a tensão, conforme mostra a figura 2.
Isso ocorre, porque a tensão (f.e.m.) do gerador (E) tem de se dividir entre a resistência que representa a carga alimentada e uma resistência virtual interna ao gerador.
Veja que, quando a resistência externa é nula e o gerador tem de fornecer sua máxima corrente, denominada corrente de curto-circuito, a tensão na carga é zero.
Em suma, percebemos que à medida que o gerador tem de fornecer mais corrente, sua tensão cai.
Assim, não podemos esperar que um gerador alternativo que tenhamos a nossa disposição e que está especificado para fornecer 3 V faça isso sempre. Esses 3 V vão cair à medida que exigimos dele mais corrente.
Isso é muito importante nos nossos projetos e experiências, pois devemos dimensionar os circuitos alimentados para que possam funcionar com a tensão que vai aparecer quando eles forem ligados e não a tensão para o qual o gerador está especificado.
É comum que as pessoas, esquecendo esse detalhe tenham problemas com a alimentação de seus dispositivos. Isso ocorre, por exemplo, com os microcontroladores como Arduino, que estão especificados para fornecer 200 mA de corrente em suas saídas com 3 V, mas quando que ligamos alguma coisa que exija essa corrente em sua saída, a tensão cai para perto de zero e ela não funciona. Mais do que isso, pode sobrecarregar a saída do circuito queimando-o.
Em suma, um primeiro cuidado que devemos ter com nossas fontes alternativas de energia é trabalhar com dispositivos que operem com as condições de potência máxima.
Um gerador tem um ponto de rendimento máximo dado pela curva da figura 4.
Vemos pela curva que o maior rendimento de um gerador ocorre quando ele deve fornecer sua energia a uma carga que tenha uma resistência igual a sua resistência interna.
Cálculos simples feitos com a chamada equação do gerador mostram que nesse ponto a tensão na carga cai à metade da tensão do gerador e a corrente é metade da corrente máxima que ele pode fornecer. Assim, no seu experimento, se você precisa da potência máxima, deve levar em conta esse fato.
Se, para o seu projeto for mais importante manter a tensão mais elevada, você deve pensar num consumo que seja menor do que o ponto em que a tensão caia a um valor em que ele não funcione.
Por exemplo, se sua fonte alternativa tem uma corrente máxima de 200 mA, o ideal é trabalhar com uma corrente de 20 a 30 mA, para que a corrente não caia muito. Não pense então que, se você vai usar fotocélulas que geram 6 V x 500 mA você pode ligar diretamente seu projeto de 6 V x 500 mA que ele vai funcionar sem problemas.
É interessante notar que os pequenos motores de corrente contínua possuem uma faixa de operação muito ampla, aceitando correntes e tensão numa faixa de valores muito grande. Esses dispositivos não sofrem muito com essas variações de características da fontes sendo, por esse motivo, ideais para demonstrações e projetos experimentais. Os LEDs também não sofrem muito, apresentando apenas variações de brilho. Os mais críticos são os circuitos eletrônicos que necessitam de tensões fixas para seu funcionamento.
Associando as fontes alternativas
Para aumentar a capacidade de fornecimento de energia de fontes alternativas podemos associá-las em série, em paralelo, ou ainda formando conjuntos série-paralelo.
Lembramos que é recomendável que nas associações dessas fontes de energia, elas sejam feitas com geradores iguais. Isso impede desiquilíbrios tanto na tensão como na corrente que podem afetar o funcionamento.
Para aumentar a tensão, podemos ligar os geradores em série, conforme mostra a figura 5.
Nesse tipo de associação, as tensões se somam. Vejam que os geradores devem ser ligados de modo que o polo positivo de um vá ao negativo do seguinte e assim por diante, até que nos extremos tenhamos polos negativo e positivo.
Se um deles for invertido sua tensão é subtraída em lugar de se somar, como mostra a figura 6. Veja no exemplo de pilhas.
A corrente, no entanto, não se altera. Se 4 geradores de ,15 V x 100 mA forem ligados em série, teremos um conjunto que fornece 6 V, mas com corrente ainda de 100 mA.
Para obtermos maior corrente associamos os geradores ou fontes alternativas de energia em paralelo, conforme mostra a figura 7.
Nesse caso, os geradores devem ter todos as mesmas tensões. As correntes se somam. Por exemplo, os 3 geradores de 2 V x 100 mA, em paralelo resultam em um de 2 V x 300 mA.
