III- Conceitos eléctricos

Tensão e corrente:
A electricidade é o fluxo de partículas carregadas (electrões) que circulam através de materiais condutores (como cabos ou barras de cobre). Estas partículas adquirem energia numa fonte (gerador, módulo fotovoltaico, bateria de acumuladores, etc) e transferem esta energia a uma carga (lâmpada, motor, equipamento de comunicações, etc.) e a seguir retornam à fonte para repetir o ciclo.

Se se imaginar um circuito básico como uma bateria de acumuladores conectada a uma lâmpada ter-se-á o indicado na figura 3:

Figura 3

A bateria de acumuladores é uma fonte de electricidade, ou uma força electromotriz (fem). A magnitude desta FEM é o que chamamos tensão e mede-se em Volts.

Estes conceitos podem ser melhor compreendidos se se fizer analogia a um sistema de bombagem de água. Assim, substituir-se-á o fluxo de electrões por água, a fonte de tensão por uma bomba de água e o cabo por uma tubagem.

Ter-se-á então:

MODELO ELÉCTRICO	MODELO HIDRÁULICO
Corrente eléctrica é o fluxo de electrões através de um cabo Mede-se em Amperes.	Caudal de água é o fluxo de água através de uma tubagem. Mede-se em litros/seg.
A fonte de energia eléctrica entrega tensão aos electrões, ou seja, capacidade de realizar trabalho. A tensão mede-se em Volts.	A bomba de agua entrega pressão à mesma. A pressão mede-se em kg/cm2 (ou em mm de coluna de água).
Os electrões perdem sua energia ao passar por uma carga. Aqui é que se realiza o trabalho.	A água perde sua pressão ao passar por uma turbina. Aqui é que se realiza o trabalho.

Ligação em série

Se os elementos de um circuito se conectarem em série , isso quer dizer que todo o fluxo (de electrões ou de água) deve passar por cada um dos seus elementos.

Exemplo: No caso da bombagem de água, se se quiser elevá-la a uma altura de 20 m para logo a seguir fazê-la passar por uma pequena turbina deveríamos conectar a bomba e a turbina em série, como mostra a fig. 5. Todo o caudal que passa pela bomba também passará pela turbina e pelas tubagens.

Figura 5

Portanto, o fluxo é constante em qualquer ponto do circuito. Se se quisesse elevar o mesmo caudal ao dobro da altura (40 m) deveriam conectar-se duas das bombas mencionadas em série.

Isto equivale a dizer que numa ligação em série as pressões somam-se.

Recordando a analogia eléctrica, o equivalente de pressão é tensão . Portanto se se dispuser de dois módulos fotovoltaicos em que cada um entregasse 12 Volts, 2 Amperes e se pretendesse implementar um sistema de 24 Volts e 2 Amperes dever-se-ia montar um circuito conforme a fig. 6.

Figura 6

Conclusão : Quando se ligam módulos em série, a tensão resultante é a soma das tensões de cada um deles e a corrente resultante coincide com a menor das correntes entregues pelos módulos.

Ligação em paralelo

Se a necessidade fosse de elevar a 20 m de altura o dobro do caudal mencionado anteriormente deveriam conectar-se duas bombas, conforme mostra a figura 7. Esta é uma ligação em paralelo.

Fig.7

Cada bomba elevará um caudal semelhante, passando pela turbina a soma de ambos. Não há qualquer diferença de pressão entre a água bombeada pela primeira e pela segunda bomba e, portanto, toda a água cairá da mesma altura contribuindo com igual pressão.

No caso eléctrico, se se necessitar fornecer à carga 12 volts, 4 amperes, o circuito será o da fig.8.

Fig.8

Conclusão : Quando se ligam módulos em paralelo, a corrente resultante é a soma das correntes de cada um deles e a tensão resultante coincide com a que é entregue por cada módulo.

Potencia

É o produto da tensão pela intensidade de corrente.

P=V x I

Em que:
P é a potencia, medida em Watts
V é a tensão aplicada, medida em Volts
I é a corrente que circula, medida em Amperes

Se se analisarem os casos vistos na ligação em série e na ligação em paralelo verificar-se-á que ambos operam com valores de potencia idênticos:

24 V x 2 A = 48 W (ex. série) 12 V x 4 A = 48 W (ex. paralelo)

Uma mesma potencia eléctrica poderá estar na forma de alta tensão e baixa corrente ou baixa tensão e alta corrente. Cada aplicação determinará a melhor escolha.

Perdas de potencia

Ao circular água por uma tubagem produzem-se perdas de carga por fricção e turbulência. Ou seja, a tubagem oferece uma certa resistência à passagem do fluxo de água. Da mesma forma, os condutores eléctricos oferecem uma certa resistência à passagem da corrente de electrões e isto traduz-se numa perda de potência, o que deve ser levado em conta ao conceber um sistema. Estas perdas de potência transformam-se em calor.

A resistência de um condutor eléctrico é uma propriedade que depende das características intrínsecas do material do condutor e da sua geometria. Dizendo o mesmo por outras palavras, a resistência de um condutor varia em relação directa com a sua resistividade e o seu comprimento e em relação inversa com a sua secção.

Assim, R =ρ x ( l / s)
em que:
R = resistência, em Ohms (Ω);
ρ = resistência específica ou resistividade, em Ω mm ²x metro
Exemplo do Cobre: ρ =0,017 Ω mm ²m
s = secção do condutor, em mm ²;
l = comprimento, em m

Verifica-se que: V = R x I
em que:
"V" é a tensão do sistema, em Volts
"I" é a corrente que se transmite, em Amperes
"R" é a resistência do elemento condutor, em Ohms

Esta expressão constitui a Lei de Ohm e indica que a tensão aplicada é proporcional à resistência e à corrente que circula pelo circuito.

Assim,

A perda de potência será proporcional à resistência do condutor e ao quadrado da corrente que circula pelo mesmo. P = R x I ²
porque P = V x I
e V = R x I

Nos sistemas fotovoltaicos que trabalham a tensões baixas interessa saber que queda de tensão ocorrerá quando a corrente requerida percorrer um condutor de comprimento e secção determinados.

No capítulo 7 dão-se alguns valores de secções de condutor adequados para determinadas correntes e distancias.

Quantidade de energia

Se se tiver que manter acesa durante 2 horas uma lâmpada de 60 Watts, a energia consumida será igual a:

E1 = 60 Watt x 2 h = 120 Watt hora

Se, além disso, se quiser alimentar com a mesma fonte um televisor que consome 50 Watts e que funcione durante 3 horas, o consumo de energia do televisor será:

E2 = 50 Watt x 3 h = 150 Watt hora

Se E1 e E2 forem os únicos consumos de energia do dia, a procura total de energia diária será:

Etot = 270 Watts hora por dia

É importante a familiarização com este conceito de procura diária de energia uma vez que, como se verá mais adiante, será utilizado no dimensionamento dos sistemas fotovoltaicos.