DIMENSONAMENTO DE EQUIPAMENTOS DE …...Dimensionamento de equipamentos de energia solar fotovoltaica aplicados ao bombeio mecânico com hastes. 2017. 53 f. TCC (Graduação) - Curso

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE PETRÓLEO

ENGENHARIA DE PETRÓLEO

DIMENSONAMENTO DE EQUIPAMENTOS DE ENERGIA SOLAR

FOTOVOLTAICA APLICADOS AO BOMBEIO MECÂNICO COM

HASTES

Igor Lisboa Bezerra

Novembro 2017

NATAL, RN

Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia de Petróleo –CEP/CT/UFRN 2017.1

ii Igor Lisboa Bezerra

Igor Lisboa Bezerra

DIMENSONAMENTO DE EQUIPAMENTOS DE ENERGIA SOLAR

FOTOVOLTAICA APLICADOS AO BOMBEIO MECÂNICO COM

HASTES

Trabalho apresentado ao Curso de

Engenharia de Petróleo da Universidade

Federal do Rio Grande do Norte como

requisito parcial para a obtenção do título

de Engenheiro de Petróleo.

Orientadora: Dra. Carla Wilza Souza de Paula Maitelli

Novembro 2017

NATAL, RN


iii Igor Lisboa Bezerra


iv Igor Lisboa Bezerra

BEZERRA, Igor Lisboa. Dimensionamento de equipamentos de energia solar fotovoltaica

aplicados ao bombeio mecânico com hastes. 2017. 53 f. TCC (Graduação) - Curso de

Engenharia de Petróleo, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, Brasil, 2017.

Palavras-Chaves: Energia solar fotovoltaica, elevação artificial, bombeio mecânico

Orientadora: Profª. Drª. Carla Wilza Souza de Paula Maitelli

RESUMO

___________________________________________________________________________

Os sistemas de energia fotovoltaica são capazes de capturar a luz solar de forma direta e

produzir corrente elétrica através de painéis solares fotovoltaicos. Esta corrente é conduzida por

controladores de carga e conversores, e pode ser armazenada em baterias ou conectada

diretamente à rede elétrica. No setor de petróleo, os sistemas fotovoltaicos podem ajudar a

produzir energia elétrica para poços de petróleo, convertendo a luz solar em eletricidade através

de células fotovoltaicas. Considerando a importância dos sistemas fotovoltaicos na geração de

energia, o objetivo deste trabalho é idealizar e dimensionar duas unidades de energia solar

fotovoltaica, sendo uma off grid e outra on grid, capazes de atender a demanda elétrica de um

campo produtor de petróleo composto por dez poços que utilizam o bombeio mecânico (BM)

como método de elevação artificial para produção de petróleo. O estudo em questão foi

projetado para um campo de produção localizado no Nordeste do Brasil. Sistemas solares

fotovoltaicos se apresentam como uma excelente alternativa de geração de energia necessária

para alimentar os poços de petróleo estudados em função de sua versatilidade de aplicações.

Neste trabalho 780 painéis (sistema off grid) e 672 painéis (sistema on grid) foram utilizados

para fornecer energia elétrica para motores, de 3 hp, para 10 unidades de bombeio.


v Igor Lisboa Bezerra

BEZERRA, Igor Lisboa. Dimensionamento de equipamentos de energia solar fotovoltaica

aplicados ao bombeio mecânico com hastes. 2017. 53 f. TCC (Graduação) - Curso de

Engenharia de Petróleo, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, Brasil, 2017.

Keywords: Photovoltaic solar energy, artificial lift, sucker-rod pumping

Tutor: Profª. Drª. Carla Wilza Souza de Paula Maitelli

ABSTRACT

__________________________________________________________________________

Photovoltaic systems are capable of directly capturing sunlight and producing electric current

through photovoltaic solar panels. This current is driven by current controllers and converters,

and can be stored in batteries or connected directly to the power grid. In the oil sector,

photovoltaic systems can help produce electricity for oil wells by converting sunlight into

electricity using photovoltaic cells. Considering the importance of photovoltaic systems in the

generation of energy, the objective of this paper is to idealize and size two photovoltaic solar

energy units, one off grid and another on grid, capable of meeting the electric demand of a

petroleum field composed of ten wells that use sucker-rods pumping as an artificial lifting

method for the production of hydrocarbons. The study in question was designed for a field of

production located in the Northeast of Brazil. Photovoltaic solar systems present themselves as

an excellent alternative of generation of energy necessary to feed the studied oil wells due to its

versatility of applications. In this work, 780 panels (off grid system) and 672 panels (on grid

system) were used to supply electric power to motors, from 3 hp, to 10 pumping units.


vi Igor Lisboa Bezerra

AGRADECIMENTOS

Agradeço aos meus país, Sonia Maria Lisboa e José Maria Lisboa, e irmã, Sabrina

Lisboa pelo amor incondicional, por sempre buscarem me proporcionar as melhores condições

para o meu desenvolvimento e por me apoiarem em todas as lutas do dia-dia.

Agradeço à minha orientadora, Dra. Cala Maitelli, pela oportunidade de desenvolver

este trabalho, proporcionando meios para meu desenvolvimento profissional, e pela dedicação

para com seus alunos e orientandos.

Agradeço aos meus colegas de curso pelo companheirismo e amizade sempre marcantes

durante todo o período do curso.

E finalmente agradeço a Deus pelo dom da vida.


vii Igor Lisboa Bezerra

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO……………………………………………………………….. 1

1.1 Objetivo geral................................................................................................... 2

1.2 Objetivos específicos........................................................................................3

2 ASPECTOS TEÓRICOS……………………………………………………… 4

2.1 Elevação de petróleo......................................................................................... 4

2.2 Energia solar................................................................................................... 16

2.2.1 Energia solar térmica................................................................................... 18

2.2.2 Energia solar fotovoltaica............................................................................ 19

3 MATERIAIS E MÉTODOS…………………………………………………. 26

3.1 Potência do motor elétrico trifásico................................................................ 26

3.2 Dimensionamento da unidade fotovoltaica autônoma.................................... 28

3.3 Dimensionamento da unidade fotovoltaica conectada à rede......................... 30

3.4 Layout do campo produtor.............................................................................. 32

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES…………………………………………… 33

4.1 Dimensionamento da potência nominal dos motores elétricos das unidades de

bombeio..................................................................................................................33

4.2 - Dimensionamento de uma unidade solar fotovoltaica autônoma geradora de

energia elétrica....................................................................................................... 35

4.3 - Dimensionamento de uma unidade solar fotovoltaica conectada à rede

geradora de energia elétrica....................................................................................37

5 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES…………………………………… 39

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS…………………………………………... 41


viii Igor Lisboa Bezerra

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2.1 - Esquema de uma unidade de bombeio. ................................................................... 8

Figura 2.2 - Unidade de bombeio. ............................................................................................ 10

Figura 2.3 - Curso ascendente. ................................................................................................. 14

Figura 2.4 - Curso descendente. ............................................................................................... 15

Figura 2.5 - Mapa brasileiro de irradiação global diária. ......................................................... 17

Figura 2.6 - Coletores solares não concentradores. .................................................................. 18

Figura 2.7 - Coletores solares concentradores. ......................................................................... 19

Figura 2.8 - Painel solar fotovoltaico. ...................................................................................... 20

Figura 2.9 - Unidade solar fotovoltaica .................................................................................... 21

Figura 2.10 - Sistema solar fotovoltaico isolado. ..................................................................... 22

Figura 2.11 - Sistema solar fotovoltaico conectado à rede. ...................................................... 23

Figura 3.1 - Gráfico da eficiência mecânica do bombeio. ........................................................ 27

Figura 3.2 - Etapas para dimensionamento do sistema fotovoltaico isolado.............................32

Figura 4.1 - Gráfico da eficiência mecânica do bombeio assinalado com valores. .................. 34


ix Igor Lisboa Bezerra

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1- Algumas características elétricas dos painéis fotovoltaicos. ................................. 31

Tabela 4.1- Resultados do dimensionamento da potência dos motores elétricos das unidades de

bombeio. ........................................................................................................................... 35

Tabela 4.2 - Resultados do dimensionamento da unidade solar fotovoltaica isolada para um

poço. ................................................................................................................................. 36

Tabela 4.3 - Resultados obtidos do dimensionamento da unidade fotovoltaica conectada à rede.

