Www.unlock-PDF.com_MAT 3 - Monopoli10000529

SISTEMAS FOTOVOLTAICOS PARA BOMBEAMENTO DE GUA

Daniel Augusto Pereira de S

PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE

ENGENHARIA ELTRICA DA ESCOLA POLITCNICA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSRIOS

PARA OBTENO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA.

Aprovado por:

______________________________

Prof. Jorge Luiz do Nascimento, Dr. Eng.

(Orientador)

______________________________

Prof. Lus Guilherme Barbosa Rolim, Dr. Ing.

______________________________

Prof. Walter Issamu Suemitsu, Dr. Ing.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

NOVEMBRO DE 2010

i

AGRADECIMENTOS:

Primeiramente minha famlia por tornar este momento possvel e por servirem de

inspirao.

Em segundo, mas no menos importante, Marcela Jardim, minha companheira, por todas as

nossas conversas e trocas. Obrigado por fazer parte da minha vida.

Aos amigos da Equipe Berimbal, meus companheiros que tornaram esta jornada um pouco

mais prazerosa e engraada.

Aos amigos do Prola Verde por tudo que j passamos juntos.

Ao Professor Jorge Luiz, orientador deste trabalho e sempre disposto a ajudar.

E a todos aqueles que de alguma forma fizeram parte desta histria...

ii

RESUMO.

Uma das maiores preocupaes do mundo atual a necessidade de ser obter energia

atravs de fontes limpas. Os sistemas fotovoltaicos surgem como alternativa para esse

problema.

Este trabalho discutir a utilizao da energia solar fotovoltaica aplicada para o

bombeamento de gua. A partir dos casos que sero apresentados ser possvel analisar que a

energia fotovoltaica confivel e serve de soluo para o problema de abastecimento

residencial de gua e tambm para o desenvolvimento da agricultura em regies que no tem

acesso a rede eltrica.

iii

Sumrio

1. INTRODUO. ......................................................................................................... 1

2. ENERGIA SOLAR. .................................................................................................... 2

2.1 O EFEITO FOTOVOLTAICO. ................................................................................... 2

2.2 APLICAES DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA. ...................................... 5

3. DEFINIO DOS EQUIPAMENTOS. ...................................................................... 7

3.1 ARRANJOS FOTOVOLTAICOS ............................................................................... 7

3.2 BOMBAS. .................................................................................................................. 8

3.2.1 BOMBA CENTRFUGA. ........................................................................................... 9

3.2.2 BOMBA AUTO-ESCORVANTE. ............................................................................ 10

3.3 BATERIAS. .............................................................................................................. 11

3.3.1 BATERIAS PARA USO EM SISTEMAS FOTOVOLTAICOS. ............................... 12

3.4 INVERSORES. ......................................................................................................... 13

3.5 CONTROLADORES DE CARGA. ........................................................................... 15

4. APLICAO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS PARA O BOMBEAMENTO DE

GUA. ................................................................................................................................ 17

4.1 IRRIGAO. ........................................................................................................... 17

4.2 ABASTECIMENTO RESIDENCIAL. ...................................................................... 18

4.3 CIRCULAO DE GUA EM PISCINAS. ............................................................. 19

4.4 ESGOTAMENTO. .................................................................................................... 19

4.5 REFRIGERAO. ................................................................................................... 20

4.6 PECURIA .............................................................................................................. 20

