ANDRÉ LUIZ BALDIM MARTINS REUTILIZAÇÃO DE BATERIAS AUTOMOTIVAS COMO FONTE ALTERNATIVA DE ENERGIA SÃO PAULO 2015 ANDRÉ LUIZ BALDIM MARTINS REUTILIZAÇÃO DE BATERIAS AUTOMOTIVAS COMO FONTE ALTERNATIVA DE ENERGIA Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para a obtenção do título de Mestre em Ciências em Engenharia Elétrica. Área de Concentração: Microeletrônica Orientador: Prof. Dr. Roberto Koji Onmori SÃO PAULO 2015 Este exemplar foi revisado e corrigido em relação à versão original, sob responsabilidade única do autor e com a anuência de seu orientador. São Paulo, 04 de novembro de 2015. Assinatura do autor ____________________________ Assinatura do orientador _______________________ Catalogação-na-publicação MMaarrttiinnss,, AAnnddrréé LLuuiizz BBaallddiimm RReeuuttiilliizzaaççããoo ddee bbaatteerriiaass aauuttoommoottiivvaass ccoommoo ffoonnttee aalltteerrnnaattiivvaa ddee eenneerrggiiaa // AA..LL..BB.. MMaarrttiinnss.. --- v Seãrsoã Poa cuolorr, 2- 0S1ã5o. Paulo, 2015. 111042 pp.. DDiisssseerrttaaççããoo ((MMeessttrraaddoo)) -- EEssccoollaa PPoolliittééccnniiccaa ddaa UUnniivveerrssiiddaaddee ddee SSããoo PPaauulloo.. DDeeppaarrttaammeennttoo ddee EEnnggeennhhaarriiaa ddee SSiisstteemmaass EElleettrrôô-- nniiccooss.. 11..FFoonntteess aalltteerrnnaattiivvaass ddee eenneerrggiiaa 22..BBaatteerriiaass aauuttoommoottiivvaass ((RReeuuttiilliizzaaççããoo)) II..UUnniivveerrssiiddaaddee ddee SSããoo PPaauulloo.. EEssccoollaa PPoolliittééccnniiccaa.. DDeeppaarrttaammeennttoo ddee EEnnggeennhhaarriiaa ddee SSiisstteemmaass EElleettrrôônniiccooss IIII..tt.. Dedico esse trabalho às gerações futuras, que sempre desenvolvam trabalhos sustentáveis em prol de um mundo melhor para se viver. “Nossa maior fraqueza está em desistir. O caminho mais certo de vencer é tentar mais uma vez.” Thomas Alva Edison Agradecimentos Agradeço primeiramente a Deus por presentear-me com sabedoria e perseverança, qualidades sem as quais seria praticamente impossível o meu desenvolvimento humano e profissional. Agradeço a minha família que colaborou e contribuiu para o sucesso desse trabalho, até mesmo com simples palavras de conforto como “você é inteligente, você vai conseguir” e “depois da tempestade sempre vem o pôr do sol”. Agradeço aos meus professores que acreditaram no meu potencial e me orientaram até a conclusão do trabalho. 2 RESUMO Atualmente um dos principais objetivos na área de pesquisa tecnológica é o desenvolvimento de soluções em favor do Meio Ambiente. Este trabalho tem por objetivo demonstrar a reutilização e consequentemente o aumento da vida útil de uma bateria Chumbo-Ácido, comumente instaladas em veículos automóveis, bem como beneficiar locais e usuários remotos onde o investimento na instalação de linhas de transmissão se torna inviável geográfica e economicamente, utilizando a luz solar como fonte de energia. No entanto a parte mais suscetível a falhas são as próprias baterias, justamente pela vida útil delas serem pequenas (em torno de 3 anos para a bateria automotiva) em comparação com o restante do sistema. Considerando uma unidade que já foi usada anteriormente, a possibilidade de falhas é ainda maior. A fim de diagnosticar e evitar que uma simples bateria possa prejudicar o funcionamento do sistema como um todo, o projeto considera a geração de energia elétrica por células fotovoltaicas e também contempla um sistema microcontrolado para leitura de dados utilizando o microcontrolador ATmega/Arduino, leitura de corrente por sensores de efeito hall da Allegro Systems, relés nas baterias para abertura e fechamento delas no circuito e um sistema de alerta para o usuário final de qual bateria está em falha e que precisa ser reparada e/ou trocada. Esse projeto foi montado na Ilha dos Arvoredos – SP, distante da costa continental em aproximadamente 2,0km. Foram instaladas células solares e um banco de baterias, a fim de estudar o comportamento das baterias. O programa pôde diagnosticar e isolar uma das baterias que estava apresentando defeito, a fim de se evitar que a mesma viesse a prejudicar o sistema como um todo. Por conta da dificuldade de locomoção imposta pela geografia, foi escolhido o cartão SD para o armazenamento dos dados obtidos pelo Arduino. Posteriormente os dados foram compilados e analisados. A partir dos resultados apresentados podemos concluir que é possível usar baterias novas e baterias usadas em um mesmo sistema, de tal forma que se alguma das baterias apresentar uma falha o sistema por si só isolará a unidade. Palavras-chave: Baterias. Células Solares. Locais Remotos. Reuso. 3 ABSTRACT Actually one of the main goals in the technology research area is the development of solutions in accordance with our Environment. The objective of this work is to illustrate the reuse and consequently increase of the Lead-Acid Secondary Battery lifecycle, commonly installed in automotive vehicles, as well as to benefit remote areas and users, where the investment in a new electrical infrastructure is unfavorable geographically and economically, using sunlight as a feasible and available alternative solution. However, the most fragile part of the system are the batteries, due to their own short service life (approximately 3 years for the automotive battery), compared with the other equipment within the system. The chance to have a failure is even higher when using a unit which has been serviced before. In order to