.......................................................................................................................................... 38

Tabela 4.4 - Comparativo entre os sistemas fotovoltaicos off grid e on grid para o campo

produtor. ........................................................................................................................... 38


x Igor Lisboa Bezerra

LISTA DE SIGLAS

API - American Petrolium Institute

ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica

BCP - Bombeio por Cavidades Progressivas

BCS - Bombeio Centrífugo Submerso

BHJ - Bombeio Hidráulico a Jato

BM - Bombeio Mecânico

C - Consumo anual de energia, kWh/ano

CA – Corrente alternada, A

Capacidade de carga – Quantidade de energia armazenada no banco proporcional a tensão deste,

Wh

CC – Corrente contínua, A

Energia armazenada no banco – Quantidade de energia elétrica que o banco de baterias é capaz

de armazenar, Wh

Energia consumida – Energia consumida pelo motor elétrico por dia, Wh/dia

Energia produzida – Energia produzida pelo módulo fotovoltaico, Wh

𝐸𝑃𝑅 - Equação utilizada no gráfico da eficiência mecânica do bombeio

GLC - Gas Lift Contínuo

GLI - Gas Lift Intermitente

Irr - Irradiação solar, kWh/m²/ano

MPRL – Carga mínima também na haste polida, N (lbf)


xi Igor Lisboa Bezerra

𝜂𝑚𝑒𝑐ℎ - Eficiência mecânica da unidade de bombeio, adimensional

𝜂𝑚𝑜𝑡 - Eficiência do motor elétrico, adimensional

Número de baterias em série – quantidade de baterias em série que compõem o banco de

baterias, adimensional

Número de conjuntos – quantidade de conjuntos de baterias em série do banco de baterias,

adimensional

Número de módulos – Quantidade de módulos fotovoltaicos para mover um motor elétrico,

adimensional

𝑃𝑒 - Potência requerida no motor elétrico, hp

𝑃𝐹𝑉 − Potência teórica do sistema fotovoltaico, kWp

𝑃𝑚𝑜𝑡 - Potência requerida no eixo do motor, hp.

Potência do módulo - Potência gerada por módulo fotovoltaico, W

PPRL - carga máxima na haste polida

𝑃𝑅𝐻𝑃 - Potência na haste polida, hp

PT - torque requerido no redutor, N.m (lbf.in)

Sp - curso efetivo do pistão, m (in)

UB - unidade de bombeio


1 Igor Lisboa Bezerra

1 INTRODUÇÃO

A evolução da humanidade no decorrer dos anos está intrinsicamente ligada a evolução

de sua necessidade energética. Nos primórdios, a necessidade de suprimento energético do

homem era apenas para alimentação, iluminação noturna e aquecimento. Em seguida, o homem

dominou o uso do fogo e desenvolveu a agricultura e a pecuária, favorecendo o armazenamento

de energia excedente em alimentos e animais (HEMERY; BEBIER; DELEAGE, 1993).

A diversificação do trabalho e aumento do conforto, no decorrer dos anos, alavancaram

o surgimento de novas formas de utilização de energia, através de avanços na matemática e

engenharia, tanto na sua geração como no armazenamento. E ainda, o crescimento da demanda

e consumo de energia provocados pelo progresso tecnológico e avanço do desenvolvimento

humano são fatores que incentivam a busca e o aperfeiçoamento de novas fontes de energia,

bem como propiciam avanços em fontes já consolidadas na matriz energética mundial. Tais

fontes de energia são divididas em fontes renováveis e não renováveis.

Fontes de energia renováveis, como o próprio nome diz, têm sua utilização renovável e

mantém-se assim, podendo ser aproveitada ao longo do tempo sem o risco de seu esgotamento

(PORTAL ENERGIA, 2015). São exemplos deste tipo de fonte: energia solar, eólica, hídrica,

geotérmica, entre outros.

Umas das fontes de energia renováveis que vem apresentando maior crescimento em

sua utilização é a energia solar fotovoltaica. Ela utiliza energia do sol para produzir eletricidade

pelo efeito fotovoltaico, que por sua vez, consiste na conversão direta da luz solar em

eletricidade, através do uso de células solares. Os sistemas fotovoltaicos podem ser off grid, ou

seja, sem ligação com a rede elétrica (isolado), ou on grid, ligado à rede pública de distribuição

de eletricidade (VILLALVA, 2015).

Já no que se refere às fontes de energia não renováveis, estas apresentam limitações nos

seus recursos e o seu uso pode provocar escassez ou mesmo esgotamento e ainda, via de regra,

provocam poluição ambiental. A principal delas é o petróleo, sendo a mais utilizada atualmente

no nosso planeta.

O uso das fontes de energia não renováveis vem, ainda nos dias de hoje, apresentando

uma elevada taxa de crescimento devido, principalmente, ao desempenho de economias



emergentes, tais como, Índia e China. No entanto, o aumento acelerado da demanda,

instabilidades políticas em regiões produtoras de petróleo e gás natural, as pressões pela redução

de emissões de gases do efeito estufa, e ainda, incertezas quanto ao risco de escassez do recurso,

trazem preocupações a respeito do equacionamento da oferta e procura que influenciam no

preço do barril de petróleo. Bem como, incentivam a busca por alternativas para a substituição

da matriz energética em escala global.

Poços de petróleo, no início de sua vida produtiva, são em sua maioria surgentes, ou

seja, os hidrocarbonetos são produzidos devido à pressão natural existente no reservatório.

Entretanto, com o decorrer do tempo essa pressão cai e o poço passa a necessitar de adição de

energia complementar para produzir. Nesses casos podem ser utilizados métodos de elevação

artificial que, segundo Bhatia e McAllister (2014), são técnicas para fornecer energia adicional

aos fluidos em um poço produtor quando a pressão da formação não é alta o suficiente para que

os hidrocarbonetos sejam elevados na coluna de produção a uma taxa economicamente viável

ou quando se deseja amentar à vazão em poços ainda surgentes.

O método de elevação artificial mais utilizado é o bombeio mecânico com hastes, que

corresponde aproximadamente 80% dos poços de petróleo produtores no mundo, devido

principalmente ao seu custo relativamente menor de investimento inicial e de manutenção

(quando comparado a outros métodos de elevação), flexibilidade de operação com diferentes

vazões e em diferentes profundidades, entre outros aspectos. (NASCIMENTO, 2005).

Diante desse contexto, e colocando-se em pauta as contribuições relacionadas às fontes

renováveis de energia pela busca de adequação ambiental e redução de custos operacionais em

processos e procedimentos nos mais variados setores. A energia solar se mostra como uma

ferramenta valiosa para tornar processos mais eficientes, e suas aplicações se enquadram muito

bem em aspirações de redução de custos e diminuição de impactos ambientais em setores como

na indústria petrolífera por exemplo.

1.1 – Objetivo geral

Idealizar e dimensionar duas unidades de energia solar fotovoltaica, sendo uma off grid

e outra on grid, capazes de atender a demanda elétrica de um campo produtor de petróleo



composto por dez poços que utilizam o bombeio mecânico com hastes como método de

elevação artificial para produção de hidrocarbonetos.

1.2 – Objetivos específicos

Dimensionar a potência dos motores elétricos empregados nas unidades de

bombeio dos poços produtores.

Dimensionar um sistema solar fotovoltaico isolado para suprir a demanda

energética dos poços produtores.

Dimensionar um sistema solar fotovoltaico conectado à rede elétrica de

distribuição para suprir a demanda energética dos poços produtores.



2 ASPECTOS TEÓRICOS

Nesta seção são apresentados os aspectos teóricos relevantes para a realização deste

trabalho, no tocante à indústria do petróleo mais especificamente à elevação de hidrocarbonetos,

geração de energia solar fotovoltaica, introduzindo alguns de seus conceitos e características.

2.1 – Elevação de petróleo.

Normalmente, como já mencionado anteriormente, em poços de petróleo no início de

sua vida produtiva, os hidrocarbonetos fluem de forma natural para a superfície e por isso são

chamados de surgentes. A produção se dá porque a pressão de fundo de poço supera a soma das

perdas de pressão que ocorrem ao longo do percurso do escoamento, do fundo do poço à

superfície. Esse tipo de poço, geralmente não apresenta problemas de ordem técnica ou

operacional, além de demandarem menores custos para serem operados (THOMAS, 2004)

Quando isso não ocorre, o fluxo de petróleo cai à níveis insatisfatórios ou pode

acontecer a morte do poço, esta ocorre principalmente por dois motivos, são eles: a pressão do

fundo do poço diminui a níveis menores que o total das perdas de pressão no poço, ou as perdas

de pressão ao longo do poço se tornam maiores que a pressão existente no fundo (TAKÁCS,

2009).

Independentemente de surgência ou não, os fluidos a serem produzidos pelos poços de

petróleo, percorrem basicamente o mesmo caminho, sendo que este pode ser subdividido em

três etapas subsequentes: o fluxo no meio poroso, o fluxo na coluna de produção e o fluxo na

linha de produção. O fluxo no meio poroso consiste no escoamento de fluidos ainda no

reservatório, ou seja, dentro dos poros das formações rochosas acumuladoras de

hidrocarbonetos. Já o fluxo na coluna de produção é a etapa intermediária entre o escoamento

de fluidos no reservatório e a produção na superfície, para que o fluxo ocorra nesta fase é

necessário que a pressão de fluxo no fundo do poço seja capaz de superar a coluna hidrostática

de fluido acumulada no interior da coluna de produção, além das perdas causadas pela fricção

dos fluidos nas paredes internas da coluna e nas restrições em equipamentos. E por último, tem-

se o fluxo na linha de produção que corresponde ao deslocamento dos fluidos desde a cabeça

do poço até o vaso separador. (THOMAS, 2004).



