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Universidade Federal do Paraná Departamento de Engenharia Elétrica
ERICK WAGHETTI SANTOS
RICARDO SEIJI MATSUMOTO
DIBB – Dimensionador de banco de
baterias
Curitiba
2010
ERICK WAGHETTI SANTOS
RICARDO SEIJI MATSUMOTO
DIBB – Dimensionador de banco de
baterias
Curitiba
2010
Projeto de Graduação apresentado à Disciplina de Projeto de Graduação como requisito parcial à conclusão do Curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Paraná. Orientador: Vilson R. G. R. da Silva
RESUMO
Baterias são elementos acumuladores de energia com papel fundamental nos
sistemas elétricos, atuando como fonte de energia reserva durante falhas na fonte
principal. Baterias do tipo VRLA são largamente utilizadas devido as suas
características de versatilidade, confiabilidade e custo/benefício. Devido à falta
de literatura técnica sobre tema, este trabalho tem por objetivo apresentar o
DIBB, um método de dimensionamento de bancos de baterias VRLA, assim
como o software criado para executá-lo. O público alvo deste projeto são os
profissionais e estudantes em busca de um método detalhado para realizar
dimensionamento de bancos de baterias.
Palavras-chave: Bateria VRLA, dimensionamento, software
ABSTRACT
Batteries are energy accumulator elements playing a crucial role in electrical
systems, acting as an energy reserve during failures in the main source. Type
VRLA batteries are widely used due to its characteristics of versatility,
reliability and cost / benefit. Due to lack of technical literature on the subject,
this paper aims to present the DIBB, a method of sizing of VRLA battery banks,
as well as software designed to run it. The audiences for this project are
professionals and students in search of a method to perform detailed design of
battery banks.
Keywords: VRLA battery, design, software
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Visão geral de um sistema atendido por banco de baterias............................................... 2
Figura 2: Pilha Voltáica.................................................................................................................... 3
Figura 3: Estrutura de uma célula de bateria .................................................................................... 4
Figura 4: Ligação de baterias em série ............................................................................................. 7
Figura 5: Ligação de baterias em paralelo........................................................................................ 8
Figura 6: Ligação de baterias série-paralelo..................................................................................... 8
Figura 7: Representação das reações químicas de carga e descarga nas baterias chumbo ácidas.. 10
Figura 8: Representação da eletrólise da água na carga de uma bateria chumbo ácida ................. 10
Figura 9: Comportamento do oxigênio e do hidrogênio em uma bateria chumbo ácida................ 11
Figura 10: Recombinação do oxigênio e do hidrogênio em uma bateria de gel ............................ 12
Figura 11: Recombinação de oxigênio e hidrogênio em uma bateria AGM.................................. 13
Figura 12: Exemplo de uma curva de descarga.............................................................................. 16
Figura 13 : Arquitetura da solução apresentada, conforme documento N°240-500-700 do Sistema
de Documentação TELEBRÁS [1] ................................................................................................ 24
Figura 14: Interface de entrada de dados do DIBB ........................................................................ 34
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Curva de capacidade de uma bateria genérica ..........................................................6
Tabela 2: Meia reação de descarga de uma bateria chumbo ácida...........................................9
Tabela 3: Variáveis de entrada do DIBB para o exemplo proposto .........................................26
Tabela 4: Resultados do DIBB para o exemplo proposto.........................................................29
Tabela 5: Variáveis de entrada do DIBB para o exemplo proposto, agora utilizando o
elemento de bateria modelo 3 OPzV 150 ................................................................................30
Tabela 6: Resultados do DIBB para o exemplo proposto, agora usando o elemento de bateria
modelo 3 OPzV 150 ..................................................................................................................31
Tabela 7: Variáveis de entrada do DIBB para o exemplo proposto, agora utilizando o
elemento de bateria modelo 20 OPzV 2500 ............................................................................31
Tabela 8: Resultados do DIBB para o exemplo proposto, agora usando o elemento de bateria
modelo 20 OPzV 2500 ..............................................................................................................32
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................1
1.1 ESTADO DE ARTE..........................................................................................................1
1.1.1 Dimensionador de Baterias pelo Engenheiro Walter Sidnei Soares .......................2
1.2 OBJETIVOS ....................................................................................................................2
2 BATERIAS ........................................................................................................................3
2.1 BATERIAS .....................................................................................................................3
2.2 BATERIAS CHUMBO-ÁCIDAS .........................................................................................9
2.3 BATERIAS CHUMBO-ÁCIDAS REGULADAS POR VÁLVULA (BATERIAS VRLA)............11
3 METODOLOGIA ...........................................................................................................14
3.1 PREMISSAS..................................................................................................................14
3.2 FLUXO DE PROCESSO ..................................................................................................15
3.3 VARIÁVEIS DE ENTRADA ............................................................................................16
3.4 ALGORITMO DE CÁLCULO...........................................................................................18
4 APLICAÇÃO DO DIBB – EXEMPLO.........................................................................22
5 RESULTADOS DO DIBB..............................................................................................32
6 CONCLUSÕES ...............................................................................................................34
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..........................................................................36
APÊNDICE A – FLUXOGRAMA DE CÁLCULO DO DIBB ..........................................38
ANEXO A – TABELA DE INFORMAÇÕES SOBRE AS BATERIAS DO
FABRICANTE SATURNIA [9] ...........................................................................................40
ANEXO B – LISTA DE PESOS DE CRITICIDADE RETIRADOS DO MANUAL
TELEBRÁS [1] .......................................................................................................................41
ANEXO C – CURVA DE AUTONOMIA RETIRADO DO MANUAL TELEBRÁS [1]43
1
1 INTRODUÇÃO
As baterias elétricas têm sido utilizadas ao longo dos anos em diversas aplicações,
porém uma de suas aplicações principais está voltada a elementos acumuladores em sistemas
de alimentação ininterruptos.
Na atualidade, existe uma grande dependência pela energia elétrica. A falta do
suprimento de energia pode gerar diversos problemas, em sua maioria ligada ao prejuízo
material ou perda de informações. É por esta razão que muitas empresas voltam sua atenção a
sistemas que possam suprir energia elétrica em situações de emergência.
Nos sistemas de suprimento de emergência existem dois tipos de fontes de energia:
os geradores e as baterias. Para suprir a energia elétrica, os geradores precisam de
combustível e assim transformarão energia mecânica em energia elétrica, já as baterias
transformarão energia química armazenada, em energia elétrica.
As baterias são adequadas em situações emergências, pois podem ser colocadas em
funcionamento quase que imediatamente, diferente das maquinas geradoras. Na prática, as
baterias são empregas apenas até que um gerador a combustível possa entrar em operação,
devido grande diferença de custo financeiro entre os dois sistemas.
1.1 Estado de Arte
Citaremos aqui um processo já existente na literatura para dimensionamento de
bancos de baterias.
2
1.1.1 Dimensionador de Baterias pelo Engenheiro Walter Sidnei Soares
Criado pelo engenheiro Walter Sidnei Soares, esse processo [14] demonstra uma
técnica utilizada para o dimensionamento de banco da baterias. O processo é focado no
dimensionamento através da capacidade em watt dos elementos.
Objetivos
Neste trabalho, a função especifica da bateria é atuar como fonte auxiliar que
assegura ininterruptibilidade no fornecimento de energia, um esquema deste sistema pode ser
observado na Figura 1.
