4300213 - Física Experimental III (2014)

Nesta semana vamos estudar uma célula solar e o processo de carga de uma bateria recarregável.

Descarregue a bateria antes de começar suas atividades

Uma das atividades da semana é o estudo da carga de uma bateria (ver adiante). Para isto é preciso que a bateria esteja totalmente descarregada. Para descarregar a bateria, simplesmente conecte-a a um amperímetro (na escala de 10 A) de deixe a bateria descarregar ou em um resistor de valor baixo. Dependendo da carga da bateria este processo pode levar bastante tempo. Sendo assim, é bom por a bateria para descarregar antes de começar as atividades da semana

O painel solar

O painel solar funciona como um diodo. Contudo, ao incidir luz sobre a célula solar, dependendo da frequência da luz incidente, uma corrente elétrica é gerada. Neste caso, a célula solar funciona como um conversor de luz em energia elétrica. Para mais detalhes sobre o funcionamento de uma célula solar, veja as notas de aula. Nesta semana vamos medir e estudar a curva característica de uma célula solar. É natural pensar que a quantidade de corrente dependa das características da luz incidente (intensidade e espectro de frequências). Neste caso, é comum que as curvas características sejam diferentes para cada grupo.

Em um circuito, a célula solar funciona como uma bateria. Neste caso, a medida da sua curva característica deve ser muito similar à medida da curva característica de uma pilha, conforme fizemos na semana anterior. Uma sugestão de circuito é mostrada na figura 1.

Figura 1 - circuito para medida da curva característica de uma célula solar.

Seguem algumas dicas para montagem do circuito para medir a curva característica da célula solar.

• Ilumine a célula solar com o abajur com lâmpada incandescente. Posicione o abajur a, aproximadamente 15-20 cm do painel. Muito perto há o aquecimento do painel, que altera suas características e, muito longe há pouca luz incidindo sobre ele, tornando a corrente muito baixa.
• Não altere mais a posição do abajur. Qualquer alteração torna necessário refazer todas as medidas.
• R é uma resistência de proteção e também será usada para medir a corrente. Alternativamente, você pode usar diretamente um amperímetro, já que as correntes são muito baixas. R deve ser da ordem de 1 Ohm.
  
  • Não confie no valor nominal de R e não confie, por ser muito baixo, na leitura do mesmo com um ohmímetro. Meça a curva característica de R (lembre da aula passada) e determine o seu valor.
• O resistor variável tem a mesma função daquele utilizado para medir a curva característica da pilha na aula passada. 

Depois de montado o circuito, realize as seguintes medidas e análises:

• Meça a curva característica da célula solar. Meça em um intervalo de corrente que permita medir toda a curva.
• Ajuste o modelo teórico para a célula solar aos dados obtidos. Extraia os parâmetros relevantes deste ajuste e discuta os resultados.
• A partir da curva característica, obtenha a curva de potência fornecida pela célula solar em função da corrente. Obtenha a potência máxima fornecida e a corrente na qual isto ocorre. Discuta os resultados.
• Compare os seus parâmetros obtidos com os seus colegas. Lembre-se de que a distância da fonte luminosa e características da mesma (tipo de lâmpada, por exemplo) são parâmetros importantes. Neste caso, não se esqueça de anota-los para fins de comparação.

Estudo da carga de uma bateria recarregável.

Bateria é uma  (ou um conjunto de) célula eletroquímica que converte energia química armazenada em seu interior em energia elétrica. A bateria recarregável é também um conversor de energia química em energia elétrica. Mas além disso é capaz de acumular e armazenar a energia fornecida por uma fonte externa sob forma de energia química. 

A quantidade de carga armazenada pela bateria pode ser dada em termos de Ampère x Tempo, ou seja:

\( i = \frac{q}{t} [C/s] \rightarrow q = i \times t \)

Por conta disto, em geral, se utiliza, para baterias, como unidade de carga, o Ampère x hora, ou A x h:

• 1 Ampère x hora (Ah) = 3600 Coulombs
• Suas divisões mais comuns encontradas são o mAh, etc.
  • Ex: se você tiver uma bateria de 100 Ah que consegue fazer funcionar um dispositivo qualquer por 20 h consecutivas, isto significa que a bateria forneceu uma corrente média de 100 Ah / 20 h = 5 A.
    • Isto quer dizer que aquela bateria, quando totalmente carregada, consegue manter uma corrente de 5 A por 20 horas até se descarregar por completo.