Então, com a finalidade de retomar a produção em poços “mortos” ou aumentar a vazão

dos fluidos produzidos em poços ainda surgentes, se faz necessário a adição de energia

suplementar a fim de favorecer um diferencial de pressão entre os canhoneados (zona de entrada

de fluidos do reservatório no poço) e a superfície. Essa energia adicional é proveniente do

emprego de métodos de elevação artificial (TAKÁCS, 2003).

Existem diferentes mecanismos básicos de elevação artificial, um deles consiste no

emprego de uma bomba no fundo do poço para aumentar a pressão nesta zona, tornando-a maior

que a soma das perdas de pressão ao longo do poço até a superfície. Outro mecanismo é baseado

na adição de gás comprimido injetado abaixo da zona de entrada dos fluidos no poço, assim, a

energia de expansão do gás desloca os fluidos a serem produzidos, favorecendo o escoamento

desses ao longo da coluna de produção. E finalmente, um terceiro mecanismo, que ao contrário

dos demais, atua na redução das perdas de pressão por meio de injeção contínua de gás na

coluna de produção, gaseificando o fluido, tornando-o menos denso e assim facilitando sua

elevação (TAKÁCS, 2003).

Existem vários métodos de elevação artificial, compreendidos dentro dos mecanismos

citados acima, são ele:

• Gas Lift Contínuo e Intermitente (GLC e GLI);

• Plunger Lift;

• Bombeio Hidráulico a Jato (BHJ);

• Bombeio por Cavidades Progressivas (BCP);

• Bombeio Centrífugo Submerso (BCS);

• Bombeio Mecânico (BM);

O Gas Lift Contínuo consiste na injeção, a vazão constante, de gás de forma contínua e

controlada, com a finalidade de aerar os fluidos contidos na coluna de produção e assim reduzir

a componente hidrostática das perdas de carga dentro do poço. Possibilitando que a pressão

original do fundo do poço seja capaz de vencer as perdas e elevar os fluidos. No Gas Lift

intermitente, como o próprio nome diz, o gás é injetado de maneira intervalar. Os intervalos

entre os períodos de injeção são definidos pelo tempo que um nível suficiente de líquido se

acumula na coluna de produção. Durante a injeção, um grande volume de gás é injetado abaixo



da coluna, deslocando os líquidos até a superfície em formas de golfadas. Já no Plunger Lift,

existe um pistão especial que se movimenta no interior da coluna, esse separa a golfada de

líquido do gás injetado abaixo (TAKÁCS, 2003).

No Bombeio Hidráulico a Jato (BHJ) a produção ocorre através da injeção de fluido

hidráulico, que se mistura com o fluido produzido, um dos equipamentos do método é um

difusor que tem a função de converter a energia de uma corrente de jato de alta velocidade em

trabalho que desloca o fluido em direção à superfície (MAITELLI, 2010).

Outro método de elevação é o Bombeio por Cavidades Progressivas (BCP), equipado

com uma bomba de cavidades progressivas que por sua vez é constituída por um rotor e um

estator. O rotor gira no interior do estator que é fixo, esse movimento giratório se origina de um

motor localizado na superfície e é transmitido através de uma coluna de hastes. Os espaços

formados entre o rotor e o estator durante a rotação favorece o deslocamento (elevação) dos

fluidos a serem produzidos. E no Bombeio Centrífugo Submerso (BCS), uma bomba centrifuga,

constituída de vários estágios acionada através de um motor elétrico submersível que utiliza um

cabo elétrico partindo da superfície. Esse método é empregado para altas vazões (THOMAS,

2004)

E por fim, o bombeio Mecânico (BM), alvo de estudo deste trabalho. O surgimento do

BM como método de elevação artificial aconteceu em paralelo com o início da própria indústria

do petróleo. Seu funcionamento se dá através de uma unidade de bombeio (UB) que converte

o movimento rotativo de um motor em movimento alternativo que, por sua vez é transmitido a

uma bomba de fundo, instalada no fundo do poço. E essa transmissão de movimento ocorre

através de uma coluna composta por hastes que conecta a UB à bomba de fundo (BARRETO

FILHO, 1993).

O bombeio mecânico tem alta popularidade na indústria do petróleo devido

principalmente ao seu baixo custo de investimento e operação, alto grau de flexibilidade com

relação à vazões e profundidades, boa eficiência energética e possibilidade de operação com

fluidos de diferentes composições, viscosidades e temperaturas. A importância deste método

de elevação artificial é evidenciada pelo elevado número de instalações existentes espalhadas

pelo mundo (COSTA, 2008).

Segundo Takács (2003), o bombeio mecânico apresenta as seguintes vantagens e

desvantagens.



Vantagens:

É um método de elevação bem conhecido pelo o pessoal de campo em todos os

lugares, simples de operar e analisar;

O projeto de instalação é relativamente simples e possível de ser realizado em

campo;

Sob condições favoráveis, pode ser usado até o fim da vida produtiva do poço

(abandono);

A capacidade de bombeio, dentro dos limites pode ser facilmente alterada de

acordo com mudanças na produção do poço, também é viável a utilização de

mecanismos de controle de bombeamento;

Os componentes do sistema e peças de reposição estão prontamente disponíveis

em todo o mundo;

Desvantagens:

A profundidade de bombeio é limitada, principalmente pela resistência mecânica

do material das hastes;

Gás livre na entrada da bomba reduz drasticamente a produção.

Em poços desviados, o atrito das peças pode levar à falhas mecânicas;

A unidade de bombeio (UB) requer um grande espaço além de ser pesada;

E ainda, de acordo com a descrição de Takács (2003), o bombeio mecânico utiliza

componentes específicos que podem ser divididos em equipamentos de superfície e de

subsuperfície, A Figura 2.1 ilustra os principais componentes do bombeio mecânico.



Figura 2.1 - Esquema de uma unidade de bombeio.

Fonte: BEZERRA, 2015.

Os componentes de superfície são:

• A unidade de bombeio (UB);

• Contrapesos;

• Caixa de Redução;

• A haste polida;

• A cabeça do poço;

• O motor;



A unidade de bombeio (UB) é o mecanismo utilizado para converter o movimento

rotativo do motor em movimento alternativo requerido para o funcionamento da bomba de

fundo (TAKACS, 2003). A seleção de uma unidade de bombeio adequada para um determinado

poço deve levar em consideração parâmetros como: o máximo torque, o máximo curso da haste

polida e a máxima carga, sem sofrer danos durante seu funcionamento. Segundo Thomas

(2004), estruturalmente a unidade de bombeio é formada por:

Base;

Tripé;

Viga transversal ou balancim;

Cabeça da UB;

Biela e Manivela;

A base pode ser moldada por concreto ou constituída de perfis metálicos. Ela fornece o

alinhamento adequado, com relação ao solo, aos demais componentes da unidade de bombeio.

O tripé pode ser formado por três ou quatro perfis de aço, é o elemento de maior rigidez do

sistema e precisa suportar toda a carga proveniente da haste polida e da maioria dos

componentes existentes abaixo desta. A viga principal ou balancim é apoiada sobre o tripé e

fixada por um mancal, esse componente deve ser rígido o suficiente para suportar em uma de

suas extremidades, de maneira semelhante ao tripé, a carga na haste polida e na outra

extremidade a força transmitida pela biela. Já a cabeça da UB, devido ao seu formato, faz com

que a haste polida tenha sempre um movimento vertical independente da orientação do curso

(descendente ou ascendente) em um instante qualquer. A biela e a manivela transmitem o

movimento da saída do redutor para o balancim. O comprimento do curso da haste polida é

definido pela distância entre o eixo da manivela e o mancal da biela (THOMAS, 2004). Na

Figura 2.2 é apresentada uma unidade de bombeio e seus principais componentes.



Figura 1.2 - Unidade de bombeio.

Fonte: COSTA, 2008.

Na elevação dos hidrocarbonetos, a força motriz gerada pelo motor é requerida apenas

no curso ascendente, quando o equipamento precisa fornecer energia suficiente para suspender

a coluna de hastes e os líquidos que estão sendo bombeados, diferentemente do curso

descendente quando a coluna cai devido ao seu próprio peso. Essas mudanças alternadas de

demanda energética ocasionam a redução da vida útil do motor.