anticipate and avoid that a single faulty battery could bring the entire system down, the project consider using photovoltaic cells for electricity generation and also has a micro-controlled system for data reading using an ATmega/Arduino microcontroller, current readings using hall-effect sensors from Allegro Systems, relays on the batteries to open and close themselves in the circuit and an alarm system that indicates to the user which battery is faulty as well as needing repair and/or replacement. This project has been installed in Ilha dos Arvoredos – SP, a small island with approximately 2.0km far from the coast. Solar cells and a battery string have been installed in order to study the behavior of the batteries. The programming could diagnose and isolate one of the batteries that has been having a failure, to avoid that this same single battery could cause a major failure on the entire system. Due to the restrictions imposed by the geography, the SD card has been chosen for the data storage obtained by Arduino board. Later on the data has been compiled as well as analyzed. The obtained data has shown that it is possible using old and new batteries in a same string, as long as the system will isolate the faulty battery if any of the batteries shows a failure. Key Words: Batteries. Solar Cells. Remote Areas. Reuse. 4 SUMÁRIO 1 - OBJETIVO E MOTIVAÇÃO .............................................................................. 9 1.1 - A bateria automotiva ............................................................................................ 9 1.2 - Energia Elétrica em locais remotos ...................................................................... 9 2 - EMBASAMENTO TEÓRICO ........................................................................... 12 2.1 - A energia elétrica e sua necessidade................................................................... 12 2.2 - Bateria Automotiva ............................................................................................ 29 2.3 - Sensor de corrente .............................................................................................. 37 2.4 - Microcontrolador ................................................................................................ 48 3 - DESENVOLVIMENTO DO PROJETO ............................................................ 56 4 - RESULTADOS .................................................................................................. 73 5 - CONCLUSÕES E PLANOS FUTUROS ........................................................... 81 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 83 APÊNDICE A – OUTROS TIPOS DE BATERIAS ..................................................... 89 APÊNDICE B – OUTRAS FORMAS DE CARREGAMENTO ................................... 90 APÊNDICE C – OUTRAS APLICAÇÕES DO SENSOR HALL ................................ 96 5 LISTA DE FIGURAS, GRÁFICOS E TABELAS Figura 1.2.1 - Ilha dos Arvoredos - SP ........................................................................... 10 Figura 1.2.2 - Células Solares da Estação Espacial Internacional (ISS) ........................ 11 Figura 2.1.1 - Réplica da Pilha de Alessandro Volta...................................................... 13 Figura 2.1.2 – Vista em corte de uma pilha de Zinco-Carbono...................................... 15 Figura 2.1.3 - Vista em Corte de uma Pilha Alcalina ..................................................... 15 Figura 2.1.4 - Detalhe construtivo da Bateria Chumbo-Ácida ....................................... 16 Gráfico 2.1.5 - Valores de tensão teóricos e reais para diversos tipos de baterias ......... 20 Gráfico 2.1.6 - O Efeito da Temperatura na Descarga da Bateria .................................. 23 Figura 2.1.7 - Pilha Alcalina com Vazamento ............................................................... 27 Gráfico 2.2.1 - Vida útil estimada da bateria, em função da temperatura ...................... 30 Gráfico 2.2.2 - Curvas características do Carregamento por Tensão Constante ............ 33 Gráfico 2.2.3 - Curva VxT para descarga da Bateria ..................................................... 35 Figura 2.2.4 - Visão em corte de uma bateria Chumbo-Ácida ....................................... 36 Figura 2.3.1 - Princípio de Funcionamento do Sensor de Efeito Hall ............................ 39 Figura 2.3.2 - Sensor de Efeito Hall para interface com periféricos .............................. 40 Figura 2.3.3 - Característica de um sensor Hall relaciométrico comum ........................ 43 Figura 2.3.4 - Símbolo do Sensor de Efeito Hall em um circuito .................................. 46 Figura 2.4.1 - Memória EPROM .................................................................................... 49 Figura 2.4.2 - Pinagem do microcontrolador ATmega2560 ........................................... 51 Figura 2.4.3 - Diagrama em blocos do Microcontrolador ATmega2560 ....................... 52 Figura 3.1 - Diagrama do Projeto ................................................................................... 56 Figura 3.2 - Arduino MEGA 2560 com microcontrolador ATmega2560 ...................... 57 Diagrama 3.3 – Diagrama Geral Unifilar do Projeto...................................................... 59 Figura 3.4 - Baterias com o circuito de Medição ........................................................... 60 6