Uma estação flutuante de qualidade da água ou hidrologia é um sistema de energia fora da rede que deve continuar medindo durante a noite, durante dias nublados consecutivos e durante a vida sujeita à bioincrustação de uma implantação no mar ou em um lago. As plataformas comerciais de boias convergem para uma arquitetura reconhecível: um painel fotovoltaico de dezenas a mais de cem watts carrega um banco de armazenamento de bordo dimensionado para vários dias de autonomia – os integradores costumam especificar sete ou mais dias encobertos –, enquanto um registrador de dados acorda em um ciclo de um a sessenta minutos, excita uma sonda multiparâmetro que mede pH, oxigênio dissolvido, turbidez e condutividade, às vezes aciona uma bomba, um limpador ou um mecanismo de limpeza, e envia por 4G, GPRS ou LoRaWAN via Modbus ou MQTT. Este artigo, o primeiro de três sobre energia de níquel-hidreto metálico para monitoramento flutuante, desconstroi essa arquitetura, quantifica os componentes de carga que distinguem uma boia de um simples registrador meteorológico, explica o ciclo diário de carga-descarga que o elemento de armazenamento realmente vê e mostra por que um buffer NiMH selado e tolerante a ciclos se adapta bem a uma plataforma recarregada diariamente, solicitada por rajadas periódicas de alta corrente e que deve sobreviver em um ambiente corrosivo e úmido.
Uma boia multiparâmetro moderna consome mais energia do que sugere sua pequena taxa de dados. Os sensores eletroquímicos e ópticos da sonda consomem corrente quando excitados; os canais ópticos de turbidez e oxigênio dissolvido precisam de iluminação; muitas plataformas acionam limpadores mecânicos ou de jato de ar para controlar a bioincrustação; as bombas podem mover água de amostra; e o registrador e o barramento de sensores RS485/Modbus ficam ativos durante cada janela de medição. O envio então aciona um rádio celular ou LPWAN cujo estágio de transmissão consome a maior corrente instantânea do ciclo.
A cadência de medição é configurável de uma vez por minuto a cada hora, e cada encurtamento do intervalo eleva a carga média aproximadamente em proporção. As especificações publicadas de boias descrevem sistemas de doze volts com solar-mais-armazenamento, ciclos de medição ajustáveis nessa faixa de um a sessenta minutos e LoRaWAN em EU868 ou enlace ascendente celular. A primeira tarefa de projeto é, portanto, a mesma contabilidade de energia por ciclo usada para qualquer nó remoto – listar cada estado, sua corrente e duração –, mas com termos de bomba, limpador e sensor óptico que uma estação meteorológica não tem.
As plataformas flutuantes quase universalmente coletam por fotovoltaica porque estão fora da rede e expostas ao céu aberto. As especificações dos integradores descrevem painéis de cerca de cinquenta a cento e cinquenta watts que carregam um banco de armazenamento, sendo o requisito definidor a autonomia ao longo de dias consecutivos de chuva ou céu encoberto: sete dias é uma meta comercial comum, e algumas linhas de boias meteorológicas especificam quinze ou mais. O elemento de armazenamento é dimensionado, portanto, não para uma noite, mas para o período de pior estação de baixa insolação, um cálculo fundamentalmente diferente de um aparelho solar diurno.
Dentro dessa arquitetura a tecnologia de armazenamento tem três funções: absorver carga sempre que o painel produz, fornecer o ciclo de medição e envio sob demanda e atravessar o déficit de vários dias. O NiMH selado é uma escolha confiável para boias pequenas e médias justamente porque é uma tecnologia cíclica e recarregável que tolera a carga superficial e irregular fornecida por um painel móvel, às vezes sombreado, e os ciclos diários repetidos de anos de serviço – uma proposta de valor diferente da dos grandes pacotes de lítio primário usados onde não existe painel solar algum.
Ao contrário de uma bateria primária que apenas se esvazia, um buffer de boia traça uma órbita diária repetitiva: descarrega durante a noite e durante as rajadas de medição, recarrega durante as horas de luz e se acomoda em um estado de carga que acompanha o clima. Em uma semana ensolarada flutua alto; em uma semana de tempestade tende para baixo e precisa se recuperar. O elemento de armazenamento precisa, consequentemente, de alta tolerância a ciclos sob ciclagem superficial, boa aceitação de carga de uma fonte intermitente e autodescarga baixa o bastante para não deixar escapar a energia armazenada.