Dessa forma, com a finalidade de equilibrar os esforços nos cursos ascendente e

descendente utilizam-se contrapesos acoplados nas manivelas, ou mais raramente no balancim

da UB. Então, no momento do curso ascendente os contrapesos estão descendo o que provoca

a redução da potência requerida no motor. Já no curso descendente os contrapesos estão no seu

movimento de subida, apresentando uma oposição ao movimento de queda da coluna de hastes.

Sendo assim, durante o ciclo de bombeio, ocorrerá um distribuição equilibrada das cargas,

contribuindo para uma vida útil do motor da unidade de bombeio. Um balanceamento eficiente

é alcançado através de cálculos matemáticos que auxiliam em um ajuste ótimo da quantidade

de contrapesos e de sua posição na manivela da UB. (THOMAS, 2004).

A caixa redutora é responsável pela transformação da energia de alta velocidade e baixo

torque no eixo do motor em energia com alto torque e baixa velocidade no eixo de saída do

redutor. A redução é de aproximadamente de 600 rpm (rotações por minuto) no motor para 20

cpm (ciclos por minuto) na saída do redutor (TAKACS, 2003).

A haste polida por sua vez, corresponde a primeira haste da coluna e é assim chamada

por possuir uma superfície extremamente polida, ela é disponível em diferentes tamanhos,

sendo que este deve ser superior ao maior curso disponível na unidade de bombeio. E ainda, a

haste polida deve ser a mais resistente de todas as hastes por suportar todo o peso das demais,

principalmente durante o curso ascendente. Outra atribuição desse componente é permitir a

vedação na cabeça do poço, conjuntamente com um equipamento chamado sttufing box

(THOMAS, 2004).

Na cabeça do poço está localizada a sttufing box, que opera em torno da haste polida

evitando vazamentos, ela contém anéis de vedação, geralmente de borracha ou teflon, que são

comprimidos contra a haste polida, tais anéis precisam oferecer baixa resistência ao movimento

da haste ao mesmo tempo que desempenham a ação de vedação. (TAKACS, 2003).

Os motores responsáveis por fornecer a força motriz para movimentar as unidades de

bombeio podem ser elétricos ou movidos a diesel, sendo que os elétricos são mais comumente

utilizados por apresentarem amplas vantagens frente aos motores movidos à combustão interna

(diesel), dentre elas: menor custo operacional, menor ruído, maior eficiência energética, maior

durabilidade e melhor controle e adaptabilidade quando aplicados às operações que envolvam

qualquer tipo de automação. (COSTA, 2008).



Como já mencionado anteriormente, a demanda energética de tais motores variam de

acordo com o movimento do clico de bombeio, durante o curso ascendente, ocorre o

levantamento da coluna de hastes juntamente com o volume de fluido que está sendo bombeado,

ocasião que demanda maior força motriz do motor elétrico. De forma contrária, no movimento

descendente a coluna de hastes desce devido ao seu próprio peso. Para balancear as oscilações

causadas pelo ciclo de bombeio são aplicados os contrapesos, componentes das unidades de

bombeio, entretanto, esses ainda não são suficientes para eliminar completamente as flutuações

apresentadas a cada ciclo. Dessa forma, a seleção adequada de motores elétricos para o bombeio

mecânico deve levar em consideração os aspectos mencionados acima, a ainda, devem suprir

as perdas energéticas tanto na parte inferior do poço quanto na superfície, ao passo que, a

seleção adequada do equipamento é fator decisivo para tornar o sistema como um todo mais

eficiente. (TAKÁCS, 2003).

Segundo Takács (2003), os principais componentes de subsuperfície são:

A coluna de hastes

O pistão

A camisa da bomba

A coluna de hastes faz a conexão entre a unidade de bombeio e a bomba de fundo,

engloba a haste polida, e as hastes de bombeio. Ela constitui um sistema mecânico geralmente

de centenas de metros. As colunas compostas por uma única seção, sem mudança de diâmetro

são chamadas de colunas simples, já as que apresentam hastes de diâmetros diferentes na sua

composição são denominadas de colunas de hastes do tipo combinadas. As hastes individuais

são fabricadas de aço, com comprimento de 25 pés e tem sua padronização apresentada na

norma da American Petrolium Institute (API SPEC 11B).

O pistão e a camisa são componentes da bomba instalada na subsuperfície. O pistão,

parte móvel e interna à bomba, é diretamente conectado a coluna de hastes e abriga uma válvula

de esfera chamada de válvula de passeio. A camisa é a componente estacionária da bomba,

abriga também uma válvula de esfera chamada de válvula de pé, é através desta que os fluidos

a serem a produzidos entram na zona de sucção da bomba (TAKÁCS, 2003).

As bombas de fundo são classificadas em dois grupos: bombas tubulares e bombas

insertáveis. As tubulares possuem camisa diretamente conectada à coluna de produção, esse

tipo de bomba apresenta as seguintes vantagens: maior capacidade de bombeamento para um



diâmetro de tubo, mecanismo mais simples e robusto. Entretanto, quando existe a necessidade

de manutenção dos componentes, as manobras de coluna de hastes que são mais simples,

possibilitam apenas a troca do pistão e da válvula de pé, mas quando é preciso substituir a

camisa da bomba ocorre a necessidade de uma intervenção de maior porte no poço com a

utilização de sonda.

As bombas insertáveis são solidárias a coluna de hastes. Na ocasião de sua instalação,

a bomba com todos seus componentes é descida na extremidade da coluna de hastes, o que

permite a substituição completa de todas as suas peças através de uma simples manobra de

coluna de hastes, sem a necessidade de intervenção de uma sonda no poço, no entanto, sua

capacidade de bombeio é reduzida se comparada com a bomba tubular (COSTA, 2008)

As válvulas da bomba de fundo possuem um mecanismo de sede e esfera que é acionado

por pressão. Se a pressão acima da esfera for inferior à pressão abaixo dela a válvula se abrirá,

caso contrário, ocorre seu fechamento. O deslocamento do pistão provocado pelo movimento

de sobe e desce da coluna de hastes varia a pressão na bomba. No movimento ascendente, o

fluido acima da válvula de passeio é comprimido, provocando um aumento na pressão na região

e por consequência o fechamento desta válvula. O inverso acontece na válvula de pé, ocorre a

expansão dos fluidos na região entre as válvulas fazendo cair a pressão até que esta seja menor

que a pressão na zona de sucção da bomba, ocasionando a abertura da válvula de acordo com a

Figura 2.3 a seguir.



Figura 2.2 - Curso ascendente.

Fonte: COSTA, 2008.

Quando o pistão desce, as posições das esferas nas sedes se invertem. A pressão na

região entre as válvulas aumenta até se tornar superior à pressão na zona de sucção, provocando

o fechamento da válvula de pé, como também, se torna maior que a pressão na região acima da

válvula de passeio permitindo sua abertura, como apresentado na Figura 2.4 abaixo.



Figura 2.3 - Curso descendente.

Fonte: COSTA, 2008.

Em condições normais de funcionamento a camisa da bomba de fundo encontra-se,

durante o curso ascendente, completamente preenchida de fluido, e no início do movimento

descendente o pistão imediatamente entra em contato com o óleo, fazendo com que esse

movimento se inicie mais lentamente. Pode acontecer durante a operação o preenchimento

parcial da camisa da bomba de fundo, devido principalmente, a um deslocamento volumétrico

da bomba maior que a capacidade de entrega de volume ao poço pelo reservatório ou também

quando há obstrução na zona de sucção da bomba, entre outros motivos. Por consequência do

preenchimento parcial da bomba, no seu curso descendente, o pistão e toda coluna de fluido

sobre ele só terá contato com a superfície do fluido em determinado nível no interior da camisa

da bomba. Dessa forma, esse contato se torna um impacto, pois o pistão sem contato anterior

com o óleo desempenha maior velocidade que em condições normais. Tal fenômeno é chamado

de pancada de fluido e pode resultar em rompimento da camisa da bomba, vazamentos na

coluna de produção, entre outros (BARROS FILHO, 2002).



O controle da pancada de fluido se dá através de processo intermitente. Com parada de

bombeamento por intervalos de tempo predeterminados para que o reservatório possa alimentar

o poço em níveis satisfatórios durante as paradas. E assim nos períodos de parada de

bombeamento há economia de energia, pois o poço deixa de funcionar em momentos em que

sua produção estaria abaixo do esperado, e nos períodos de funcionamento a bomba trabalha

totalmente preenchida com fluido e a produção se normaliza. Esse controle na operação da

unidade de bombeio mecânico envolve automação dos poços e é denominado controle de pump

off (BARROS FILHO, 2002).

Para dimensionamentos e análise de bombeio mecânico (BM) são avaliados muitos

parâmetros importantes, tais como: a carga máxima na haste polida (PPRL), a carga mínima

também na haste polida (MPRL), o curso efetivo do pistão (Sp), o torque requerido no redutor

(PT) e a potência máxima na haste polida (PRHP). Devido à importância desses parâmetros

para o bombeio mecânico existe grande interesse em modelagens matemáticas que assumam o

comportamento dos parâmetros quando da operação de poços equipados com BM. Nesse

contexto, surgiram vários métodos matemáticos de previsão do sistema, tais como o método

convencional, o método API, o modelo de Gibbs, entre outros (NASCIMENTO, 2005).