iv

5. ANLISE DOS SISTEMAS PROPOSTOS. ............................................................. 21

5.1 BOMBEAMENTO DE GUA PARA IRRIGAO. ............................................... 22

5.1.1 REDUZINDO O TEMPO DE CARREGAMENTO DAS BATERIAS E

AUMENTANDO A CONFIABILIDADE DO SISTEMA. ................................................... 29

5.1.2 INVESTIMENTO INICIAL. ..................................................................................... 35

5.2 BOMBEAMENTO DE GUA PARA USO RESIDENCIAL. .................................. 35

5.2.1 BOMBEAMENTO DE GUA PARA USO RESIDENCIAL COM

ARMAZENAMENTO DE ENERGIA. ................................................................................ 36

5.2.1.1 REDUZINDO O TEMPO DE CARREGAMENTO DAS BATERIAS E

AUMENTANDO A CONFIABILIDADE DO SISTEMA. ................................................... 40

5.2.1.2 INVESTIMENTO INICIAL. .............................................................................. 45

5.2.2 BOMBEAMENTO DE GUA PARA USO RESIDENCIAL SEM

ARMAZENAMENTO DE ENERGIA. ................................................................................ 46

5.2.2.1 INVESTIMENTO INICIAL. .............................................................................. 53

6. CONCLUSO. ......................................................................................................... 54

7. BIBLIOGRAFIA....................................................................................................... 55

v

ndice de figuras

Figura 1 - Esquema simplificado de uma clula fotovoltaica. ................................................. 3

Figura 2 - Curva caracterstica V x I.. ..................................................................................... 4

Figura 3 - Curva caracterstica V x P.. ................................................................................... 4

Figura 4 - Parmetros de mxima potncia.. ........................................................................... 4

Figura 5 - Perfis de radiao solar diria com valores equivalentes de Sol Pleno. ................... 8

Figura 6 - Bomba centrfuga................................................................................................... 9

Figura 7 - Bomba auto-escorvante. ....................................................................................... 10

Figura 8 - Formas de ondas de inversores monofsicos. ....................................................... 14

Figura 9 - Forma de onda PWM senoidal. ............................................................................ 15

Figura 10 - Diagrama esquemtico de um controlador de carga. ........................................... 16

Figura 11 - Sistema de bombeamento fotovoltaico do Municpio de Capim Grande. ............ 18

Figura 12 - Sistema de bombeamento fotovoltaico de Santa Cruz I, So Paulo. .................... 19

Figura 13 - Sistema fotovoltaico para bombeamento de gua para irrigao. ........................ 22

Figura 14 - Curva NH para seleo de fusveis. .................................................................... 32

Figura 15 - Desenho esquemtico do sistema proposto. ........................................................ 34

Figura 16 - Exemplificao de um sistema solar fotovoltaico, com armazenamento de energia,

para bombeamento de gua para uso residencial. .................................................................. 36


Figura 18 - Sistema fotovoltaico, sem armazenamento de energia, para bombeamento. ........ 46

Figura 19 - Sistema fotovoltaico proposto. ........................................................................... 49


vi

ndice de tabelas

Tabela 1 - Radiao mdia mensal para o bairro de Santa Cruz - RJ. .................................... 21

Tabela 2 - Especificaes da bomba selecionada. ................................................................. 23

Tabela 3 - Especificao dos painis solares. ........................................................................ 23

Tabela 4 - Especificao das baterias. .................................................................................. 26

Tabela 5 - Especificaes do inversor. .................................................................................. 31

Tabela 6 - Especificaes do controlador de carga. ............................................................... 32

Tabela 7 - Estimativa do custo inicial do projeto. ................................................................. 35

Tabela 8 - Especificao da bomba selecionada.................................................................... 37

Tabela 9 - Especificaes do controlador de carga. ............................................................... 43

Tabela 10 - Estimativa do custo inicial do projeto. ............................................................... 45

Tabela 11 - Especificaes da bomba selecionada. ............................................................... 47

Tabela 12 - Especificao do painel fotovoltaico selecionado. .............................................. 47

Tabela 13 - Caractersticas eltricas da motobomba alimentada em corrente contnua. ......... 50

Tabela 14 - Estimativa do custo inicial do projeto. ............................................................... 53

vii

Lista de Smbolos Utilizados.

I Corrente.

V Tenso.

ISC Corrente de curto circuito da clula fotovoltaica.

VOC Tenso de circuito aberto da clula fotovoltaica.