A energia armazenada num sistema qualquer, por exemplo, numa bateria, é dada em termos de densidade de energia, que é quantidade de energia armazenada por unidade de volume ou massa da bateria: J/m³ ou J/kg.

• O que é medido, de fato, é a quantidade de energia que se pode extrair da bateria, ou seja, a potência em Watts (joules/seg) multiplicada pelo tempo em horas e a unidade é kWatt x hora ou kWh:
  • 1 kWh = (3600 s) x (1 kW) = (3600 s) x ( 1000 J/s) = 3600000 J = 3,6 MJ.

Em geral não se usa a bateria até ela ficar totalmente descarregada, porque isso diminui a vida útil da bateria consideravelmente. Uma boa regra (dependendo do tipo de bateria), é usá-la até 60% da carga máxima, ou seja:

• Tomando a bateria usada como exemplo anteriormente, de 100 Ah, fornecendo 5 A de corrente, devemos utiliza-la por, no máximo 60% de 20 horas = 12 horas para não reduzir a sua vida útil.

Numa bateria é interessante calcular a energia que ela fornece:

• Energia é a integração da potência instantânea (voltagem  instantânea x corrente instantânea) sobre o intervalo de tempo de descarga.

Como tanto V como i variam durante a descarga, o valor nominal pode ser usado como sendo uma aproximação do valor obtido pela integração.

Na atividade anterior ficou claro que o painel fotovoltaico é capaz de converter energia solar em eletricidade. Grandes quantidades de painéis solares acoplados formam usinas que são capazes de fornecer energia elétrica para usos diversos: como consumo de casas, fazendas e pequenas comunidades. A média de consumo residencial, por pessoa no estado de São Paulo, no ano de 2010, foi da ordem de 850.000 KWh. Isso significa que cada pessoa gasta ~71 kWh por mês, em média. Contudo, grande parte desta energia é utilizada em momentos nos quais não temos o sol à disposição, seja por conta das condições climáticas ou porque é simplesmente de noite. O uso de energia solar para uma casa, neste caso, requer a utilização de baterias para armazenar energia para as horas de escuridão. Por isso essa tecnologia depende também de baterias recarregáveis de custo baixo e vida longa.

Carga de uma bateria com um painel solar

Utilizaremos como uma bateria recaregável um conjunto de três pilhas recarregáveis comum em série, montadas de acordo com a figura 2.

Figura 2 - Bateria recarregável a ser utilizada neste experimento.

Para estudar a carga deste conjunto de baterias é importante pega-las descarregadas. Certifique-se disto. Um bom teste é medir a corrente que elas fornecem quando ligadas a um resistor de tipicamente 1-10 Ohm. A corrente deve ser muito próxima de zero.

O circuito típico para o estudo de carga de uma bateria, conforme a figura 3, consiste de uma malha formada por bateria + painel + um amperímetro. E um voltímetro para medir a tensão sobre a bateria.

Figura 3 - Circuito para estudar a carga de uma bateria recarregável.

Utilize, como sugestão, o seguinte procedimento:

• Antes de começar anote os valores de tensão e corrente na bateria descarregada.
• Coloque a lâmpada a 15 - 20 cm do painel solar e comece a carregar a bateria usando um amperímetro e voltímetro  para medir corrente e tensão sobre a mesma. Adote os mesmos cuidados utilizados para o posicionamento da lâmpada que no experimento anterior.

•  A bateria começa a ser carregada. Anote os valores de corrente e tensão na bateria em função do tempo de 1 em 1 min por 50 minutos.

• Faça os gráficos das curvas de carga da bateria: i_carga x t e V_carga x t.
• Determine a carga acumulada na bateria durante a sua carga e compare com a especificação da bateria.
• Determine a energia acumulada na bateria durante o processo de carga.
• Compare seus resultados com os de seus colegas.