2.2 – Energia solar

A energia gerada pelo sol, considerada inesgotável em escala terrestre de tempo, como

fonte de calor e luz é atualmente uma das alternativas energéticas mais promissoras para suprir

a demanda de energia necessária para o desenvolvimento humano. No mesmo contexto, sabe-

se que o sol é responsável pela origem de quase toda as fontes de energia existentes na terra.

(CRESESB, 2014).

O sol participa da geração de eletricidade produzida através de hidrelétricas, fornecendo

energia para a evaporação, que por sua vez origina o ciclo das águas, tornando possível o

represamento de grandes reservatórios de água necessários para geração energética. No caso da

energia eólica, a radiação solar induz a circulação atmosférica em escala global, provocando a

incidência de ventos que fornecem a energia cinética necessária para acionar os aerogeradores.

É também pela a energia do sol que a cana-de-açúcar, realiza a fotossíntese que promove seu

desenvolvimento para depois ser transformada em combustível nas usinas. E por fim, o



petróleo, gás natural e carvão mineral tiveram sua geração através de resíduos de plantas e

animais que se desenvolveram com o auxílio da energia solar.

Em função das suas dimensões continentais, o Brasil, apresenta diferentes

características climáticas, contudo, a média anual de irradiação solar global é bastante uniforme,

com elevadas médias anuais em todo seu território. A irradiação solar global incidente em

qualquer região do país pode variar entre 4,2 e 6,7 kWh/m², os valores mais altos são

encontrados na região semiárida do nordeste brasileiro (Pereira et. al, 2006). A Figura 2.5

mostra o mapa brasileiro de irradiação solar global diária com escala em Wh/m².dia.

Figura 2.4 - Mapa brasileiro de irradiação global diária.

Fonte: IMPE, 2017.



Na engenharia, quando se trata de energia solar, essencialmente tem-se duas

modalidades diferentes: a energia térmica e a energia fotovoltaica (CRESESB, 2014).

2.2.1 – Energia solar térmica

A energia solar térmica consiste no aproveitamento da energia proveniente do sol como

fonte de calor para aquecimento ou produção de eletricidade (VILLALVA, 2015).

As tecnologias de aproveitamento solar térmico se baseiam principalmente na utilização

de coletores solares, estes se subdividem em coletores não concentradores e coletores

concentradores. Os coletores não concentradores possuem área de interceptação solar

semelhantes a painéis solares fotovoltaicos e são mais aplicados em sistemas que necessitam

de baixa temperatura (IEA, 2011). Conforme ilustra a Figura 2.6 a seguir.

Figura 2.5 - Coletores solares não concentradores.

Fonte: IEA, 2011.

Já os coletores concentradores são equipados com uma superfície reflexiva que

direciona a radiação direta a um foco, onde está contido o fluido responsável por absorver o

calor refletido, esse tipo de equipamento é mais empregado quando se deseja alcançar

temperaturas mais elevadas no sistema de sua aplicação (IEA, 2011). A Figura 2.7 mostra os

coletores solares concentradores parabólicos.



Figura 2.6 - Coletores solares concentradores.

Fonte: IEA, 2011.

Sistemas solares térmicos apresentam diversos usos nos setores residenciais, comerciais

e industriais, como também na geração de energia elétrica. Na indústria do petróleo, dentre

outros usos, o aquecimento solar térmico pode ser aplicado para a geração de vapor que por sua

vez é empregado na injeção em reservatórios que contém nos poros de suas formações rochosas,

óleos mais viscosos, tal uso se define como método de recuperação suplementar de petróleo,

com a finalidade de se aumentar a eficiência na produção.

2.2.2 – Energia solar fotovoltaica

Na modalidade de energia solar fotovoltaica, a geração de energia elétrica produzida

através da luz solar é baseada no efeito fotovoltaico, constituído de um fenômeno físico que por

sua vez permite a conversão direta da luz solar em eletricidade. Sistemas fotovoltaicos captam

a radiação através de células solares, provocando o surgimento de uma diferença de tensão

responsável por produzir fluxo de elétrons em seu interior provocando assim o surgimento de

corrente elétrica contínua. Esse processo envolve a transferência de fótons da radiação incidente

para os elétrons contidos no material da célula fotovoltaica que é geralmente constituída de

silício (VILLALVA, 2015). A Figura 2.8 ilustra um dos painéis solares fotovoltaicos mais

modernos da atualidade.



Figura 2.7 - Painel solar fotovoltaico.

Fonte: Canadian Solar, 2017.

Células fotovoltaicas são compostas por duas camadas de matérias semicondutores, uma

grade metálica coletora na parte superior e uma base também metálica inferior, ambas

desempenham a função de terminais elétricos que coletam a corrente produzida pela ação da

luz. Células comerciais ainda possuem uma camada de material antirreflexivo utilizada para

evitar a reflexão de raios solares e aumentar a absorção da luz nas células. Sistemas solares

fotovoltaicos podem ser classificados em sistemas isolados, denominados sistemas off grid,

onde a energia gerada é armazenada em baterias, e em sistemas fotovoltaicos conectados à rede

elétrica, estes são chamados de sistemas on grid (VILLALVA, 2015).

Sistemas fotovoltaicos isolados (off grid), também chamados de autônomos, podem ser

empregados em localidades onde não existe atendimento de uma rede elétrica pública, como

por exemplo em zonas rurais, na praia, camping ou em qualquer outro local onde a eletricidade

não esteja disponível. E ainda podem ser usados na iluminação pública, sinalização em estradas,

alimentação de sistemas de telecomunicação, bombeamento de água, carregamento de baterias

de veículos elétricos movidos a energia solar, entre outros (VILLALVA, 2015).

Ainda existem no Brasil muitas localidades não contempladas com o atendimento de

rede de distribuição elétrica. Nesse lugares os sistemas solares autônomos se apresentam como

uma boa alternativa na substituição de geradores de energia, à combustão interna, movidos a



óleo diesel ou gasolina. Reduzindo os ruídos, a geração de gases causadores do efeito estufa e

principalmente eliminando a necessidade de geração de combustível. A Figura 2.9 apresenta

um sistema fotovoltaico instalado em uma comunidade rural.

Figura 2.8 - Unidade solar fotovoltaica

Fonte: CRESESB, 2014

Sistemas isolados são compostos normalmente por uma placa ou conjunto de placas

geradoras fotovoltaicas, um controlador de carga, uma bateria ou banco de baterias (sistema

armazenador de energia) e de acordo com a aplicação um inversor de tensão. A energia

produzida nas placas é armazenada nas baterias depois de passar pelo controlador de carga, que

promove a correta conexão entre os painéis fotovoltaicos e as baterias, e ainda evita que estas

sejam sobrecarregadas ou descarregadas em demasia, o que influencia na vida útil do

equipamento, alguns controladores mais modernos contam com o rastreamento do ponto de

máxima potência do módulo, buscando o aumento da eficiência do sistema. A utilização de

baterias se justifica porque a geração energética e o consumo nem sempre são simultâneos,

devido ao caráter intermitente da incidência da radiação solar. Dessa maneira, a presença de um

dispositivo armazenador de energia fomenta um fornecimento energético constante e linear para

o consumidor e evita o desperdício nos casos de geração elevada e baixo consumo,

armazenando eletricidade para uso posterior, em ocasião de dias nublados, chuvosos ou no

período da noite (CRESESB, 2014).



Quando a aplicação do sistema é constituída de equipamentos de corrente alternada se

emprega um inversor, este converte a eletricidade, de tensão e correte contínuas (CC) e tensão

e corrente alternadas (CA). O inversor adequado deve ser selecionado para cada tipo e porte de

sistema solar fotovoltaico, e ainda de acordo com os equipamentos componentes do sistema

(CRESESB, 2014).

Os sistemas isolados são compostos pelos equipamentos mencionados acima e

organizados como na Figura 2.10 abaixo.

Figura 2.9 - sistema solar fotovoltaico isolado.

Fonte: CRESESB, 2014.

Já os sistemas fotovoltaicos conectados à rede (on grid) são aqueles que a eletricidade

produzida é consumida diretamente pela carga consumidora ou, no caso de excedente de

produção, esta é injetada na rede convencional, e posteriormente, quando não mais houver

excedente de geração energética pelos módulos, a energia retorna ao consumidor em forma de

créditos energéticos. Diferentemente dos sistemas fotovoltaicos autônomos, os sistemas

conectados à rede não demandam o uso de baterias, nem de controladores de carga. São

componentes básicos da geração de energia em sistemas fotovoltaicos conectados à rede apenas

os módulos e os inversores (CRESESB, 2014). Como no esquema da Figura 2.11 abaixo.