PM Potncia mxima da clula fotovoltaica.

VMP Tenso de mxima potncia.

IMP Corrente de mxima potncia.

PB Potncia eltrica da bomba.

EB Energia consumida pela bomba.

SP Nmero de horas a Sol Pleno.

EP Energia gerada por um painel fotovoltaico.

PP Potncia de um painel fotovoltaico.

n Nmero de painis do arranjo fotovoltaico.

ES Energia gerada pela arranjo fotovoltaico.

EE Energia excedente.

CB Consumo da bomba.

CR Capacidade do banco de baterias.

viii

NB Nmero de baterias utilizadas.

d Dias necessrios para a recarga do banco de baterias.

ICCA Corrente de curto circuito do arranjo fotovoltaico.

IM Corrente mnima necessria ao controlador de carga.

p Nmero de controladores de carga em paralelo.

1

1. INTRODUO.

Devido a sua ampla aplicao, que vai desde fornecimento de energia reas remotas

at sistemas que garantem a continuao do servio em reas urbanas, o aproveitamento da

energia solar vem sendo umas das principais alternativas energticas para o desenvolvimento

do mundo atual.

Visto pelo lado do desenvolvimento social, a energia solar fotovoltaica desempenha

um importante papel em reas isoladas ao redor do mundo. A gerao de energia eltrica a

partir da converso direta da luz em eletricidade garante o suprimento de gua e luz para

regies que no tem acesso rede de distribuio. Por outro lado, um sistema solar

fotovoltaico pode ser usado de forma complementar para garantir o suprimento de energia

eltrica nas regies urbanas caso ocorra uma interrupo no fornecimento ou ento como

ferramenta para se economizar com a conta de luz.

Este trabalho possui dois objetivos principais. O primeiro deles pretende mostrar

aplicaes em que os sistemas fotovoltaicos para bombeamento de gua possam ser

utilizados. Alguns casos sero apresentados e em seguida comentados, mostrando seus prs e

contras.

O segundo objetivo dimensionar e projetar trs sistemas fotovoltaicos. Um para

irrigao, outro para o abastecimento de uma comunidade e por ltimo um sistema para

abastecimento residencial de forma individual. Para todos os casos ser utilizado o mtodo

simplificado para o dimensionamento do sistema solar fotovoltaico. Ao final de cada caso

ser apresentada uma estimativa do investimento inicial para a implantao do mesmo.

2

2. ENERGIA SOLAR.

Energia solar o nome dado a qualquer tipo de captao de radiao proveniente do

sol e posterior transformao em alguma forma utilizvel pelo homem. a fonte de quase

todos os recursos energticos da Terra.

Existem diversas maneiras de se converter a energia solar e uma delas atravs do

efeito fotovoltaico que ocorre em dispositivos que so chamados de clulas fotovoltaicas.

2.1 O EFEITO FOTOVOLTAICO.

O efeito fotovoltaico consiste na propriedade dos semicondutores de apresentarem

uma diferena de potencial quando atingidos por feixes de luz. Foi observado pela primeira

vez em 1839 por Edmund Becquerel que produziu corrente eltrica expondo dois eletrodos de

prata luz[1]

. Em 1877 foi construda a primeira clula fotovoltaica sendo que esta

apresentava um rendimento baixssimo e consequentemente no houve desenvolvimento da

mesma. Somente em 1954 foi publicado o primeiro artigo[2]

sobre clulas fotovoltaicas de

Silcio, que apresentavam um rendimento de aproximadamente 4,5%. O rendimento de uma

clula fotovoltaica definido como a razo entre a potncia da luz incidente e a potncia

eltrica disponvel nos terminais. A produo industrial da clula somente iniciou-se em 1956.

Para clulas de silcio, o valor mximo obtido de aproximadamente 24,4%.