O NiMH se sente à vontade com exatamente esse regime. Aceita carga de um regulador solar controlado sem a disciplina de carga rigorosa e sensível à deposição do íon de lítio, tolera a sobrecarga moderada que um simples controlador marinho pode aplicar e percorre a órbita diária durante a vida útil da plataforma. Especificam-se classes de baixa autodescarga para que a energia armazenada sobreviva a longos períodos encobertos, e a bateria é deliberadamente operada em uma faixa intermediária de estado de carga onde tanto a vida em ciclos quanto a confiabilidade são melhores.
Várias cargas da boia são impulsivas em vez de estáveis: um motor limpador ou uma bomba que parte sob carga, o flash de iluminação de um sensor óptico e, especialmente, um rádio celular que transmite na borda de sinal fraco podem cada um exigir brevemente uma corrente várias vezes a média. Como em um nó sensor, o elemento de armazenamento deve manter a tensão de seu trilho através desses pulsos, senão o registrador reinicia e a medição se perde – uma falha custosa em uma plataforma que talvez só seja visitada de barco.
As células NiMH seladas têm baixa impedância interna, da ordem de dezenas de miliohms em uma célula AA carregada, e as linhas industriais sustentam descargas de vários ampères, de modo que uma bateria pequena mantém a tensão através de partidas de motor e rádio que fariam ceder uma fonte de alta impedância. Os projetistas costumam adicionar um reservatório local de capacitores para os pulsos mais agudos, deixando ao banco NiMH o fornecimento da energia do ciclo a uma taxa média modesta. A primeira figura animada empilha a energia de cada carga da boia; a segunda compara uma órbita diária de estado de carga saudável com uma semana de déficit.
A água é um ambiente elétrico hostil, de formas que alcançam a bateria mesmo dentro de um casco selado: alta umidade e condensação, amplas oscilações de temperatura, ar carregado de sal que ataca conectores e qualquer metal exposto, movimento e vibração constantes de baixo nível e o risco de um compartimento rompido. Esses fatores de estresse elevam a resistência de contato, aceleram a corrosão e podem degradar uma bateria mais rápido do que sua vida calendário eletroquímica se o projeto mecânico e de vedação for fraco.
É por isso que o projeto de energia da boia é inseparável do projeto do invólucro. O compartimento da bateria fica atrás da barreira IP68 que define uma plataforma submersível; as células são retidas contra o movimento com abas soldadas ou suportes robustos; os conectores são resistentes à corrosão e com revestimento protetor; e o projeto térmico mantém a bateria fora de pontos quentes solares diretos. A ausência de líquido livre do NiMH e sua robusta construção selada são vantajosas aqui, mas a vantagem só se realiza quando a bateria é embalada tão deliberadamente para o ambiente marinho quanto o próprio casco.
A análise de carga e arquitetura produz um conjunto claro de requisitos para o elemento de armazenamento: recarregável e tolerante a ciclos ao longo de anos de órbitas diárias; carregável a partir de uma fonte fotovoltaica fraca e intermitente sem um protocolo de carga frágil; de impedância baixa o bastante para cobrir pulsos de motor, ópticos e de rádio, opcionalmente com um reservatório de capacitores; baixa autodescarga para sobreviver a déficits de vários dias; e robusta dentro de um compartimento selado, úmido, vibrante e exposto ao sal. Esses requisitos enquadram o projeto detalhado da bateria no próximo artigo.
Eles também enquadram uma comparação honesta de químicas. Grandes boias com volume e orçamento generosos podem usar íon de lítio por sua densidade de energia, e plataformas sem solar de longa vida podem usar lítio primário; mas para boias pequenas e médias manuteníveis e assistidas por solar – especialmente onde a simplicidade de transporte, o comportamento de carga indulgente e o fornecimento de pulsos são valorizados – um buffer NiMH selado bem projetado é uma escolha forte e defensável. O artigo seguinte transforma esses requisitos em decisões de número de células, capacidade, reservatório e gerenciamento de carga.
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