BOMBEAMENTO SOLAR FOTOVOLTAICO, HIST“RICO, .para US$ 3,50/Wp atualmente, e para sistema de bombeamento

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  • BOMBEAMENTO SOLAR FOTOVOLTAICO, HISTRICO,CARACTERSTICAS E PROJETOS

    Maria Cristina Fedrizzi, Ildo Luis Sauer

    Universidade de So PauloPrograma Interunidades de Ps-Graduao em Energia

    Av. prof. Luciano Gualberto, 1289 - CEP 05508-900, So Paulo SPfedrizzi@iee.usp.br

    RESUMO

    O artigo apresenta uma reviso sucinta do estado daarte da tecnologia de bombeamento fotovoltaico, umhistrico dos principais projetos fotovoltaicoscomunitrios de abastecimento de gua no mundo eno Brasil, e faz uma anlise da atual situao nopas.

    ABSTRACT

    In this work the state-of-the-art of photovoltaicpumping technology is briefly reviewed, the historyof maim photovoltaic pumping community watersupply projects, in Brazil end world wide, arepresented, and, the current status on evaluated isassessed.

    INTRODUO

    Tendo em vista o avano tecnolgico experimentadonos ltimos anos pela tecnologia de bombeamento eo decorrente crescimento de sua aplicao para oabastecimento de gua a comunidades rurais remotasno Brasil e no mundo, busca-se com este trabalho,recuperar as informaes mais relevantes relativasao estado da arte da tecnologia e ao histrico dodesenvolvimento de projetos desta natureza.

    Apesar de o efeito fotovoltaico ter sido observadopela primeira vez pelo fsico francs EdmundBecquerel, em 1839 [1], e as primeiras aplicaesdatarem da dcada de 1950, o bombeamentofotovoltaico somente se deu de forma comercial nofinal da dcada de 1970. At 1990 no mais de10.000 sistemas haviam sido instalados em todo omundo. Na ltima dcada, no entanto, seu nmeroaumentou sensivelmente e, ainda que no se tenhacontabilizado com preciso, o ltimo estudo depreviso da expanso realizado pela Unio Europia,mostra cifras da ordem de 150.000 sistemas debombeamento fotovoltaico instalados at o ano de2010 [2].

    Um dos fatores que contribuiu para a disseminaoda opo de bombeamento fotovoltaico foi a reduodos preos de seus componentes. A evoluo dopreo do mdulo fotovoltaico no mercadointernacional foi de US$ 20,00/Wp, em 1970 [3],para US$ 3,50/Wp atualmente, e para sistema debombeamento fotovoltaico como um todo (mdulos,acondicionamento de potncia e conjuntomotobomba), passou de US$ 50,00/Wp [3], em1970, para menos de US$ 9,00/Wp, atualmente. NoBrasil, no entanto, estes valores esto por volta deUS$ 6,00/Wp, para o mdulo fotovoltaico, e de US$18,00/Wp, para o sistema de bombeamentocompleto.

    Outro fator decisivo foi a viabilizao de projetospiloto implantados em condies reais de operao,proporcionando o aprimoramento tecnolgiconecessrio para sua expanso em larga escala.

    O ESTADO DA ARTE

    Adicionalmente ao avano tecnolgico, primandopela confiabilidade, houve uma melhorasignificativa na eficincia dos elementos dossistemas de bombeamento fotovoltaico. No incio dadcada de 1980, a eficincia mdia total1 de umsistema era de 2% [3]. No entanto, graas aoaumento das eficincias individuais dosequipamentos, atualmente encontram-se sistemascom eficincia mdia total acima de 5% [4]. Emlinhas gerais, um bom sistema comercial conta comeficincia dos mdulos fotovoltaicos entre 12% e15%, e eficincia do restante do sistema entre 30% e40%. Estas cifras podem parecer pequenas, mas noso considerando-se que se trata de bombaspequenas, geralmente abaixo de 2 HP.

    Um sistema de bombeamento fotovoltaico constitudo por um gerador fotovoltaico, mecanismode acondicionamento de potncia, conjunto

    1 Energia radiante do sol, transformada em potnciahidrulica til.

  • motobomba e equipamentos complementares, comohidrmetro e sensor de nvel. Como regra geral, noso utilizadas baterias pois o depsito de guadesempenha a funo de armazenamento, exceofeita nos casos em que a bomba uma carga a maisde um sistema fotovoltaico autnomo.

    Em utilizaes comerciais, o gerador fotovoltaicocostuma ser fixo, ainda que haja a comprovao deque a utilizao de rastreador solar, o chamadotraking, otimize a incidncia da irradiao solarsobre a superfcie do gerador, aumentando assim aenergia til, com o conseqente incremento dovolume bombeado. Estudo comparativo de sistemasde bombeamento com e sem rastreador, sobdeterminadas condies de funcionamento obteveat 41% a mais de gua bombeada com o primeirocaso. [5]

    O conceito bsico para a utilizao de rastreadoresreside na vantagem de adquirir uma menor potnciaem mdulos fotovoltaicos, para uma mesmaquantidade de gua bombeada, implicando em ummenor gasto com os mdulos e uma menornecessidade de superfcie livre para a instalao dosmesmos. Entretanto, a aquisio do mecanismorastreador, sua colocao em funcionamento, suamanuteno e reposio ao longo da vida til doprojeto, pode no compensar a menor utilizao demdulos e de superfcie. Por este motivo, autilizao de rastreador deve ser analisada emfuno das especificidades locais.