O Silcio, que utilizado na construo das clulas fotovoltaicas, um material

semicondutor e no possui uma condutividade eltrica muito elevada. Para contornar esta

condio utiliza-se um processo chamado dopagem, onde outros elementos so misturados ao

cristal de Silcio. No caso das clulas fotovoltaicas, o Silcio passa por dois processos de

dopagem; um com Fsforo (Silcio tipo N) e outro com Bro (Silcio tipo P).

3

Cada uma das clulas apresenta uma fina camada de material tipo N e outra de

material tipo P, como pode ser visto na Figura 1.

Figura 1 - Esquema simplificado de uma clula fotovoltaica.

Quando h incidncia de luz sobre a clula fotovoltaica, h a formao de um campo

eltrico entre as camadas P e N e os eltrons so orientados a flurem da camada P para a

camada N. importante frisar que separadamente as camadas so eletricamente neutras.

Cada clula com cerca de 100 mm gera em seus terminais uma tenso entre 0,5 e 1 V.

Como o valor muito baixo, as clulas so montadas em srie para alcanar tenses da ordem

de 12 V em corrente contnua. Estes mdulos podem ser utilizados individualmente, em srie

e/ou em paralelo dependendo da aplicao dos mesmos.

As curvas caractersticas "V x I", "V x P" e os parmetros de mxima potncia de uma

clula de silcio para um certo valor de radiao podem ser observadas nas Figuras 2, 3 e 4.

4

Figura 2 - Curva caracterstica V x I.

Adaptado do Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos, CEPEL.

Figura 3 - Curva caracterstica V x P.


Figura 4 - Parmetros de mxima potncia.


5

Das figuras mostradas acima, temos que: ISC corresponde a corrente de curto circuito

da clula, VOC a tenso de circuito aberto, Pm a potncia mxima, Vmp a tenso de

mxima potncia e Imp a corrente de mxima potncia.

De acordo com a Figura 4, o ponto de mxima potncia aquele para o qual a mxima

potncia extrada do painel fotovoltaico e se localiza no "joelho" da curva V x I. Logo, para

esse ponto da curva apresentada, o produto da tenso pela corrente apresenta o seu maior

valor.

2.2 APLICAES DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA.

Qualquer tipo de carga acionada por eletricidade passvel de alimentao via energia

solar fotovoltaica, basta que o sistema seja corretamente projetado. As aplicaes mais

comuns so apresentadas abaixo.

Irrigao;

Alimentao de equipamentos de telecomunicao em locais remotos;

Fornecimento de energia a pequenos povoados ou residncias individuais;

Sistemas de emergncia;

Sinalizao de estradas e portos;

Cerca eltrica;

Bombeamento de gua;

Equipamentos de uso martimo;

6

Iluminao de reas abertas (praas, jardins, estacionamentos, reas de lazer).

Para este trabalho, sero considerados apenas sistemas que envolvam bombeamento de

gua. No Captulo 4 sero apresentadas algumas dessas aplicaes com suas vantagens e

desvantagens.

7

3. DEFINIO DOS EQUIPAMENTOS.

Neste captulo, iremos apresentar a teoria referente aos equipamentos que sero

utilizados para o dimensionamento dos sistemas fotovoltaicos que sero estudados mais a

frente.

3.1 ARRANJOS FOTOVOLTAICOS

Arranjo fotovoltaico o conjunto por mdulos fotovoltaicos ligados eletricamente

entre si e que funcionam como um nico gerador de energia eltrica. Como dito

anteriormente, os mdulos podem ser ligados entre si em paralelo ou em srie, dependendo da

sua aplicao. Quando feita a ligao srie, as tenses so somadas e a corrente permanece

inalterada. Quando temos uma ligao em paralelo, as tenses nas clulas so iguais e as

correntes so somadas.

Para o correto dimensionamento dos mdulos, necessrio que se conhea o

comportamento da carga bem como o seu ciclo de utilizao. Deve-se levar em considerao

tambm alguns fatores que influenciam na potncia de sada dos painis, tais como:

Sombreamento devido a projeo do que se encontra ao redor;

Intensidade luminosa;

Inclinao;

Temperatura das clulas;

Nebulosidade.