Corrente alternada Unidade retificadora
Acumulador de energia
Carga CC
Figura 1: Visão geral de um sistema atendido por banco de baterias
A corrente alternada fornecida pela concessionária é convertida em corrente contínua
depois de passar por uma ou mais unidades retificadoras. Esta corrente continua é utilizada
para alimentar uma carga, além de manter carregada uma associação de baterias. Quando o
fornecimento de energia CA é interrompido, a energia acumulada nas baterias é utilizada para
suprir o consumo da carga [1].
O foco deste projeto é apresentar o método criado para determinar arranjos de
baterias, de modo que estes consigam suprir condições pré-definidas de carga e autonomia.
Esta metodologia de dimensionamento foi batizada com o nome de DIBB (Dimensionador de
banco de baterias).
3
Para facilitar sua utilização, o DIBB foi adaptado para um software em linguagem
VBA (Visual Basic for Applications), permitindo que todos os cálculos nele contidos sejam
realizados automaticamente, com fácil visualização dos resultados.
O DIBB tem como público alvo usuários com conhecimento básico sobre instalações
elétricas e baterias, que procuram uma metodologia para dimensionar baterias para sistemas
que necessitam do fornecimento de energia ininterrupta. Sua adaptação para software o torna
uma ferramenta de cálculo para simular rapidamente diversas configurações de banco de
baterias, sem que o usuário tenha que perder tempo com extensos processos de cálculos.
2 BATERIAS
2.1 Baterias
O conceito de baterias é antigo, em 1800, a primeira bateria foi criada por
Alessandro Volta, tal bateria foi denominada pilha voltáica. A pilha voltaica consistia de
discos de cobre e discos de zinco sobrepostos, posicionado entre cada disco havia um pano
enxarcado com água salgada. A Figura 2 [2] demonstra um esquema da pilha voltáica de
cobre-zinco.
Figura 2: Pilha Voltáica
4
Desde então as baterias evoluiram muito, atualmente existem baterias de diversos
tamanhos, formatos e compostos por diferentes elementos químicos.
A bateria elétrica é uma fonte de corrente contínua, ela é utilizada como suprimento
de energia para diversos tipos de equipamentos que abrange desde eletrônicos portáteis até
automóveis.
A bateria é um equipamento composto da combinação de uma ou mais células
eletroquímicas, também chamadas de células voltaicas, tais células tem como objetivo
converter energia química armazenada em energia elétrica.
A célula voltaica é um equipamento simples que consiste de um ou mais pares de
placas compostas por um tipo de metal ou liga de metal, cada uma das placas primárias do par
é feito de um material específico e as placas secundárias do par são feitos de outro material, as
placas primárias e as placas secundárias são intercaladas entre si em conjunto com uma placa
separadora não condutora e são envoltos em uma solução eletrolítica. A estrutura da célula
pode ser visualizada na Figura 3 [3].
Figura 3: Estrutura de uma célula de bateria
5
As placas não se encostam fisicamente, porém estão eletricamente conectados pela
solução eletrolítica que geralmente é composta por uma solução ácida ou alcalina.
Dentre as placas, uma é chamada de ânodo, para onde os ânions tendem a migrar e a
outra é chamada cátodo, para onde os cátions têm tendência a migrar. Devido à diferença de
material de cada placa, existe uma diferença de potencial entre as placas, essa diferença
também é conhecida como tensão de terminal da célula [4].
Quando o circuito é fechado, conectando os terminais da bateria; no caso da célula os
terminais da própria, as reações químicas começam a ocorrer; nessa reação ocorre à troca de
íons, o ânodo sofre oxidação do material e libera elétrons e no cátodo ocorre um acúmulo de
material e a passagem dos elétrons livres, gerando a corrente elétrica.
Nas baterias reais, a descarga ocorre também quando a bateria se encontra em
circuito aberto, esse fenômeno é denominado autodescarga. A autodescarga acontece porque
no momento em que a bateria se encontra carregada, ela se encontra forçada a um estado
quimicamente não natural e quando em repouso tende a voltar a sua situação natural,
resultando numa pequena descarga.
Existem três tipos de células, as principais são as células primárias e as células
secundárias. Atualmente, a terceira e menos utilizada devido a seu custo elevado é a chamada
célula a combustível.
As células primárias têm reações eletroquímicas não reversíveis, ou seja, após a
descarga não há como ser re-utilizada a não ser que ocorra a troca dos materiais de dentro da
célula.
6
A maioria das baterias que utilizam a célula primária utiliza o zinco como ânodo, um
óxido metálico como cátodo e uma solução ácida ou alcalina como eletrólito. Essas baterias
são as mais baratas e podem ser estocadas por um longo período de tempo, devido ao pequeno
nível de autodescarga deste tipo de bateria. Os tipos de baterias primárias mais comuns são as
de Zinco-Carbono e as alcalinas [4].
As células secundárias apresentam reações eletroquímicas reversíveis, ou seja, as
reações químicas que produzem eletricidade na célula podem facilmente ser revertidas para
restaurar os materiais na célula ao seu estado inicial, este processo é chamado de
recarregamento da bateria. Este processo de recarregamento consiste na passagem forçada de
corrente elétrica através da célula na direção oposta a que a corrente é produzida
originalmente na célula.
A bateria secundária é utilizada principalmente em partida de motores, equipamentos
eletrônicos portáteis e acumuladores para sistemas de energia ininterruptos. Os tipos de
baterias secundárias, ou recarregáveis, mais comuns são as de Níquel Cádmio, Níquel Hidreto
Metálico, Íon de Lítio e as mais utilizadas as Chumbo Ácidas [4].
A capacidade de descarga da bateria é dada em Ah, que quantifica a quantidade de
energia utilizável a bateria pode armazenar em condições de tensão nominais. Um exemplo de
curva de capacidade está demonstrado na Tabela 1 [5].
Tabela 1: Curva de capacidade de uma bateria qualquer
10h 8h 5h 3h 1h150Ah/10h 150A 144A 129A 106A 72A
CAPACIDADE EM Ah - Descarga de 1,75V/elementoBATERIA
7
De acordo com a curva da Tabela 1:
1 Para uma descarga de 10 horas, será consumido 15 A por hora, ou seja 150 A no total;
2 Para uma descarga de 1 hora, será consumido 72 A.
Em diversos casos uma bateria pode não ser suficiente para suprir a demanda por
corrente ou tensão do sistema, nesses casos é necessário o agrupamento de baterias, criando
assim um banco de baterias, esse agrupamento pode ser feito em série, paralelo ou série-
paralelo.
A ligação de baterias em série resulta numa capacidade constante, porém a tensão
terminal aumenta. Como pode ser observado na Figura 4 [6], o valor de tensão dobrou.
Figura 4: Ligação de baterias em série
Uma fileira de baterias conectadas em série é denominada de string.
A ligação de baterias em paralelo resulta no aumento da capacidade do sistema,
porém a tensão terminal continua a mesma.
Como pode ser observado na Figura 5 [6], o valor de tensão não muda, supondo que
a capacidade de uma bateria seja 100Ah, o sistema total teria uma capacidade de 200Ah.
8
Figura 5: Ligação de baterias em paralelo
No caso da ligação em série-paralelo, ocorre tanto o aumento da tensão terminal
quanto da capacidade, porém ocorre um aumento de complexidade do sistema. Um exemplo é
demonstrado na Figura 6 [6].