Figura 2.10 - Sistema solar fotovoltaico conectado à rede.

Fonte: CRESESB, 2014.

Células fotovoltaicas são agrupadas com o objetivo de se alcançar a potência e a tensão

de operação adequadas ao sistema requerido. O forma de ligação para a formação dos conjuntos

e de um conjunto com os demais depende da tensão de saída do projeto e o número de módulos

varia de acordo com a potência requerida pela carga consumidora. (CRESESB, 2014)

O emprego do inversor se faz necessário pelo fato de que o módulo fotovoltaico gera

corrente contínua, assim como nos sistemas autônomos, esse equipamento, responsável pela

conversão de corrente contínua para corrente alternada, possibilita o suprimento energético de

cargas que utilizam a corrente alternada e a própria conexão com a rede elétrica de distribuição

convencional. (VILLALVA, 2015).

Segundo Villalva (2015), sistemas dessa ordem podem ser classificados em três

categorias distintas, de acordo com as potências instaladas descritas abaixo:

• Usinas de eletricidade: potência instalada acima de 1MW;

• Minigeração: potência instalada entre 100 kW e 1 MW;

• Microgeração: potência instalada de até 100 kW.



Usina fotovoltaicas de geração de energia utilizam transformadores e linhas de

transmissão, de maneira semelhante às usinas hidrelétricas e termoelétricas. Grandes conjuntos

de módulos fotovoltaicos são ligados a inversores centrais que por sua vez são conectados a

cabinas de transformação, que adequam as tensões oriundas do sistema solar às linhas de

transmissão do sistema elétrico. Já os sistemas fotovoltaicos de minigeração, são comumente

instalados em estabelecimentos industriais e comerciais, podendo suprir parcialmente ou

totalmente sua demanda energética, esses empreendimentos buscam reduzir suas despesas com

consumo de energia elétrica, como também, buscam adequar ambientalmente seus processos e

procedimentos com a finalidade de conquistar clientes que levam em consideração tais

características das empresas na escolha de produtos e serviços. E finalmente, os projetos de

microgeração fotovoltaica com potência instalada de até 100 kW, geralmente implantados em

telhados de residências, de simples instalação e exigem poucos equipamentos de proteção

elétrica (VILLALVA, 2015).

As modalidades de mini e microgeração distribuídas de energia fotovoltaica,

mencionadas acima, contam com o sistema de compensação de energia elétrica, instituído pela

Resolução Normativa nº 482 de 17 de abril de 2012, lançada pela Agência Nacional de Energia

Elétrica (ANEEL). Essa resolução, além de outras providências, torna possível a geração de

créditos energéticos nos casos de produção excedente, que podem ser utilizados posteriormente

pelos consumidores responsáveis por sua geração, dessa forma, no prazo de 60 dias, o

consumidor/gerador poderá consumir seus créditos de energia elétrica, nas ocasiões em que seu

sistema esteja gerando energia de maneira insuficiente para suprir a demanda requerida

(ANEEL, 2012).

Durante o dimensionamento de sistemas fotovoltaicos é de extrema importância para o

projetista possuir ferramentas confiáveis para obtenção de dados de irradiação solar do local de

instalação do sistema. Dependendo do porte do projeto, pode ser mais prudente realizar

medições na própria localidade. Para sistemas de grande porte, como uma usina solar, a melhor

opção é a instalação de uma estação solarimétrica para a obtenção de dados mais fiéis à

realidade da região. Contudo, para a realização de dimensionamentos de menor porte é

suficiente confiar em dados já existentes, e para se obter esses dados é possível o uso de

ferramentas de fácil utilização que são os bancos de dados online, como o Sundata, disponível

em: http://www.cresesb.cepel.br/sundata. Segundo informado pelo website, o programa se



baseia em um banco de dados alimentado por 350 pontos de coleta espalhados pelo Brasil e

alguns países vizinhos. Dessa forma, em posse de apenas as coordenadas geográficas do local

o usuário tem acesso a dados de irradiação solar diária distribuído ao longo dos doze meses do

ano (VILLAVA, 2015).

Atualmente disseminação da geração da energia solar fotovoltaica, à nível nacional e

internacional, vem contribuindo fortemente com a produção de eletricidade, para a redução da

emissão de gases causadores do efeito estufa na atmosfera e outros danos ambientais

normalmente causados quando se empregam fontes convencionais de geração de energia

elétrica.



3 MATERIAIS E MÉTODOS

Nesta etapa do trabalho serão apresentadas as metodologias para determinação do valor

da potência nominal do motor elétrico utilizado para movimentar as unidades de bombeio, bem

como, a metodologia para os dimensionamentos das unidades de energia solar fotovoltaica,

tanto para sistemas isolados (off grid), como para sistemas conectados à rede elétrica de

distribuição convencional (on grid). E ainda, será apresentada uma sugestão de disposição dos

poços de petróleo no campo produtor em estudo.

3.1 – Potência do motor elétrico trifásico.

A aplicação de motores elétricos é altamente difundida para movimentar poços que

utilizam o bombeio mecânico como método de elevação artificial. Motores desse tipo são

altamente confiáveis, energeticamente eficientes e exigem pouca manutenção. A escolha

correta do tipo e tamanho do motor de superfície, exige o conhecimento de parâmetros como a

potência no seu eixo, sua potência elétrica nominal, a potência na haste polida, entre outros.

De acordo com Takáks (2003), os cálculos dos valores de potência mencionados acima

são realizados utilizando-se as Equações (1), (2) e (3) abaixo.

A potência requerida no eixo do motor (𝑃𝑚𝑜𝑡), baseada na demanda média de energia

ao longo do ciclo de bombeio, em hp, é determinada conforme a Equação (1).

𝑃𝑚𝑜𝑡 =𝑃𝑅𝐻𝑃

𝜂𝑚𝑒𝑐ℎ (1)

Em que,

𝑃𝑚𝑜𝑡: Potência requerida no eixo do motor, em hp.

𝑃𝑅𝐻𝑃: Potência na haste polida, em hp.

𝜂𝑚𝑒𝑐ℎ: eficiência mecânica da unidade de bombeio.

O valor da eficiência mecânica da unidade de bombeio (𝜂𝑚𝑒𝑐ℎ) é função da potência

requerida na haste polida (PRHP) e da taxa de torque da caixa redutora, sendo encontrado no

eixo vertical do gráfico da Figura 3.1 a seguir.



Figura 3.1 - Gráfico da eficiência mecânica do bombeio.

FONTE: Takács, 2003.

Este gráfico, no seu eixo das abscissas, utiliza valores resultantes da Equação (2) abaixo.

𝐸𝑃𝑅 =4960∗𝑃𝑅𝐻𝑃

𝑇𝑎𝑥𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑛𝑎 𝑐𝑎𝑖𝑥𝑎 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑡𝑜𝑟𝑎 (2)

Onde:

𝑃𝑅𝐻𝑃: Potência na haste polida, em hp.

E assim, com o auxílio do gráfico, utilizando as curvas de unidades novas ou

desgastadas, é possível encontrar o valor da eficiência da unidade de bombeio (𝜂𝑚𝑒𝑐ℎ).

A potência requerida do motor elétrico, trata-se da potência nominal do motor e engloba

as perdas no próprio equipamento e na unidade de bombeio, em hp.

𝑃𝑒 =𝑃𝑚𝑜𝑡

𝜂𝑚𝑜𝑡 (3)

Onde:

𝑃𝑒 : Potência requerida no motor elétrico, em hp.

𝑃𝑚𝑜𝑡: Potência requerida no eixo do motor, em hp.



𝜂𝑚𝑜𝑡: Eficiência do motor elétrico, em hp.

O conhecimento dos parâmetros acima é muito importante no dimensionamento da

unidade, bem como, na mensuração da eficiência energética de seus componentes, nesse caso,

mais especificamente no tocante ao motor elétrico que movimentará o sistema como um todo.

3.2 – Dimensionamento da unidade fotovoltaica autônoma (off grid).

Abaixo estão descritas as etapas para dimensionamento de uma unidade geradora de

energia solar fotovoltaica autônoma de acordo com a metodologia seguida por Villalva (2015).

Primeiramente se procede o cálculo da energia consumida pelo motor elétrico, em

Wh/dia, de acordo com a Equação (4) abaixo.

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 = 𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 (𝑊)𝑥 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜(ℎ) (4)

Calcula-se também a potência do módulo fotovoltaico, em Watts, e a energia produzida

diariamente por módulo fotovoltaico, em Watts hora em um dia (Wh/dia), conforme as

Equações (5) e (6) a seguir.

𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 = 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑢𝑟𝑡𝑜 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑖𝑡𝑜 (𝐴)𝑥 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑢𝑟𝑡𝑜 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑖𝑡𝑜 (𝑉) (5)

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑧𝑖𝑑𝑎 = 𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 (𝑊) 𝑥 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑠𝑜𝑙𝑎çã𝑜 (ℎ) (6)

Então, conhecendo os valores da energia consumida, Equação (4), e da energia

produzida por módulo, Equação (6), é possível calcular o número de painéis fotovoltaicos que

irão compor o sistema, conforme a Equação (7).

𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 (

𝑊ℎ

𝑑𝑖𝑎)

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑧𝑖𝑑𝑎 (𝑊ℎ) (7)



As próximas etapas do dimensionamento são referentes aos parâmetros que formam o

banco de baterias necessário no sistema off grid.

Inicialmente é realizado o cálculo do número de conjuntos de baterias em série que serão

componentes do banco, tal cálculo é em função das tensões do banco e de uma única bateria.

Como na Equação (8) em seguida.

𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 𝑒𝑚 𝑠é𝑟𝑖𝑒 =𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑛𝑜 𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 (𝑉)

𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑎 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 (𝑉) (8)

Nesta etapa, se procede o cálculo da energia que o banco de baterias pode armazenar,

de acordo com a Equação (9).

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑎𝑟𝑚𝑎𝑧𝑒𝑛𝑎𝑑𝑎 𝑛𝑜 𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜 =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎(

𝑊ℎ

𝑑𝑖𝑎)𝑥 𝑁º 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑢𝑠𝑜 𝑑𝑜 𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜

𝑃𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 (9)

Em seguida, é realizado o cálculo da quantidade de energia que uma bateria é capaz de

entregar ao sistema, ou seja, a capacidade de carga da bateria, em Ah, de acordo com a Equação

(10).

𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑎𝑟𝑚𝑎𝑧𝑒𝑛𝑎𝑑𝑎 (𝑊ℎ)

𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑜 𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜 (𝑉) (10)

E por fim, calcula-se o número de baterias do banco de baterias, conforme a equação

(11) a seguir.

𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑗𝑢𝑛𝑡𝑜𝑠 =𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑜 𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜 (𝐴ℎ)

𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑎 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 (𝐴ℎ) (11)

A sequência de cálculos acima permite o conhecimento de parâmetros essenciais da

unidade fotovoltaica autônoma, tais como o número de módulos e a quantidade de baterias que

irão compor o número de baterias. Em seguida, é apresentado resumidamente na Figura 3.2 a

sequência dos cálculos para dimensionamento do sistema fotovoltaico em estudo.



Figura 3.2 - Etapas para dimensionamento do sistema fotovoltaico isolado.

Fonte: autor, 2017.

Além dos parâmetros acima mencionados, na prática da implementação do projeto se

faz necessário o conhecimento de aspectos de cunho mercadológico, de tipos e marcas

diferentes de equipamentos, tais como inversores, controladores de carga, entre outros.

Entretanto, tais conhecimento não são comumente aplicados em trabalhos acadêmicos como

este.

3.3 – Dimensionamento da unidade fotovoltaica conectada à rede.

Para a realização do dimensionamento de um sistema fotovoltaico conectado à rede

deve-se determinar a quantidade de energia que se deseja produzir, para tanto, podem ser

levados em consideração diferentes critérios, dentre eles o consumo mensal da aplicação (fonte

consumidora de energia) do sistema, a área disponível para instalação dos módulos

fotovoltaicos, ou ainda o critério econômico, de acordo com o limite do investimento que o

consumidor deseja realizar.



Segundo Villalva (2015), para dimensionar um gerador solar fotovoltaico conectado à

rede deve-se conhecer o consumo médio anual de energia da aplicação em kWh/ano. O próximo

passo é conhecer o valor da potência teórica do gerador de energia solar, calculado através da

Equação (12).

𝑃𝐹𝑉 =C

Irr

F (12)

Onde:

𝑃𝐹𝑉: Potência teórica do sistema fotovoltaico (kWp).

C: Consumo anual de energia (kWh/ano).

Irr: Irradiação solar (kWh/m²/ano).

F: Fator de performance do sistema.

O valor do fator de performance do sistema (F) é convencionado entre 0,75 e 0,80, e

leva em conta as perdas do sistema, que por sua vez, são provocadas por sombreamentos e

sujeiras nos painéis, temperaturas elevadas, entre outras causas.

Depois de se obter o valor da potência teórica do sistema, realiza-se o cálculo da

quantidade de painéis fotovoltaicos necessários para compor a unidade geradora idealizada.

Para tal, deve-se dividir o valor da Potência teórica, Equação (12), pela potência nominal do

painel fotovoltaico, dado disponível pelo fabricante do equipamento. Na Tabela 3.1 estão

descritos alguns parâmetros elétricos relevantes de um dos painéis fotovoltaicos mais utilizados

em sistemas solares na atualidade.

Tabela 3.1- Algumas características elétricas dos painéis fotovoltaicos.

Máxima potência nominal 275 W

Tensão de operação 31,3 V

Corrente de operação 8,80 A

Tensão de circuito aberto 38,3 V

Corrente de curto circuito 9,31 A

Eficiência do módulo 16,80%

Fonte: adaptado de Canadian Solar, 2017.



As etapas seguintes do dimensionamento são: a seleção dos inversores (porte e marca),

do tipo arranjo dos painéis (série e paralelo) e por fim, definição dos equipamentos de proteção

elétrica do sistema.

3.4 – Disposição dos poços de petróleo no campo produtor.

O campo produtor, objeto deste estudo, é composto por dez poços produtores de

petróleo, sendo todos equipados com bombeio mecânico como método de elevação artificial.

Sugere-se dispor os poços dentro da área do campo produtor de modo a formar duas fileiras

com cinco poços em cada, sendo a distância entre os poços de 50 metros e destes para o limite

do campo de 25 metros, de acordo com a Figura 3.2 a seguir.

Figura 11.2 - Layout do campo produtor de petróleo.

Fonte: autor, 2017.

Dessa forma, foi possível concluir que o campo em análise possui uma área total de

25000 m², formando um retângulo de dimensões de 100 por 250 metros.



4 RESULTADOS E DISCUSSÕES

Nesta etapa serão apresentados os resultados dos dimensionamentos das unidades

geradoras de energia elétrica através de sistema fotovoltaico isolado e conectado à rede elétrica,

capaz de alimentar eletricamente o campo produtor em questão, bem como, os cálculos

utilizados para encontrar a potência nominal dos motores elétricos trifásicos que serão

empregados para mover as unidades de bombeio. Para tanto, foi preciso conhecer algumas

características dos reservatórios de petróleo da região, com a finalidade de se selecionar

equipamentos de bombeio adequados, mais especificamente o dimensionamento da potência de

um motor capaz de movimentar satisfatoriamente uma unidade de bombeio mecânico a ser

empregada em poços da região de implementação do trabalho.

4.1 - Dimensionamento da potência nominal dos motores elétricos das unidades

de bombeio

A metodologia utilizada para os cálculos da potência de um motor elétrico adequado

para a aplicação proposta foi descrita por Takács (2003). Na Equação (1), para encontrar o valor

da potência requerida no eixo do motor (𝑃𝑚𝑜𝑡), utilizou-se o valor da potência da haste polida

(PRHP), de acordo com dados coletados em poços da região, de 1,68 hp. Já a eficiência

mecânica da unidade de bombeio (𝜂𝑚𝑒𝑐ℎ) foi encontrada através do gráfico da Figura 3.1, e

com o auxílio da Equação (2) que, por sua vez, depende da PRHP e da taxa de torque utilizada

na unidade de bombeio, sendo que os valores utilizados são respectivamente: 1,68 hp e 25000

psi, segue o cálculo a seguir.

EPR=4960∗1,68

25000 = 0,333

Utilizando o valor encontrado (0,333) no eixo das abcissas no gráfico da Figura 3.1,

encontrou-se no eixo vertical, através da curva de uma unidade de bombeio nova, o valor de

0,69 que corresponde a eficiência mecânica da unidade de bombeio (𝜂𝑚𝑒𝑐ℎ). Como apresentado

na Figura 4.1 a seguir.



Figura 12 - Gráfico da eficiência mecânica do bombeio assinalado com valores.

Fonte: adaptado de TAKÁCS, 2003.

E assim, voltando a Equação (1), foi encontrado o valor da potência no eixo do motor

(𝑃𝑚𝑜𝑡) de 2,435 hp, conforme apresentado a seguir.

𝑃𝑚𝑜𝑡 =1,68

0,69= 2,435 ℎ𝑝

E finalmente, para o cálculo da potência elétrica requerida (𝑃𝑒), conforme a Equação

(3), Utilizou-se 2,435 HP como valor da (𝑃𝑚𝑜𝑡), encontrado na Equação (1), e para a eficiência

do motor elétrico (𝜂𝑚𝑜𝑡), adotou-se para o cálculo, 90% de eficiência. Dessa forma, foi possível

encontrar o valor da potência elétrica requerida, apresentado abaixo.