8

Um dado de extrema importncia o nmero de horas de Sol Pleno, que corresponde

ao nmero equivalente de horas com radiao constante e igual a 1 kW/m, de forma que a

energia total diria acumulada mantida[1]

. A Figura 5 mostra dois perfis de radiao solar

diria onde a rea da figura formada pela curva corresponde quantidade de energia

acumulada no perodo em questo. Dividindo-se a rea da curva pelo valor de 1 kW/m

encontraremos o total de horas a Sol Pleno.

Figura 5 - Perfis de radiao solar diria com valores equivalentes de Sol Pleno.

Disponvel no Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos, CEPEL.

3.2 BOMBAS.

Bomba o dispositivo que adiciona energia aos lquidos e tem como finalidade

facilitar o movimento dos mesmos[3]

. A energia tomada de um eixo, de uma haste ou de um

outro fluido e transmitida atravs do aumento de presso, aumento de velocidade ou aumento

de elevao ou combinao destas formas de energia. As bombas de uma maneira geral

apresentam as seguintes caractersticas:

9

Resistncia: adequadas para resistir aos esforos mecnicos provenientes da operao;

Facilidade de operao: adaptveis s mais diversas fontes de energia;

Manuteno simplificada;

Alto rendimento: transformao de energia com o mnimo de perdas.

Economia: custos de aquisio e operao compatveis com as condies de mercado.

Existe uma infinidade de tipos de bombas, porm para este trabalho sero

consideradas apenas as bombas do tipo centrfuga e auto-escorvante.

3.2.1 BOMBA CENTRFUGA.

o tipo de bomba mais utilizado para bombeamento de gua. Seu funcionamento se

d em consequncia da rotao de um eixo no qual acoplado um disco dotado de hlices

(rotor). O eixo recebe o fluido pelo seu centro e o expulsa para os lados devido ao da

fora centrfuga.

Figura 6 - Bomba centrfuga.

Disponvel em http://www.schneider.ind.br/.

10

3.2.2 BOMBA AUTO-ESCORVANTE.

Bomba auto-escorvante aquela que retira lquido de um reservatrio que fica a um

nvel inferior a ela, ou seja, no precisa trabalhar inundada ao lquido. No momento da

partida, o lquido retido em reservatrio auxiliar da bomba liberado e preenche a tubulao,

dando condies de partida bomba. A maioria das bombas, a centrfuga por exemplo, no

conseguem puxar lquido nesta condio devido ao ar existente na tubulao. Da a

necessidade de ser ter bombas auto-escorvantes.

Figura 7 - Bomba auto-escorvante.

Disponvel em http://www.dancor.com.br/.

11

3.3 BATERIAS.

Bateria um dispositivo que armazena energia qumica e a disponibiliza sob a forma

de energia eltrica. Podem ser classificadas em recarregveis e no-recarregveis

As baterias no recarregveis so compostas por clulas primrias e possuem vida til

limitada. Seu ciclo chega ao fim assim que so descarregadas por completo. So normalmente

utilizadas para aplicaes de baixa potncia.

As clulas secundrias so encontradas nas baterias recarregveis e so comumente

chamadas de baterias de armazenamento. So baterias de uso geral, utilizadas nas mais

diversas aplicaes, podendo ser usadas durante longos perodos.

Para cada tipo de bateria existe uma infinidade de formas de construo e uma outra

grande variedade de materiais que as compe. Atualmente, as baterias recarregveis mais

utilizadas so compostas de chumbo-cido e on ltio. Quanto aplicao, podem ser

classificadas como:

Automotivas - so aquelas que projetadas para descargas rpidas com alta taxa de

corrente e baixa profundidade de descarga.