Figura 6: Ligação de baterias série‐paralelo
9
2.2 Baterias Chumbo-ácidas
Inventada em 1859, pelo físico francês Gastón Planté, a bateria chumbo ácida foi a
primeira bateria recarregável criada para uso comercial. Este é o tipo de bateria menos
eficiente no quesito peso/energia [7], porém é a tecnologia de bateria recarregável com
melhor custo/benefício e com os avanços tecnológicos apresenta a melhor eficiência entre as
baterias recarregáveis, são bastante duráveis e não possuem efeito memória, também
conhecido como vício da bateria, permitindo assim um maior número de cargas e descargas
da bateria.
Na célula das baterias chumbo ácidas, o anodo é composto por chumbo ( Pb ), o
cátodo por dióxido de chumbo ( 2PbO ) e o eletrólito é composto por ácido sulfúrico
( 42 SOH ). Uma simplificação da meia reação de descarga da bateria pode ser demonstrada na
Tabela 2 [8].
Tabela 2: Meia reação de descarga de uma bateria chumbo ácida
Placa Meia Reação - Descarga Tensão
Resultante
Negativa Pb + SO42- → PbSO4 + 2e- 0.356V
Positiva PbO2 + SO42- + 4H+ + 2e- → PbSO4 + 2H2O 1.685V
Como apresentado na Tabela 2, cada uma das células gera em torno de 2V, então
para se conseguir, por exemplo, uma bateria de 12V são necessárias 6 células conectadas.
As reações completas de descarga e carga podem ser simplificadas e estão
demonstradas na Figura 7 [9].
10
Figura 7: Representação das reações químicas de carga e descarga nas baterias chumbo ácidas
Na descarga, o dióxido de chumbo da placa positiva e o chumbo da placa negativa
reagem com o ácido sulfúrico do eletrólito. Gradualmente ambas as placas, positiva e
negativa, se transformam em sulfato de chumbo, enquanto a concentração do ácido sulfúrico
diminui.
Já no processo de carregamento, quando a bateria está ligada a uma fonte de energia,
os materiais ativos, positivo e negativo, que foram transformados em sulfato de chumbo
revertem para dióxido de chumbo e chumbo respectivamente, enquanto a concentração do
ácido sulfúrico aumenta.
Quando a bateria se encontra no estágio final de carga, a energia é consumida
somente para a decomposição eletrolítica da água no eletrólito, resultando na geração de gás
oxigênio da placa positiva e hidrogênio da placa negativa [9], como apresentado na Figura 8.
222 22 OHOH +→
Figura 8: Representação da eletrólise da água na carga de uma bateria chumbo ácida
Dentro da bateria pode ocorrer a recombinação do hidrogênio e do oxigênio, porém
esta ocorre num nível extremamente baixo não chegando a 30% de eficiência [10]. A Figura 9
11 [11] apresenta, dentro de uma bateria, o comportamento dos gases de oxigênio e de
hidrogênio.
Figura 9: Comportamento do oxigênio e do hidrogênio em uma bateria chumbo ácida
O gás produzido desprende da bateria causando diminuição do eletrólito, requerendo
que ocasionalmente haja reposição de água. Devido à liberação do gás hidrogênio, as baterias
chumbo ácidas necessitam estar em um ambiente bem ventilado, pois o gás é extremamente
explosivo, mesmo em pequenas concentrações [10].
Na prática, nas células não é utilizado o chumbo puro como anodo, para melhorar a
desempenho e aumentar a vida útil da bateria, utiliza-se uma liga contendo chumbo e
pequenas quantidades de antimônio (Sb), estanho (Sn), cálcio (Ca) ou selênio (Se),
dependendo da finalidade da bateria [4].
2.3 Baterias Chumbo-ácidas Reguladas por Válvula (Baterias VRLA)
A bateria VRLA (Valve Regulated Lead Acid) é uma bateria chumbo ácida
construída com o intuito de diminuir a manutenção da bateria, dispensando a adição de água à
célula, pois a bateria foi projetada para que o hidrogênio e o oxigênio se recombinem dentro
da bateria em vez de deixar escapar para o ambiente. Nesta bateria existe uma válvula de
12 segurança no caso em que a concentração de hidrogênio dentro da bateria atinja um nível
perigoso. Quando isto ocorre o gás é liberado, porém a válvula raramente é aberta devido ao
alto nível de eficiência na recombinação dos gases dentro da bateria, não havendo mais a
necessidade de um ambiente com ventilação especial para o funcionamento das baterias.
Outro fator essencial das baterias VRLA é o eletrólito, diferente das baterias chumbo
ácidas convencionais, o eletrólito das baterias VRLA não é uma solução líquida. Dependendo
do eletrólito a bateria VRLA tem uma nomenclatura diferente, pode ser denominada como
bateria em gel ou bateria AGM [4].
Na bateria em gel, o ácido sulfúrico é misturado com microsílica que resulta em um
eletrólito de consistência de gelatinosa. Neste formato ocorre a melhora de resistência a
temperaturas extremas, choque e vibrações; quimicamente e conseqüentemente eletricamente
a bateria funciona da mesma forma [12]. Quando seco, o eletrólito em forma de gel apresenta
vãos em sua estrutura, estes vãos são necessários para liberar o oxigênio da placa positiva
para a placa negativa, facilitando a recombinação do oxigênio e do hidrogênio liberado pela
placa negative [10]. Um esquema dessa recombinação pode ser visualizado na Figura 10 [11].
Figura 10: Recombinação do oxigênio e do hidrogênio em uma bateria de gel
13
Esta tecnologia de bateria apresenta algumas desvantagens: a bateria precisa ser
carregada lentamente, para evitar que o excesso de vapores danifique a célula [7].
A bateria AGM (Absorved Glass Mat) é a mais recente tecnologia de baterias
chumbo ácidas. Trata-se de redes de micro fibra de vidro, posicionadas entre as placas de
chumbo da bateria, as quais absorveram todo o ácido necessário para as reações nas células.
Por outro lado, a capacidade de absorção das redes de fibra de vidro é tal que, embora o ácido
seja completamente absorvido pela rede, o limite de saturação da rede nunca é alcançado. A
fibra de vidro não age apenas como uma esponja de ácido, mas também como um separador
elétrico e permite a passagem de oxigênio entre as places [10], como pode ser visto na figura
11 [11].
Figura 11: Recombinação de oxigênio e hidrogênio em uma bateria AGM
A bateria AGM apresenta diversas vantagens: imunidade ao congelamento, a
eficiência de recombinação de hidrogênio e oxigênio é extremamente alta chegando a valores
próximos a 100% [11], nível de autodescarga pequeno, devido à baixa resistência elétrica
apresentando assim, uma maior capacidade e eficiência que as outras baterias [13].
Devido a estas peculiaridades dos eletrólitos, as baterias VRLA necessitam de menos
ácido para o seu funcionamento, além de não haver problemas de vazamento de ácido, estas
baterias podem ser posicionadas de diversas maneiras. Com a diminuição de ácido dentro da
14 bateria conseqüentemente o tamanho e peso da bateria também diminuem, sendo esta mais
uma das grandes vantagens das baterias VRLA.
3 METODOLOGIA
3.1 Premissas
As baterias consideradas para utilização do DIBB são as baterias VRLA não
ventilada, nas condições de funcionamento especificadas pela curva de descarga do elemento
de bateria utilizado (indicada no respectivo manual do fabricante, que indica temperatura de
operação e limites de tensão de flutuação e final de descarga). O DIBB dimensiona apenas o
arranjo quantitativo das baterias, não levando em consideração sua distribuição espacial no
ambiente de instalação (área ocupada), nem equipamentos auxiliares (sensores e periféricos)
cuja utilização para funcionamento de um sistema real seja recomendável/necessária.