    Com relao origem da gua, o estado da arte dobombeamento fotovoltaico busca substituir os poostipo cacimba, por poos do tipo tubular de pequenodimetro, com o conjunto motobomba de localizaosubmersa e de fabricao especial para utilizaofotovoltaica, ou seja, bombas mais eficientes e commenor torque de arranque do motor. Esta opo visaa reduo da contaminao do recurso hdrico e aotimizao energtica.

    Bombeamento de gua superficial, de rios e audes,com sistemas de superfcie ou flutuantes, so maisutilizados para irrigao e dessedentao de animaisdomsticos. Contudo, este tipo de soluo utilizadapara o abastecimento humano quando h algumimpedimento para a utilizao de gua, por exemplo,quando as caractersticas da gua subterrnea soimprprias para o consumo humano, ou quando halgum impedimento para a perfurao de poos.

    A primeira gerao de sistemas de bombeamentofotovoltaico, particularmente os utilizados parapequenas e mdias alturas manomtricas, utilizavammotor CC2 com magneto permanente. Na ltimadcada, esta configurao deu lugar a motores CA3

    assncronos, mais simples, robustos e de menorcusto, que so acoplados ao gerador fotovoltaico

    2 CC Corrente Contnua.3 CA Corrente Alternada.

    atravs de um inversor CC/CA. [4]

    Objetivando a otimizao (tcnica e econmica) deum sistema de bombeamento, pode-se dizer que paraaumentar a eficincia mdia de funcionamento, almde um bom dimensionamento, deve-se buscar areduo do torque de arranque do motor e amanuteno do funcionamento no seu ponto demxima potncia. Para tanto, vem sendo utilizadovariadores de freqncia, compatveis com qualquertipo de bomba CA, que incluem seguidores demxima potncia. Apesar de se tratar de umdispositivo a mais a ser adquirido, estudoscomprovam que pode haver uma reduo no custofinal do volume bombeado ao utilizar-se bombasmais baratas e facilmente encontradas no comrciolocal, o que favorece tambm a manuteno ereposio de peas. [6]

    De um modo geral, para aplicaes de baixapotncia (< 200Wp) predominam as bombas dedeslocamento positivo, principalmente do tipodiafragma. J para aplicaes maiores a orientaodo mercado vem sendo no sentido das bombascentrfugas multiestgios, no entanto, para alturasmanomtricas elevadas este tipo de bomba apresentareduo na eficincia. A figura 1 apresenta umdiagrama indicativo de utilizao de bombas dedeslocamento positivo, regio A, e bombascentrfugas, regio B. Por esta razo, bombassubmersveis de deslocamento positivo de eixocentral do tipo helicoidal e as de superfcie compisto, chamadas de cavalete, comeam a ter umincremento na sua aplicao. As figuras 2, 3, 4 e 5ilustram os mecanismos internos dos quatro tiposmencionados.

    Figura 1. Curvas indicativas de utilizao de bombas:de deslocamento positivo (A) e centrfugas (B).

    Os sistemas de bombeamento de ltima gerao,alm de preservarem a robustez caracterstica dosmais antigos, contam com aprimoramento daeletrnica de potncia, embutindo no prprio motor,inversor CC/CA, seguidor do ponto de mximapotncia, sensores de nvel do poo e do depsito,alm de outros dispositivos de proteo. Estesmotores compactos so acoplados a bombassubmersveis, centrfugas e helicoidais, cobrindo,assim, as demandas de grandes vazes e grandesalturas manomtricas.

  • GERADOR ACOND. POTNCIA MOTOR BOMBA

    ACOPLAMENTODIRETO

    CONTROLADOR

    CONVERSORCC-CC

    INVERSORCC-CA

    BATERIA

    MOTORCA

    MOTORCC

    ASSNCRONO

    EXCITOINDEPENDENTE

    CONEX.SERIES

    CONEX.PARALELO

    SNCRONO

    CENTRFUGA

    VOLUMTRICA

    Figura 2. Bomba dedeslocamento positivo com

    diafragma.

    Figura 3. Bomba dedeslocamento positivo de

    cavalete. (Fonte: Catlogo comercial.)

    Figura 4. Bomba centrfugamultiestgio.

    Figura 5. Bomba de deslocamentopositivo helicoidal.

    (Fonte: Catlogo comercial.)

    A evoluo dos equipamentos de bombeamentofotovoltaico, passou de um sistema no qual a bombase encontrava em localizao submersa e o motor eos demais componentes de acondicionamento depotncia em superfcie, acoplados atravs de umeixo (com reduzida eficincia), para um sistemacompacto no qual todo o mecanismo encontra-se emlocalizao submersa (maior flexibilidade deutilizao e eficincia). Mas apesar das inmerasvariaes possveis, as configuraes mais utilizadasso as que seguem as linhas grossas da figura 6.

    Figura 6. Configuraes de sistemas de bombeamentofotovoltaico mais utilizadas.

    (Fonte: Modificado de LORENZO, 1999.)

    Ainda que a tecnologia oferea inmeraspossibilidades em termos de potncia, a maioria dossistemas de bombeamento fotovoltaico instaladosno ultrapassa a potncia de 2-kWp, com alturamanomtrica mdia por volta dos 60 m.c.a4. e vazoinferior a 40 m3/dia5. Neste intervalo se encontra ogrande nicho para a aplicao da tecnologia no pas.

    HISTRICO E PRINCIPAIS PROJETOS

    Apesar de ser uma tecnologia relativamente nova,foi graas a projetos de grande envergadura, namaioria das vezes implantados em zonas rurais depases em desenvolvimento, com o suporte dospases produtores dos equipamentos, que ganhost