Trao - so projetadas para operar em regime de ciclos dirios profundos e com taxa

de descarga moderada

Estacionrias - baterias que permanecem em flutuao e so solicitadas

ocasionalmente para ciclos de carga e descarga. So utilizadas em sistemas de

emergncia.

12

Fotovoltaicas - so aquelas que devem suportar descargas profundas quando

solicitadas na ausncia de Sol.

Uma outra forma de se classificar as baterias recarregveis quanto forma de

confinamento do eletrlito. Assim sendo, podem ser:

Abertas: quando h a necessidade de se verificar o nvel do eletrlito.

Seladas: tambm conhecidas como "sem manuteno", pois no necessitam da adio

de lquido.

A eficincia das baterias recarregveis est diretamente relacionada com a forma com

que utilizada. Alguns procedimentos podem ser tomados para aumentar a vida til da

bateria; so eles: manuteno do estado de carga, operao em ambientes de temperatura

controlada e controle de sobrecarga.

3.3.1 BATERIAS PARA USO EM SISTEMAS FOTOVOLTAICOS.

Para utilizao em sistemas fotovoltaicos, a bateria deve atender a dois tipos de ciclos:

ciclos rasos a cada dia e ciclos profundos por vrios dias. Outros fatores que devem ser

observados:

Baixa taxa de auto-descarga (processo espontneo em que a bateria descarrega atravs

de processos qumicos internos);

Elevada vida cclica (nmero de ciclos que uma bateria pode ser submetida antes de

apresentar falhas que comprometam o seu correto funcionamento);

13

Confiabilidade (capacidade de atender a carga de forma ininterrupta e sem falhas

durante o seu ciclo de funcionamento).

As mais utilizadas em sistemas fotovoltaicos so as baterias de chumbo-cido, porm

as baterias de nquel-cdmio so as que apresentam caractersticas mais prximas das ideais;

porm seu elevado custo impede que seja utilizada em larga escala.

3.4 INVERSORES.

Inversor um dispositivo eltrico que utiliza um mecanismo de chaveamento

(transistores, IGBT ou MOSFET) para alternar o fluxo de corrente sendo assim capaz de

converter corrente contnua(CC) em corrente alternada(CA). Normalmente possui tenso de

entrada de 12, 24 ou 48 V (CC) e converte em 127 ou 220 V (CA). Com isso, possvel

utilizar equipamentos projetados para funcionar em corrente alternada a partir de uma fonte de

corrente contnua.

Os inversores so classificados de acordo com a forma de onda produzida em corrente

alternada. Podem ser encontrados nas seguintes formas:

Inversores de onda quadrada: apresentam muitos harmnicos na sada. Geralmente

utilizado para cargas resistivas.

Inversores de onda quadrada modificada: apresentam menor distoro harmnica e a

forma de onda da sada aproxima-se mais de uma onda senoidal. Adequado para

alimentar lmpadas, equipamentos eletrnicos e motores.

14

Inversor de onda senoidal: so os que produzem tenso de sada e desempenho mais

adequados. Podem operar qualquer aparelho CA.

PWM: baixa distoro harmnica apesar do aspecto visual da forma de onda. No

indicado para equipamentos muito sensveis uma vez que apresenta picos de tenso e

com isso pode atrapalhar o funcionamento do equipamento em questo..

A Figura 8 mostra as formas de ondas tpicas de inversores monofsicos.

Figura 8 - Formas de ondas de inversores monofsicos.

Disponvel no Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos, CEPEL.

Um exemplo de onda PWM senoidal mostrada na Figura 9.

15

Figura 9 - Forma de onda PWM senoidal.

Disponvel em http://www.phph.com.br/Maquinas-Eletricas/

A forma de onda est diretamente relacionada com a qualidade e o custo do inversor.

Sua eficincia geralmente est na faixa de 50 a 90%.