Também não são considerados quaisquer outros elementos presentes nos sistemas de
fornecimento CC (tais como reguladores de tensão, cabeamento, quadros elétricos e unidades
retificadoras).
No DIBB, considera-se a operação do banco de baterias dentro dos limites de carga e
descarga especificados pelo fabricante (tensão de flutuação em que o elemento permanece
enquanto não é utilizada, tensão final de descarga a que o elemento é submetido enquanto
fornece energia para a carga). Conforme já mencionado, não serão abordados aqui os
mecanismos que efetuam este controle da tensão.
O DIBB considera apenas a utilização de bateria dentro de sua vida útil, ou seja, com
uma capacidade maior do que 80% da nominal.
15
O aplicativo DIBB não aponta qual bateria é a mais indicada para o sistema. Pode ser
utilizada qualquer bateria VRLA semelhantes de qualquer fabricante, bastando apenas
modelá-los a partir da sua curva de descarga Ah x hora.
O aplicativo DIBB por si só não realiza comparações entre arranjos de diferentes
baterias para a mesma situação modelada.
3.2 Fluxo de Processo
O fluxo do processo baseia-se nas 4 etapas apresentadas a seguir:
1. Levantamentos de informações acerca da instalação e da bateria a serem
utilizadas tais informações são determinados pelo usuário.
2. Com base nas informações levantadas, determinar as variáveis de entrada.
3. Alimentar as equações do algoritmo de cálculo com as respectivas variáveis e
realizar os cálculos.
4. Obter os resultados do DIBB, entre eles a quantidade de baterias conectadas
em série e número de fileiras de baterias conectadas em série que estarão
conectadas em paralelo.
Cada cálculo e operação que compõe o fluxo de processo é alimentado por variáveis
de entrada ou pelas saídas de outros passos anteriores, fornecendo resultados que devem ser
encadeados para se atingir os resultados do DIBB.
Para facilitar o entendimento do DIBB, pode ser consultada a ilustração chamada
diagrama ilustrado do fluxo do processo, no Apêndice A.
16
Analisando o diagrama, fica visível a relação entre o algoritmo de cálculo, variáveis
de entrada e os cálculos de passagem entre eles.
3.3 Variáveis de Entrada
Variáveis de entrada são as informações que o usuário deve fornecer ao DIBB, e que
são utilizadas durante o fluxo do processo para alimentar as equações do algoritmo de cálculo.
Elas são o resultado de como o usuário modelou a situação problema para informar ao DIBB
os parâmetros do banco de baterias procurado. São elas:
• Curva de descarga por elemento de bateria (Ah x h)
Esta curva apresenta os valores de capacidade do elemento de bateria escolhido (em
Ah) em função da duração da descarga, nas condições de temperatura e para a tensão final de
descarga especificada pelo fabricante. Ela é composta por pontos (Ah x Horas) que compõe a
curva fornecida no manual do fabricante. Um exemplo de curva de descarga pode ser
visualizada na Figura 12.
Figura 12: Exemplo de uma curva de descarga
17 • Autonomia do banco de baterias (Aut, [h])
Esta variável representa o valor da autonomia desejada para o banco de bateria.
Indica qual o tempo mínimo que o banco de baterias deve sustentar a carga. Este é um dado
que fica a critério do usuário do DIBB.
• Potência nominal da carga (Pc, [W])
Esta variável representa a potência ativa que a carga solicita ao banco de baterias. As
cargas aqui consideradas são sempre de potência constante, em que quedas na tensão de
alimentação são compensadas pelo aumento da corrente solicitada.
• Tensão final por elemento de bateria (Vfpe, [V])
Este valor representa a tensão limite de descarga a que um elemento de bateria pode
ser submetido sem comprometer sua vida útil. Este valor é especificado pelo fabricante e está
relacionado com a curva de descarga do elemento de bateria.
• Tensão mínima admissível pela carga (Vmin_carga, [V])
Este valor representa a mínima tensão, estipulada pelo usuário, a que a carga é
submetida. Neste patamar, a tensão por elemento de bateria é a tensão final por elemento,
descrita anteriormente.
• Tensão de flutuação por elemento (Vflut_e, [V])
Este valor indica qual a tensão por elemento no instante em que o banco de baterias
começa a ser utilizado pela carga. É um valor especificado pelo fabricante, e depende da
tensão a que está submetida à carga quando esta não está utilizando o banco de baterias, e sim
18 a fonte de energia principal (no caso, a fonte principal estaria alimentando a carga e
carregando o banco de baterias)
3.4 Algoritmo de Cálculo
Conforme explicado anteriormente, o algoritmo de cálculo é o conjunto dos cálculos
e operações que compõem o fluxo do processo.
Cada passo do algoritmo de cálculo é alimentado por variáveis de entrada ou pelas
saídas de passos anteriores, fornecendo resultados que devem ser encadeados para se atingir
os objetivo do DIBB. São eles:
• Passo 1: Cálculo analítico da capacidade (Ah) do elemento de bateria (Ah, [Ah]).
Neste passo, determina-se a capacidade (em Ah) de cada elemento de bateria
utilizado no banco. Se o valor da capacidade não for um valor tabelado no manual do
fabricante, este valor deve ser calculado através de uma interpolação linear.
A partir de dois pontos próximos que compõem a curva de descarga, faz-se uma
aproximação linear para calcular o terceiro ponto interpolado, que expressa a capacidade do
elemento de bateria na autonomia determinada pelo usuário. O cálculo pode ser demonstrado
pela equação abaixo:
Ah = ( )( )
( ) ( )[ ]( ) ⎭
⎬⎫
⎩⎨⎧
−−
+⎭⎬⎫
⎩⎨⎧
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−−
XaXcYcXaYaXc
XaXcYaYcXb *** (1)
Onde:
a: Ponto anterior ao procurado X : Horas (variável independente)
b: Ponto procurado Y: Capacidade em Ah (variável dependente)
c: Ponto posterior ao procurado
19 • Passo 2: Cálculo da corrente máxima fornecida por cada elemento de bateria (Ie,
[A]).
Este passo calcula a máxima corrente (em ampéres) que cada bateria, e
conseqüentemente todas as baterias conectadas em série, consegue fornecer.
O cálculo da corrente utiliza o valor obtido em (1), capacidade ba bateria para a
autonomia desejada (Ah), e da variável de entrada: autonomia desejada (Aut). A equação 2
apresenta o cálculo da corrente máxima:
Ie = AutAh (2)
• Passo 3: Cálculo do número de elementos em série (Ns, número de elementos).
Este passo determina a quantidade de baterias que devem ser colocados em série para
atender as especificações de tensão indicadas pelo usuário.
Este valor depende das variáveis de entrada: tensão final por elemento de bateria
(Vfpe) e tensão mínima admissível pela carga (Vmin_carga). O cálculo do número de
elementos em série é dado pela equação 3:
Ns = Vpfe
acV argmin_ (3)
O resultado da equação 3 tem ser um número inteiro, por representar uma quantidade
de componentes reais. Caso o resultado seja um valor fracionário, é feito o arredondamento
sempre para o número inteiro acima do obtido.
20 • Passo 4: Cálculo da tensão inicial do banco de baterias (Vini, [V]).
Este passo calcula a tensão inicial (em volts) que o banco de baterias fornecerá para a
carga no início do processo de descarga do banco. Este é o maior valor de tensão CC que o
banco de baterias poderá fornecer a carga.