Esse caso é mais crítico, pois se os geradores tiverem pequenas diferenças de tensão, a corrente pode ser distribuída de forma desigual, passando de um para outro, com perdas de energia. No caso de geradores químicos, isso pode causar o desgaste prematuro das unidades associadas não sendo, portanto, recomendável.
Na figura 8 mostramos uma associação de células fotovoltaicas para se obter maior tensão.
Estas células fornecem algo em torno de 2 V, o que não é suficiente para alimentar muitos aparelhos eletrônicos e mesmo certos componentes, como os LEDs brancos.
Um LED vermelho precisa de 1,6 a 1,8 V para acender, ficando no limite e os de outras cores mais, chegando aos 2,7 V no caso dos LEDs brancos.
Usando reguladores de tensão
Em muitas aplicações experimentais, a tensão usada para alimentação pode assumir uma ampla faixa de valores. Por exemplo, pequenos motores podem funcionar com tensões de 1 a 6 V na maioria dos casos. O que muda quando a tensão varia é a sua velocidade e torque.
Para fazer virar uma hélice ou um mecanismo leve, uma variação da tensão da fonte alternativa não inclui muito. No entanto, para uma aplicação eletrônica pode ser necessário manter constante a tensão.
Neste caso podemos usar reguladores de tensão que podem ser elaborados das mais diversas formas.
Na figura 9 temos um regulador muito simples usando um diodo zener e um resistor. Podemos acrescentar um capacitor na saída para servir como reservatório de energia, reduzindo assim oscilações da tensão na entrada.
O resistor limita a corrente no zener quando a fonte alternativa está funcionando e a carga não está consumindo energia. O diodo zener fixa a tensão que deve ser aplicada a carga.
Este tipo de regulador funciona bem com cargas de baixo consumo, até uns 10 mA, por exemplo, circuitos eletrônicos. Podemos obter uma regulagem melhor com um circuito transistorizado, como o mostrado na figura 10.
Este circuito funciona com correntes maiores de carga, da ordem de até 100 mA com o transistor BC548 e 500 mA com o transistor BD135.
No entanto, ele tem um problema: a tensão de entrada precisa ser alto elevada, pelo menos uns 2V maior do que a tensão que desejamos na saída. Assim, para termos 5 V na saída, para alimentar um microcontrolador, o zener tem de ser de 4,3 V aproximadamente e a tesão de entrada deve ficar entre 7 e 12 V.
Finalmente, temos a possibilidade de usar reguladores de tensão integrados, como no circuito da figura 11.
Este regulador fixo pode fornecer correntes de até 1 A, devendo ser montado num dissipador de calor. No entanto, a tensão de entrada deve ser pelo menos 2 V maior do que a de entrada. O xx é a tensão de saída. Assim, o 7805 fornece 5 V de tensão de saída.
Para correntes acima de 200 mA ele precisa ser montado num radiador de calor.
Existem reguladores chamados LDO (baixa queda de tensão) que não precisam de tensões muito maiores do que as de entrada, da ordem de 0,2 V apenas em alguns casos. Na figura 12 temos um exemplo.
Esse tipo de regulador é ideal para fontes experimentais de energia alternativa ou mesmo outras aplicações em que precisamos de tensões reguladas muito baixas, da ordem de 1,2 V ou próximo disso.
Este dispositivo trabalha com tensões de entrada de 1,5 a 6V e correntes até 200 mA. As tensões de saída são fixas de 0,8 V a 5,0 V.
Datasheet em:
https://www.ti.com/lit/gpn/tps7a02
Enfim, se no seu projeto você precisa de uma tensão fixa, você deve contar com um regulador de tensão.
Armazenando energia
Um problema de algumas fontes de energia alternativa experimentais é que elas fornecem energia apenas durante o tempo em que a energia que deve ser convertida está disponível.
Assim, no caso das fontes com células fotovoltaicas a energia só está disponível durante o dia e eventualmente num experimento interno, somente enquanto as luzes estiverem acesas.
No caso das fontes eólicas, sabemos que o vento não é algo que se manifesta sempre. Existem os períodos de calmaria que podem interromper a alimentação eventualmente seu sistema de recarga de celular ou um rádio.
Como armazenar energia? Na fonte primária não é possível em muitos casos, pelo menos por enquanto. Luz e vento não podem ser armazenados, se bem que alguns políticos pensem o contrário.
Na verdade, até existe algumas tentativas muito interessantes, como abordamos em nosso artigo “Fontes Alternatovas de Energia Pouco Comuns” (EL050) como usinas por osmose,
Outras formas de gerar energia mostradas no artigo incluem a geração por fermentação, decomposição de matéria orgânica, calor do corpo, marés e ondas, campos elétricos da terra, agitação de objetos ou acionamento manual, como mostra a lanterna da figura 14.