3.5 CONTROLADORES DE CARGA.

Esto presentes na maioria dos sistemas fotovoltaicos e so responsveis pela mxima

transferncia de potncia do arranjo fotovoltaico para o banco de baterias com a finalidade de

carreg-las corretamente[4]

. Possuem funo de proteo contra corrente reversa, carga e

descarga excessiva das baterias e sobrecorrente. Tambm so conhecidos por "Gerenciador de

carga", "Regulador de carga" ou "Regulador de tenso".

Seu funcionamento se d atravs da leitura da tenso das baterias para determinar o

seu estado de carga. Os circuitos internos dos controladores variam, mas a maioria dos

16

controladores fazem a leitura da tenso para controlar a intensidade de corrente que flui para

as baterias na medida em que estas se aproximam da sua carga mxima.

Para o seu correto dimensionamento, primeiramente leva-se em considerao o tipo de

bateria que ser utilizada e em seguida determina-se a tenso e corrente de operao do

sistema. O controlador mais utilizado o do tipo shunt que tem um menor consumo se

comparado ao regulador srie.

Figura 10 - Diagrama esquemtico de um controlador de carga.

http://www.kyocerasolar.com.br/site/arquivos/produtos/19.pdf

17

4. APLICAO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS PARA O BOMBEAMENTO

DE GUA.

Sistemas fotovoltaicos para bombeamento so umas das principais e mais vantajosas

aplicaes da energia solar. Neste captulo sero discutidas algumas aplicaes de sistemas

fotovoltaicos para o bombeamento de gua.

4.1 IRRIGAO.

Consiste em bombear a gua de um reservatrio diretamente para o campo a ser

irrigado. uma alternativa bastante vivel para o desenvolvimento da agricultura, uma vez

que as plantaes se encontram em reas distantes e muitas vezes no so atendidas pela rede

de distribuio de energia eltrica.

Essa tecnologia j vem sendo empregada no Brasil, e dois casos serviro de exemplo

para ilustrar tal situao. Temos no Municpio de Capim Grande, na Bahia[5]

, um sistema

formado por 16 painis M55 da Siemens e uma bomba de superfcie Mc Donald de 1cv CC

que em poca de cheia chega a bombear at 12m de gua por dia, e no Municpio de Po de

Acar, em Alagoas, um outro sistema que capaz de irrigar 1ha atravs do bombeamento de

40m de gua por dia[6]

.

18

Figura 11 - Sistema de bombeamento fotovoltaico do Municpio de Capim Grande.

Disponvel em http://www.cresesb.cepel.br/cresesb.html.

Temos a possibilidade de utilizar uma outra configurao que possibilita o

armazenamento de energia e assegura a irrigao para dias em que a energia gerada pelos

painis fotovoltaicos no suficiente para suprir a demanda da carga. Dessa forma, a

irrigao est garantida independentemente da condio climtica momentnea.

4.2 ABASTECIMENTO RESIDENCIAL.

O abastecimento residencial um dos usos mais difundidos e viveis. O sistema pode

ser dimensionado para atender uma residncia individualmente ou uma pequena comunidade.

Temos alguns exemplos espalhados pelo Brasil.

No necessita de armazenamento de energia, uma vez que a gua bombeada pode ser

estocada em reservatrios e depois usada. Apesar de no ser necessrio, a utilizao de banco

de baterias d uma maior confiabilidade ao sistema evitando que haja desabastecimento.

19

Figura 12 - Sistema de bombeamento fotovoltaico de Santa Cruz I, So Paulo.

4.3 CIRCULAO DE GUA EM PISCINAS.

O arranjo fotovoltaico gera energia eltrica necessria para o funcionamento da bomba

durante o processo de filtragem e circulao da gua na piscina. uma alternativa pouco

explorada por apresentar um alto investimento inicial para um uso que no essencial.

4.4 ESGOTAMENTO.

O sistema pode ser utilizado para esgotar gua de poos artesianos, de minas, de

garagens e subestaes alagadas pelo excesso de chuva. visto como sistema de emergncia

em caso de interrupo no fornecimento de energia eltrica pela rede ou dano s instalaes

de suprimento de energia. necessrio que se use um banco de baterias com uma boa

autonomia para garantir que a gua ser esgotada mesmo em perodos de chuva constante.