O cálculo da tensão inicial depende do número de baterias conectadas em série,
obtida através da equação 3, Ns, e da tensão de flutuação por bateria (Vflut_e), uma variável
de entrada. A equação 4 demonstra o cálculo da tensão desejada.
Vini = Vflut_e * Ns (4)
• Passo 5: Cálculo da tensão mínima fornecida pelo banco de baterias (Vfor_min, [V]).
Este passo apresenta a menor tensão que o banco de baterias fornece para a carga
(em volts), dentro das condições especificadas pelo usuário. Este é o valor de tensão ao final
da descarga, quando a tensão por elemento for igual à tensão final por elemento de bateria.
Este valor é obtido a partir da quantidade de baterias conectadas em série, resultado
obtido da equação 3, Ns, e da tensão final por elemento de bateria (Vfpe). A equação 5
demonstra a relação entre essas variáveis para a obtenção do resultado:
Vfor_min = Vpfe * Ns (5)
• Passo 6: Corrente média solicitada pela carga (Ic_med, [A]).
Este passo apresenta a corrente média (em ampéres) que a carga solicita ao banco de
baterias ao longo do processo de descarga.
21
Este valor é obtido a partir da potência nominal da carga (Pc), da tensão inicial do
banco de baterias (Vini), resultado da equação 4; e da tensão mínima fornecida pelo banco de
baterias (Vfor_min), fornecida pela equação 5. A equação 6 demonstra o processo:
Ic_med = ( )min_
*2VforVini
Pc+
(6)
• Passo 7: Quantidade de strings em paralelo (Np, número de strings).
Este passo apresenta a quantidade de fileiras de baterias ligadas em série, que devem
ser colocadas em paralelo, para atender as condições especificadas pelo usuário.
Este valor é calculado a partir da corrente máxima suportável por bateria (Ie), obtida
da equação 2, e pela corrente média solicitada pela carga (Ic_med), obtida da equação 6. A
equação 7 demonstra o cálculo da quantidade de strings em paralelo:
Np = IemedIc _
(7)
O resultado da equação 7 deve ser inteiro, por representar uma quantidade de
componentes reais. Caso o resultado seja um valor fracionário, é feito o arredondamento
sempre para o número inteiro acima.
• Passo 8: Corrente média solicitada a cada string (Istring, [A]).
Este passo apresenta o valor médio de corrente (em ampéres) que circula em cada
fileira de bateria conectada em série durante o processo de descarga.
Este valor é calculado a partir da corrente média total solicitada pela carga (Ic_med),
obtida da equação 6, dividida pelo número de fileiras de baterias ligadas em série disponíveis
(Np), obtida da equação 7. A equação 8 ilustra este cálculo:
22
Istring = Np
medIc _ (8)
• Passo 9: Capacidade de ampliação da carga atendida (Cap, [W]).
Este passo apresenta a quantidade (em kW) que pode ser aumentada a potência
nominal da carga, sem alterar a configuração do banco de baterias (baterias série e paralelos)
e mantendo a autonomia mínima do banco de baterias fixada pelo usuário.
O cálculo é dependente da corrente máxima suportável por elemento de bateria,
quantidade de strings em paralelo, da corrente média solicitada pela carga, obtidas
respectivamente das equações 2, 7 e 6. O cálculo também depende da variável de entrada
tensão mínima fornecida pelo banco de baterias. A equação 9 mostra a relação destas
variáveis para a obtenção do resultado.
Cap = [ (Ie*Np) – Ic_med ] * [ (Vfor_min) ] (9)
4 APLICAÇÃO DO DIBB – EXEMPLO
Para demonstrar a utilização do DIBB, é apresentado um exemplo numérico de
dimensionamento de elementos acumuladores em um sistema de fornecimento de energia em
corrente contínua.
Como situação problema foi considerada o dimensionamento de baterias que
compõem o fornecimento de energia em corrente contínua para um sistema de
telecomunicações. No Documento Especificações Gerais de Suprimentos de Energia em
Corrente Contínua a Equipamentos de Telecomunicações, N°240-500-700 do Sistema de
Documentação TELEBRÁS – Série Engenharia [1], foram encontradas diversas alternativas
para suprir sistemas de telecomunicações com energia em corrente contínua.
23
No exemplo, foi considerado um sistema com as características abordadas na
Solução 02 da Alternativa 02 de Sistemas de Corrente Contínua, apresentada no
documento Telebrás citado [1]. No caso, o consumidor de energia em corrente contínua é um
sistema composto por equipamentos de telecomunicação que não podem sofrer interrupção e
cujo consumo final seja igual ou inferior a 7,2 kW, localizado em área de poucos recursos
técnicos. Foi considerado equipamentos de telecomunicação de faixa larga, que não requerem
dispositivos reguladores da faixa de tensão CC fornecida.
Quanto à críticidade do equipamento, foi caracterizado como uma central de pequeno
porte situada em local onde a duração das interrupções no fornecimento de corrente alternada
sejam inferiores 06 horas, com menos de 12 falhas ao ano, e que o tempo necessário para
deslocamento do GMG móvel (Grupo motor gerador diesel) seja de 02 a 04 horas. Em caso de
falha no equipamento, uma equipe de técnica consegue chegar ao local entre 02 e 04 horas,
levando cerca de 30 minutos para executar um serviço de manutenção. Posteriormente estas
informações serão úteis para se determinar a autonomia do banco de baterias.
O documento Telebrás apresenta a arquitetura geral do sistema de corrente contínua
para atender ao cenário apresentado, conforme apresentado na Figura 13 [1].
24
Figura 13 : Arquitetura da solução apresentada, conforme documento N°240‐500‐700 do Sistema de
Documentação TELEBRÁS [1]
O documento Telebrás [1] apresenta a arquitetura, mas não trás informações
adicionais sobre o dimensionamento das partes que a compõem. Na Figura 13 percebe-se que
os acumuladores de energia em corrente contínua, também chamados de bateria, são apenas
uma parte do sistema de fornecimento de corrente contínua. Informações sobre a arquitetura
podem ser obtidas no documento N°240-500-700 do Sistema de Documentação TELEBRÁS
[1].
Conforme apresentado na seção 3.2 Fluxo do Processo, o primeiro passo para
utilização do DIBB é levantar as informações acerca da instalação e da bateria utilizada. Já
descrito as características da instalação, deve-se escolher o tipo de bateria que irá compor o
arranjo. Escolheu-se a bateria chamada 8 OPzV 750 para compor o banco de baterias. No
Anexo A é apresentado um extrato do documento “Baterias estacionárias Chumbo-Ácidas
Reguladas por Válvula: tipo OpzV“ [9]. Este documento, em que bateria 8 OPzV 750 está
descrita, é uma tabela apresentando pontos notáveis da curva de descarga Ah x Hora de
diversos tipos de bateria deste fabricante.
25
Prosseguindo no roteiro apresentado em 3.2 Fluxo do Processo, o segundo passo do
DIBB é determinar as variáveis de entrada. É importante ressaltar que a determinação destas
faz parte da modelagem que o usuário deve fazer antes de poder utilizar o DIBB. São elas:
1) A curva de descarga por elemento de bateria escolhida (8 OPzV 750) está na tabela
extraída do documento Baterias estacionárias Chumbo-Ácidas Reguladas por
Válvula: tipo OpzV, disponível no Anexo A.