Mas, para nós que fazemos projetos experimentais, normalmente de pequeno porte, existem alternativas simples para se armazenar energia.
a) Da fonte primária
Uma ideia simples que pode ser implementada numa feira de ciências ou mesmo como trabalho de conclusão de curso (TCC) é a mostrada na figura 15.
Usamos nossa fonte alternativa de energia (células fotovoltaicas, vento, etc) para bombear água para um reservatório. Depois, esgotamos a água para o reservatório mais baixo, passando por um dínamo de água, conforme mostrado na mesma figura.
Esses pequenos dínamos podem fornecer energia suficiente para alimentar pequenos circuitos eletrônicos, fazer a carga de um celular ou acender um banco de LEDs. Na figura 16 temos um tipo vendido pela internet que serve para outras aplicações em que exista um fluxo de água.
Uma outra sugestão que pode ser melhor entendida a partir do nosso artigo Energia do Gelo nesse livro, consiste em se usar o mesmo dispositivo de efeito Peliter para gerar energia a partir de um reservatório de água aquecida pelo sol. Nesse caso, estamos armazenando, na forma de calor, e energia do sol.
b) Da fonte elétrica
Mais interessante para nós, e eventualmente mais fácil de se trabalhar, é o armazenamento da energia elétrica gerada.
Para isso temos diversas possibilidades:
A primeira consiste em se usar capacitores. No artigo “Coque Solar” mostramos como podemos armazenar a eletricidade gerada por uma célula fotovoltaica num capacitor.
Capacitores eletrolíticos podem armazenar uma boa quantidade de energia, suficiente para acender LEDs ou funcionar motores por tempos que podem chegar a algumas dezenas de segundos.
Neste circuito o diodo é necessário para não haver o retorno da corrente gerada para o dispositivo gerador. Esse diodo é indispensável no caso de geradores que tenham baixa resistência interna como dínamos, por exemplo.
Muito melhor que os capacitores comuns são os supercapacitores, que já podem ser obtidos com valores suficientemente altos para poder fornecer a alimentação para cargas durante horas.
No entanto, temos três dificuldades ao trabalhar com esses componentes.
A primeira é que eles precisam de um tempo muito longo para serem carregados, dependendo da capacidade da fonte de energia. Durante o tempo de carga, a tensão em seus terminais parte de zero e sobe muito lentamente. Da mesma forma, quando usados, a tensão que fornecem varia de maneira diferentes das pilhas comuns, como mostra a figura 17.
O segundo problema é que, quando se encontra descarregado, ele se comporta como um curto-circuito, ou seja, tem uma resistência muito baixa, o que pode sobrecarregar a fonte geradora de energia.
Finalmente, temos o fato de que esses supercapacitores estão disponíveis em tensões muito baixas, da ordem de 2,7 V. se quisermos maior tensão precisamos ligá-los em série, caso em que as tensões se somam, mas a capacitância fica dividida. Dois capacitores de 100 F em série resultam num de 50 F.
Alternativa, mais fácil de se implementar é usar pilhas recarregáveis ou bateria, funcionando como um “no break” para seu projeto.
Quando a fonte alternativa falha ou tem sua tensão reduzida, o banco de pilhas continua fornecendo sua energia para a carga sem interromper seu funcionamento. Veja que precisamos do diodo para que a energia das pilhas não retorne à fonte geradora.
Finalmente, existe a possibilidade de se usar baterias de celulares e powerbanks como fontes de energia auxiliares para seus projetos de energia alternativa.
Conclusão
Fazer projetos com fontes de energia alternativas é algo não apenas de interesse didático como também para aplicações práticas úteis para sua casa ou mesmo negócio.
Disponibilizando uma boa fonte você pode ter um conforto adicional, se livrar da dependência de fornecedores e ainda economizar. E, dependendo da sua fonte até vender o excedente da energia gerada, gerando assim lucros. Veja no nosso site o artigo sobre fazendas de energia.
EL50 – Fontes de energia - https://www.newtoncbraga.com.br/index.php/meio-ambiente-e-saude/7654-fontes-alternativas-de-energia-pouco-comuns-el050.html?highlight=WyJlbDA1MCJd
Link: Capacitores como fonte de energia (ART230)
https://www.newtoncbraga.com.br/index.php/52-artigos-tecnicos/artigos-diversos/1587-art230.html?highlight=WyJhcnQyMzAiXQ==