𝑃𝑒 =2,435

0,90 = 2,70 hp

Os resultados do dimensionamento acima estão apresentados na tabela a seguir.



Tabela 4.1- Resultados do dimensionamento da potência dos motores elétricos das unidades de

bombeio.

Potência requerida no eixo do motor (hp) 2,435 hp

Eficiência mecânica da unidade de bombeio

(𝜂𝑚𝑒𝑐ℎ)

0,69

Eficiência do motor elétrico (𝜂𝑚𝑜𝑡) 0,90

Potência elétrica requerida (𝑃𝑒) 2,70 hp

O valor final da potência elétrica requerida para o motor (𝑃𝑒), por simplicidade e por

questão de disponibilidade no mercado, foi arredondado para 3 hp, ou se transformado em

Watts, 2237 W.

4.2 - Dimensionamento de uma unidade solar fotovoltaica autônoma geradora de

energia elétrica

Para suprir energeticamente um poço do presente estudo foi idealizada uma unidade de

solar fotovoltaica autônoma, de acordo com as equações apresentadas na etapa da

fundamentação teórica. Os resultados do dimensionamento estão descritos na Tabela 4.2

abaixo.



Tabela 4.2 - Resultados do dimensionamento da unidade solar fotovoltaica isolada para um poço.

Potência nominal do motor (W) 2237

Energia diária consumida por motor

(Wh/dia)

53688

Energia produzida diariamente por módulo

(Wh)

825,6

Número de módulos fotovoltaicos 65

Energia armazenada no banco de baterias

(Wh)

241596

Número de baterias no banco 82

Os cálculos acima foram realizados utilizando os dados de um dos módulos

fotovoltaicos mais utilizados em sistema geradores de energia fotovoltaica, conforme o data

sheet de seu fabricante, assumindo oito horas de insolação por dia no local e tensão de operação

nos painéis de 24V. as baterias utilizadas no banco de baterias são do tipo estacionárias de

chumbo ácido de 12V de tensão e de profundidade de descarga máxima de 30%, esse banco de

baterias é capaz de fornecer energia elétrica suficiente para movimentar a unidade de bombeio

do poço durante três dias inteiros sem incidência de raios solares sobre os painéis da unidade

fotovoltaica.

Dessa maneira, a unidade solar fotovoltaica, a ser utilizada para suprir energeticamente

um poço equipado com bombeio mecânico como método de elevação artificial, é composto por

65 painéis fotovoltaicos e um banco de baterias compostos por 42 conjuntos de 2 baterias em

série cada, por consequência, o sistema solar fotovoltaico idealizado para suprir

energeticamente o campo produtor como um todo, que é formado por 10 poços de petróleo

(assumindo um fator de segurança de 20% para suprir as perdas energéticas nos cabeamentos e

alimentar os sistemas de automação e coleta de dados presentes no poços), é composto por:

Número de painéis fotovoltaicos: 65 painéis x 10 poços x 1,2 = 780 painéis.

Banco de baterias: 42 conjuntos de baterias x 10 poços x 1,2 = 504 conjuntos de baterias.



4.3 - Dimensionamento de uma unidade solar fotovoltaica conectada à rede

geradora de energia elétrica.

O dimensionamento do sistema solar fotovoltaico conectado à rede, assim como o

sistema autônomo, seguiu a metodologia descrita por Villalva (2015), apresentada na etapa de

materiais e métodos deste trabalho.

Primeiramente obteve-se os dados de consumo anual de energia em kWh/ano do motor

elétrico a ser empregado nas unidades de bombeio dos poços e os dados de irradiação solar

média em kWh/m²/ano, da localidade escolhida para a implementação do projeto (Canto do

Amaro). Os valores são 19596,99 kWh/ano para o consumo do motor elétrico e o valor de

irradiação é 1704,55 kWh/m²/ano. Em seguida calcula-se o valor da potência teórica descrita

na Equação (12), de acordo com o descrito abaixo.

𝑃𝐹𝑉 =

19596,99 kWh/ano

1704,55kWhm2 /ano

0,75= 15,33 𝑘𝑊𝑝

Para determinar a quantidade de painéis fotovoltaicos divide-se o valor da potência

teórica calculada acima pela potência nominal de cada painel em Watts pico (wp), como na

fração abaixo tem-se o seguinte resultado.

𝑄𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑖𝑛é𝑖𝑠 = 15330 𝑤𝑝

275 𝑤𝑝= 55,745 𝑝𝑎𝑖𝑛é𝑖𝑠

Como não é possível fracionar o número de painéis, de acordo com o cálculo acima, são

empregados 56 painéis solares na unidade geradora fotovoltaica conectada à rede elétrica de

energia.

Então, para suprir energeticamente um poço produtor de petróleo equipado com

bombeio mecânico são necessários 56 painéis fotovoltaicos. Todos os resultados obtidos são

apresentados na Tabela a seguir.



Tabela 4.3 - Resultados obtidos do dimensionamento da unidade fotovoltaica conectada à rede para um

poço.

Consumo anual de energia (C) 19596,99 kWh/ano

Irradiação solar (Irr) 1704,55 kWh/m²/ano

Fator de performance (F) 0,75

Potência teórica (𝑃𝐹𝑉) 15,33 𝑘𝑊𝑝

Potência nominal do painel fotovoltaico 275 wp

Quantidade de painéis por poço 56

Por consequência, para o campo produtor de dez poços e, como no sistema isolado,

assumindo uma margem de segurança de 20% para cobrir as perdas energéticas, a unidade solar

fotovoltaica conectada à rede é constituída por 672 painéis geradores de energia fotovoltaica.

E, por não haver a necessidade de um sistema de armazenamento de eletricidade, não é preciso

o emprego de um banco de baterias. Segue abaixo a Tabela 4.3 apresentando um comparativo

entre os dois sistemas.

Tabela 4.4 - Comparativo entre os sistemas fotovoltaicos off grid e on grid para o campo produtor.

Equipamento Sistema off grid Sistema on grid

Número de painéis 780 672

Número de baterias 504 -



5 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES

A quantidade de energia elétrica gerada através de painéis solares fotovoltaicos cresce

exponencialmente em todo o mundo, devido principalmente a queda do custo médio da

eletricidade gerada por sistemas solares, o aumento da eficiência de seus equipamentos, bem

como, uma maior preocupação da sociedade atual com relação as questões ambientais ligadas

a geração de energia.

Nesse contexto, a utilização de energia solar fotovoltaica, se mostra uma boa alternativa

para suprir energeticamente os poços de petróleo do campo em estudo. Tanto para mitigar ou

eliminar os custos energéticos do bombeio, seja com eletricidade ou com combustíveis, no caso

dos motores para bombeio movidos à combustão interna, como para tornar a produção do

petróleo um pouco menos agressiva ao meio ambiente.

Para o dimensionamento da potência elétrica dos motores trifásicos componentes das

unidades de bombeio dos poços produtores de petróleo, objetos de estudo deste trabalho, foi

utilizada a metodologia apresentada por Takács (2003), em seu livro Sucker-Rod Pumping

Manual. De maneira semelhante, a metodologia aplicada para os dimensionamentos das

unidades solares fotovoltaicas, tanto a isolada (off grid), quanto a conectada à rede (on grid),

foi proposta por Villalva (2015), em seu livro Energia solar fotovoltaica: conceitos e aplicações.

Durante as etapas de realização do projeto foi possível constatar tecnicamente que os

sistemas fotovoltaicos geradores (isolados e conectados à rede) têm a capacidade de gerar a

potência requerida para suprir a demanda energética dos dez poços produtores que compõem o

campo petrolífero em análise.

Notoriamente, sistemas fotovoltaicos conectados à rede apresentam larga vantagem

frente à sistemas isolados (autônomos), pois não demanda nenhum equipamento para o

armazenamento de energia, ou seja, o banco de baterias. Permitindo redução do investimento

inicial bem como dos custos com manutenção dos sistemas para uma possível implementação

prática do projeto.

Como recomendação para projetos futuros na mesma linha de atuação deste pode-se

propor a associação do uso de fontes renováveis, como energia solar, em campos de petróleo

com a aplicação de metodologias de controle e aumento da eficiência do consumo de energia



dos poços, tal como, a implementação da metodologia do controle de pump off, citada neste

trabalho.

Também, como recomendação pode-se propor a implementação de sistemas híbridos,

constituídos por equipamentos de energia fotovoltaica e aerogeradores operando

alternadamente com motores a diesel (geradores) para suprir a demanda energética dos campos

produtores.



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DIMENSONAMENTO DE EQUIPAMENTOS DE …...Dimensionamento de equipamentos de energia solar fotovoltaica aplicados ao bombeio mecânico com hastes. 2017. 53 f. TCC (Graduação) - Curso