2) A autonomia do banco de baterias para este exemplo foi determinada pela
metodologia apresentada no documento Telebrás [1]. Neste método utiliza-se uma
tabela e as características da instalação para dar um “peso” dependendo do nível
crítico da instalação. Este “peso” é então aplicado a uma “curva de autonomia”. Para
este exemplo, as características de nível crítico conferem um peso de valor “65”,
resultando em uma autonomia de 10 horas para o banco de baterias. A tabela e a
curva mencionadas estão disponíveis no Anexo B e Anexo C.
3) A Potência nominal da carga para este exemplo será aquela mencionada
anteriormente, 7200 W, que é a potência máxima para os equipamentos abordados na
Solução 02 da Alternativa 02 de Sistemas de Corrente Contínua apresentada do
documento Telebrás citado[1].
4) A Tensão final por elemento de bateria para este exemplo é a determinada no
documento Baterias estacionárias Chumbo-Ácidas Reguladas por Válvula: tipo OpzV
[9], valendo 1,75 V a 25C° (Estes são os valores de tensão e temperatura onde é
válida a tabela contendo a curva de descarga apresentada no Anexo A). Em situações
reais, quando os elementos se descarregam até este valor é usual desconectar bateria e
carga para evitar comprometimento da vida útil dos elementos acumuladores.
5) A Tensão mínima admissível pela carga é o menor valor a que a carga alimentada
pelas baterias será submetida. Quando a tensão total do banco chegar a este valor, os
26
elementos estarão individualmente com um valor de tensão igual a tensão final por
elemento de bateria. No exemplo esta informação não é apresentada explicitamente
pela norma Telebrás [1]. O que é apresentado é a quantidade de elementos em série
recomendados, 24 elementos em série, conforme Solução 02 da Alternativa 02 de
Sistemas de Corrente Contínua. Assim sendo, a menor tensão a que a carga é
submetida quando alimentada pelo banco de baterias é 24 elementos vezes 1,75 V = 42
V. Geralmente, o DIBB é empregado na determinação da quantidade de elementos em
série necessários, sendo o usuário o responsável por informar qual o limite de tensão
admissível pela carga. Neste exemplo, excepcionalmente, é necessário calcular a
Tensão mínima admissível pela carga, visto que a quantidade de elementos em série
por fileiras de baterias já estava determinada (24 elementos).
6) A Tensão de flutuação por elemento é o valor especificado pelo fabricante como a
tensão em que deve ser mantidos carregados as baterias para evitar que estas se
descarreguem. Neste exemplo, o valor desta tensão é de 2,23 V por elemento,
conforme documento Baterias estacionárias Chumbo-Ácidas Reguladas por
Válvula: tipo OpzV [9].
Com as informações sobre as variáveis de entrada dispostas acima, podemos montar
a Tabela 3, que resume a modelagem feita pelo usuário e que servirá como entrada para o
DIBB.
Tabela 3: Variáveis de entrada do DIBB para o exemplo proposto Curva de descarga do elemento 8 OPzV 750 e demais variáveis de entrada
Horas Ah Autonomia do banco de baterias [horas] 10,00 20,00 840,00 Potência nominal da carga [kW] 7,20 10,00 750,00 Tensão final por elemento de bateria [V] 1,75 8,00 720,00 Tensão mínima admissível pela carga [V] 42,00 5,00 660,00 Tensão de flutuação por elemento [V] 2,23 3,00 596,00 1,00 407,00
27
Uma vez conhecidas as variáveis de entrada, o próximo passo é a realizar os
processos internos, já descritos em 3.5 Algoritmo de Cálculo.
Os resultados dos processos internos quando aplicados no exemplo proposto
apresentam os seguintes resultados:
• Passo 1: Cálculo analítico da capacidade Ah/h do elemento de bateria.
Ah = 750 Ah
• Passo 2: Cálculo da corrente máxima fornecida por cada elemento de bateria.
Ie = 10750 =75 A
• Processo Interno – 3: Cálculo do número de elementos em série.
Ns = 24 elementos.
• Processo Interno – 4: Cálculo da tensão inicial do banco de baterias.
Vini = 2,23 * 24 = 53,52 V
• Processo Interno – 5: Cálculo da tensão mínima fornecida pelo banco de baterias.
Vfor_min = 1,75 * 24 = 42 V
• Processo Interno – 6: Corrente média solicitada pela carga.
Ic_med = ( )( )4252,53
7200*2+
= 150,75 A
28 • Processo Interno – 7: Quantidade de strings em paralelo.
Np = 75
75,150 = 2,01 → 3 strings
• Processo Interno – 8: Corrente média solicitada a cada string.
Istring = 3
75,150 = 50,25 A
• Processo Interno – 9: Capacidade de ampliação da carga atendida.
Para a configuração do banco que já foi apresentada nos processos anteriores,
quantidades de baterias em série e paralelo, este processo calcula aproximadamente quantos
kW de carga poderiam ser adicionados sem comprometer o valor mínimo de autonomia
estipulado pelo usuário.
Este valor (em kW) é calculado a partir da diferença entre a corrente média solicitada
pela carga e a capacidade total somada de todas as fileiras de baterias. Esta diferença de
corrente é então multiplicada pela tensão mínima fornecida pelo banco de baterias, entregando
a potência aproximada que pode ser adicionada ao banco sem que haja a necessidade de
adicionar mais baterias.
A autonomia do banco de baterias indicada pelo usuário é o menor valor que este
considera aceitável para o banco projetado. Existem situações onde a capacidade total de
corrente do banco precisa ser necessariamente superdimensionada, pois qualquer redução no
número de baterias torna o sistema sobredimensionado. Este processo interno ilustra um valor
em kW que representa este excesso de capacidade.
29
No cálculo deste processo foi utilizado o valor da tensão mínima fornecida pelo
banco de baterias ao invés de um valor médio de tensão (entre flutuação e tensão final de
descarga), de modo a introduzir uma margem de segurança no valor que assegura como
“capacidade de ampliação”. O valor de tensão utilizado apresenta resultados de potência
sempre inferiores aos que seriam obtidos utilizando o valor médio de tensão.
Cap = [ (75*24) – 150,75 ] * 42 = 3,12 kW
No exemplo a capacidade de ampliação é de até 3,12 kW. Que é um valor
seguramente aplicável para ser acrescido aos 7,2 kW de carga já existentes sem que haja
modificação no banco de baterias para manter a autonomia em no mínimo 10 horas.
Após o processamento dos nove processos internos mostrados, pode-se partir para a
quarta e última etapa do fluxo do processo. Esta etapa consiste simplesmente em recolher os
resultados dos processos internos e utilizá-los para especificar as características do banco de
baterias desejado. Tais resultados estão compilados na Tabela 4.
Tabela 4: Resultados do DIBB para o exemplo proposto Ah por elemento de bateria, para a autonomia desejada: 750,00 Ah
Corrente máxima suportável por elemento de bateria: 75,00 A
Quantidade de elementos em série formando cada string: 24 elementos
Quantidade de strings em paralelo: 3 strings
Tensão mínima fornecida pelo banco de baterias: 42 V
Corrente média solicitada pela carga: 150,75 A
Corrente média solicitada a cada string: 50,25 A
Capacidade de ampliação da carga atendida: 3,12 kW
Tensão Inicial do banco de baterias: 53,52 V
Como mostrado na Tabela 4, o banco de baterias que irá suprir as necessidades da
carga neste exemplo é composto por 3 strings, fileiras de baterias conectadas em série, ligadas
em paralelo, cada uma com 24 elementos acumuladores. As baterias consideradas aqui são do
30 modelo 8 OPzV 750 – Fabricante Saturnia [9]. Ainda pode ser dito com segurança que o
banco suporta um acréscimo de 3,12 kW de carga sem comprometer a autonomia mínima
especificada, no caso 10 horas.
O propósito do DIBB não é fazer comparação entre arranjos, mas pode-se questionar
a presença dos 3,12 kW como desnecessária nesta situação. Para reduzir a capacidade
sobredimensionada, seria necessário utilizar um arranjo com mais baterias de menor
capacidade que a do 8 OPzV 750.
Apenas para comparar os resultados, será re-projetado o banco de bateria para a
mesma situação problema, utilizando agora a bateria 3 OPzV 150 também do fabricante
Saturnia [9]. Análoga a Tabela 3, está apresentada abaixo a Tabela 5 contendo as variáveis de
entrada do novo projeto.
Tabela 5: Variáveis de entrada do DIBB para o exemplo proposto, agora utilizando o elemento de bateria modelo 3 OPzV 150
Curva de descarga do elemento 3 OPzV 150 e demais variáveis de entrada Horas Ah Autonomia do banco de baterias [horas] 10,00 20,00 161,00 Potência nominal da carga [kW] 7,20 10,00 150,00 Tensão final por elemento de bateria [V] 1,75 8,00 144,00 Tensão mínima admissível pela carga [V] 42,00 5,00 131,00 Tensão de flutuação por elemento [V] 2,23 3,00 120,00 1,00 87,00
Realizando novamente o fluxo do processo, é obtida a Tabela 6, com os resultados
do projeto.
31
Tabela 6: Resultados do DIBB para o exemplo proposto, agora usando o elemento de bateria modelo 3 OPzV 150
Ah por elemento de bateria, para a autonomia desejada: 150,00 Ah
Corrente máxima suportável por elemento de bateria: 15,00 A
Quantidade de elementos em série formando cada string: 24 elementos
Quantidade de strings em paralelo: 11 strings
Tensão mínima fornecida pelo banco de baterias: 42 V
Corrente média solicitada pela carga: 150,75 A
Corrente média solicitada a cada string: 13,70 A
Capacidade de ampliação da carga atendida: 0,60 kW
Tensão Inicial do banco de baterias: 53,52 V
Comparando os dois bancos projetados, pode ser verificado que o segundo utiliza 11
strings de 24 baterias, e que a capacidade de ampliação da carga foi sensivelmente reduzida.
Pode ser argumentado agora que 11x24 = 264 baterias seja um número muito
elevado, podendo trazer inconveniente de alocação de espaço ou manutenção, sem contar
custo de aquisição.
Será projetado um terceiro banco, agora sem preocupação com a capacidade de
ampliação de carga, mas tentando reduzir ao máximo o número de baterias.
Será utilizada a bateria de maior capacidade disponibilizada pelo fabricante, o 20
OPzV 2500. A Tabela 7 mostra as variáveis de entrada, enquanto Tabela 8 mostra os
respectivos resultados.
Tabela 7: Variáveis de entrada do DIBB para o exemplo proposto, agora utilizando o elemento de bateria modelo 20 OPzV 2500
Curva de descarga do elemento 20 OPzV 2500 e demais variáveis de entrada Horas Ah Autonomia do banco de baterias [horas] 10,00 20,00 2750,00 Potência nominal da carga [kW] 7,20 10,00 2500,00 Tensão final por elemento de bateria [V] 1,75 8,00 2400,00 Tensão mínima admissível pela carga [V] 42,00 5,00 2200,00 Tensão de flutuação por elemento [V] 2,23 3,00 1900,00 1,00 1190,00
32
Tabela 8: Resultados do DIBB para o exemplo proposto, agora usando o elemento de bateria modelo 20 OPzV 2500
Ah por elemento de bateria, para a autonomia desejada: 2.500,00 Ah
Corrente máxima suportável por elemento de bateria: 250,00 A
Quantidade de elementos em série formando cada string: 24 elementos
Quantidade de strings em paralelo: 1 strings
Tensão mínima fornecida pelo banco de baterias: 42 V
Corrente média solicitada pela carga: 150,75 A
Corrente média solicitada a cada string: 150,75 A
Capacidade de ampliação da carga atendida: 4,17 kW
Tensão Inicial do banco de baterias: 53,52 V
Neste caso, pode ser notado que é necessária apenas uma string para suprir a carga, e
que ainda existe uma substancial capacidade de ampliação de consumo.
5 RESULTADOS DO DIBB
Devido à falta de documentação sobre o dimensionamento de acumuladores em
sistemas de alimentação ininterrupta, o DIBB proporciona ao usuário uma excelente
metodologia para o auxilio no dimensionamento de bancos de baterias voltados a cargas de
corrente contínua.
Sua utilização requer conhecimento de dados técnicos da instalação, assim como da
bateria utilizada. Estes dados de situação precisam ser modelados para determinação das
variáveis de entrada, com a qual o DIBB interpreta as informações fornecidas pelo usuário.
A maneira mais prática de se utilizar o DIBB é a partir de sua adaptação para
Software em VBA (Visual Basic for Applications), que realiza o fluxo do processo
automaticamente. Esta ferramenta computacional funciona em sistema operacional Windows,
usando como background o aplicativo MS-Excel.
33
O Software DIBB apresenta resultados mais rápidos e precisos em comparação ao
processo desenvolvido manualmente, pois este sendo realizado por um computador, apresenta
uma maior precisão dos cálculos em menor tempo, além de poder alterar as configurações da
instalação ou de bateria utilizada em um pequeno intervalo de tempo.
O Software DIBB apresenta ainda uma funcionalidade adicional ao DIBB chamada
“pré-configuração”. Com ela é possível calcular a tensão mínima admissível pela carga a
partir de uma quantidade de baterias em série pré-determinada, como foi no caso do exemplo
abordado.
A interface entre Software DIBB e usuário é user-friendly, ou seja, apresenta uma
interface simples e fácil de ser utilizada, ela é composta por campos onde é possível digitar o
valor numérico das variáveis de entrada, cada um desses campos apresenta um corretor
automático, caso o valor seja inserido de forma errônea, e apresenta comentários de ajuda,
para auxiliar o usuário em sua utilização.
A interface ainda conta com botões virtuais, para facilitar a sua utilização, e tabelas
de onde se podem extrair e transportar os resultados obtidos para outros aplicativos do sistema
operacional Windows (usando, por exemplo, um simples comando de copiar e colar), sua
interface de entrada de dados pode ser visualizada na figura 14.
34
Figura 14: Interface de entrada de dados do DIBB
6 CONCLUSÕES
A fonte de inspiração para criação do DIBB surgiu a partir das atividades profissionais
de um dos autores desta obra. Atuando como estagiário no centro de manutenção de campo de
uma operadora de telefonia celular, o autor teve vivencia prática em trabalhos de instalação e
manutenção de instalações de telecomunicação alimentadas em corrente contínua. Era
evidente que alguns dos métodos empregados para dimensionar as fontes auxiliares de energia
(para o caso de queda na alimentação principal) não eram adequadamente planejados ou
justificados. Muitas vezes a solução era escolhida simplesmente porque em outro caso
semelhante fora usado determinado banco de baterias, então se supunha que o mesmo banco
de baterias atenderia a situação atual. Também era evidente a falta de documentação técnica
disponível para tentar justificar qualquer estudo mais aprofundado sobre o assunto.
35
Posteriormente, já atuando fora da operadora de telefonia celular, o autor optou por
estudar mais a fundo as sistemáticas de dimensionamento de banco de baterias, escolhendo o
tema para seu trabalho de conclusão do curso.
O segundo autor deste TCC iniciou sua participação no projeto com o intuito de
automatizar a metodologia que estava sendo desenvolvida. Seu trabalho focou-se em
organizar, testar e transformar as idéias que estavam surgindo em algoritmos, para então
desenvolver um software que somasse a relevância técnica do DIBB com o poderio de cálculo
do ambiente computacional.
Durante o desenvolvimento do DIBB tivemos valiosa contribuição por parte do
professor orientador, que trouxe sua experiência profissional para elucidar sobre os pontos
mais relevantes em projetos dos bancos de baterias. Sua colaboração também permitiu a
contextualização do DIBB frente a padrões técnicos de aplicação, como os disponíveis nas
normas do sistema Telebrás.
O principal desafio na concepção do DIBB foi criação da metodologia de cálculos
necessários para encontrar os resultados do DIBB.
A criação do software foi um desafio menor, visto que a estrutura do processo;
conténdo as variáveis de entrada, cálculos, premissas de utilização e apresentação de
resultados; já havia sido planejada para posterior adaptação em software.
O resultado final do TCC foi um método que atende ao objetivo proposto: O
dimensionamento de bancos de baterias VRLA, com base na modelagem de situação
fornecida pelo usuário do processo.
36
O software desenvolvido também atende exemplarmente a função a que se destina:
Executar automaticamente o DIBB, apresentando os resultados de maneira rápida e objetiva
ao usuário.
O desejo dos autores é que o DIBB possa servir como ferramenta prática e útil para
os projetos a que se destina, e também que sua metodologia de cálculo possa contribuir para o
desenvolvimento de futuros estudos no assunto.
7 Referências Bibliográficas
1. Especificações Gerais de Suprimentos de Energia em Corrente Contínua a Equipamentos
de Telecomunicações, N°240-500-700 do Sistema de Documentação TELEBRÁS, 1997.
2. History of the battery – Wikipedia. Disponível em :
<http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_the_battery> Acesso em julho 2010.
3. FREEDOM. Manual Técnico Bateria estacionária. Sorocaba, 2008. 22 p.
4. Battery (Eletricity) - Wikipedia. Disponível em
<http://en.wikipedia.org/wiki/Battery_(electricity)> Acesso em junho 2010.
5. VASCONCELOS, James C. Sistemas de Energia DC: Baterias em Telecom. Sorocaba,
2005. Disponível em : <http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialbateria/default.asp>
Acesso em maio, 2010
6. Wentzel, Constantin Von. Comparing Marine Battery Technologies. Disponível em
<http://www.vonwentzel.net/Battery/00.Glossary/index.html> Acesso em junho 2010.
37 7. MURTA, Joel; Sousa Cristina. Baterias. Disponível em :
<http://www.estv.ipv.pt/PaginasPessoais/paulomoises/Controlo_carga/baterias.pdf>
Acesso em junho 2010.
8. PowerStream Battery Chemistry FAQ. Disponível em :
<http://www.powerstream.com/BatteryFAQ.html> Acesso em junho 2010.
9. SATURNIA. Baterias estacionárias Chumbo-Ácidas Reguladas por Válvula: tipo
OpzV. Sorocaba, 2005. 33 p.
10. WITTEMANN, Robert. A battery of analysis. 1998. Disponível em :
<http://connectedplanetonline.com/mag/telecom_battery_analysis/index.html> Acesso em
junho, 2010
11. Battery Types and Comparisons - VRLA vs GEL vs AGM. Disponível em :
<http://www.bdbatteries.com/batterycomparison.php> Acesso em junho 2010.
12. Deep Cycle Battery FAQ. Disponível em :
<http://www.windsun.com/Batteries/Battery_FAQ.htm> Acesso em junho 2010.
13. C&D TECHNOLOGIES. Dynasty VRLA Batteries and Their Application.
Pennsylvania. 6p.
14. SOARES, Walter S. Dimensionamento de baterias para sistemas ininterruptos de
energia. Jurubatuba – SP: Sec Power
15. C&D TECHNOLOGIES. Parallel Operations VRLA Batteries. Pennsylvania. 5 p.
38
Apêndice A – Fluxograma de cálculo do DIBB
39
40 Anexo A – Tabela de Informações sobre as Baterias do Fabricante Saturnia
[9]
41 Anexo B – Lista de Pesos de Criticidade Retirados do Manual Telebrás [1]
FUNÇÃO DA ESTAÇÃO PESO
ESTAÇÃO REPETIDORA (Rádio / Fibra Óptica) 20
CENTRAL PRIVADA DE COMUTAÇÃO TELEFÔNICA 7
CENTRAL DE COMUTAÇÃO RURAL 6
CENTRAL DE PEQUENO PORTE, ESTAÇÃO TERRENA DE PEQUENO PORTE ou ESTÁGIO REMOTO DE CPA
5
CENTRAL LOCAL 4
CENTRAL TRÂNSITO LOCAL 3
CENTRAL TRÂNSITO REGIONAL 2
CENTRAL TRÂNSITO NACIONAL, CENTRAL DE MULTIPLEX, CENTRAL DE COMUNICAÇÃO DE DADOS ou ESTAÇÃO TERRENA DE GRANDE PORTE
1
CENTRAL TRÂNSITO INTERNACIONAL 0
CONFIABILIDADE DA ENERGIA COMERCIAL (DURAÇÃO / FREQUÊNCIA DAS FALHAS)
PESO
ACIMA DE 6 HORAS (colocar o tempo real) 30
DE 1 HORA A 6 HORAS / MAIS DE 12 FALHAS/ANO 25
DE 1 HORA A 6 HORAS / ATÉ 12 FALHAS/ANO 20
DE 20 A 60 MINUTOS / MAIS DE 12 FALHAS/ANO 10
DE 20 A 60 MINUTOS / ATÉ 12 FALHAS/ANO 8
< 20 MINUTOS / MAIS DE 12 FALHAS/ANO 2
< 20 MINUTOS / ATÉ 12 FALHAS/ANO ou COM GRUPOS GERADORES REDUNDANTES
0
TEMPO MÉDIO NECESSÁRIO PARA REPARO PESO
ACIMA DE 1 HORA E 30 MINUTOS 20
DE 40 MINUTOS A 1 HORA E 30 MINUTOS 10
DE 20 A 40 MINUTOS 5
ATÉ 20 MINUTOS 0
TEMPO MÉDIO NECESSÁRIO PARA ATENDIMENTO PELA EQUIPE DE MANUTENÇÃO
PESO
ACIMA DE 5 HORAS 30
42 DE 1 HORA E 30 MINUTOS A 5 HORAS 20
DE 40 MINUTOS A 1 HORA E 30 MINUTOS 8
DE 20 MINUTOS A 40 MINUTOS 2
ATÉ 20 MINUTOS 0
TEMPO MÉDIO NECESSÁRIO PARA DESLOCAMENTO DO GMG MÓVEL
PESO
ACIMA DE 5 HORAS 30
DE 1 HORA E 30 MINUTOS A 5 HORAS 15
DE 40 MINUTOS A 1 HORA E 30 MINUTOS 8
DE 20 MINUTOS A 40 MINUTOS 2
ATÉ 20 MINUTOS ou NÃO APLICÁVEL 0
43
Anexo C – Curva de Autonomia Retirado do Manual Telebrás [1]