20

Muitas vezes a sua utilizao contestada j que os locais onde esse sistema pode ser

instalado ficam em reas urbanas ou com acesso direto rede de distribuio. Nesses casos, a

alternativa a utilizao de uma unidade de fonte de alimentao ininterrupta (UPS).

4.5 REFRIGERAO.

uma aplicao de uso industrial. A gua bombeada de um reservatrio utilizada

para o resfriamento forado de um equipamento. O sistema formado por um arranjo

fotovoltaico, controlador de carga, banco de baterias, inversor e bomba e tem como objetivo

reduzir o valor pago concessionria de energia.

4.6 PECURIA

Sistema utilizado em bebedouros de animais no campo. A gua ser bombeada e ento

consumida no pasto. composta por um sistema fotovoltaico sem armazenamento de energia

e surge como alternativa para a expanso da pecuria.

21

5. ANLISE DOS SISTEMAS PROPOSTOS.

Como dito anteriormente, neste trabalho sero projetados um sistema fotovoltaico para

bombeamento de gua voltado para a irrigao e outros dois para o abastecimento residencial

utilizando-se o mtodo simplificado para o dimensionamento do sistema.

Sero criados trs casos fictcios, apenas com fins de estudo, com localizao na

cidade do Rio de Janeiro, bairro de Santa Cruz (Latitude: 22,902777 SUL, Longitude:

43,207500 OESTE). O dimensionamento do sistema fotovoltaico ser feito baseado no ndice

de radiao diria mdia mensal medida pelo CRESESB.

RADIAO DIRIA MDIA MENSAL (kWh/m.dia)

ngulo Inclinao Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Mdia

Plano

Horizontal

O N 5,86 5,67 5,22 4,06 3,83 3,22 3,78 4,06 4,22 4,86 5,28 5,61 4,64

ngulo

igual a

latitude

23 N 5,29 5,41 5,38 4,56 4,76 4,14 4,85 4,77 4,47 4,74 4,85 5,01 4,85

Maior

mdia

anual

21 N 5,36 5,45 5,39 4,54 4,70 4,08 4,78 4,73 4,47 4,77 4,91 5,08 4,85

Maior

mnimo

mensal

34 N 4,83 5,07 5,23 4,62 5,00 4,41 5,15 4,90 4,41 4,50 4,47 4,55 4,76

Tabela 1 - Radiao mdia mensal para o bairro de Santa Cruz - RJ.

Fonte: CRESESB - http://www.cresesb.cepel.br

22

5.1 BOMBEAMENTO DE GUA PARA IRRIGAO.

O sistema ser composto por um arranjo fotovoltaico, um controlador de carga, um

banco de baterias, um inversor e uma motobomba. A captao de gua ser feita diretamente

de um rio que passa ao lado da rea a ser irrigada e a altura manomtrica total a ser

considerada ser de 8 mca.

A energia gerada pelo arranjo fotovoltaico alimentar a motobomba e o seu excedente

ser armazenado pelo banco de baterias e poder ser usado caso a energia gerada nos

terminais dos painis no seja suficiente para acionar a carga.

Figura 13 - Exemplificao do sistema fotovoltaico para bombeamento de gua para irrigao.

Comearemos estimando a quantidade total de gua que ser necessria para irrigar

completamente o terreno. Considerando que nos meses de vero a quantidade de gua

necessria pode chegar aos 6 L/m por dia[7]

e o terreno possui 8000m ento, teremos que

bombear 48000 L por dia.

Agora que sabemos a quantidade de gua a ser bombeada, poderemos escolher a

bomba que ser utilizada. Foi escolhida uma bomba monofsica, auto-escorvante do

fabricante DANCOR modelo 709 S que movida por um motor WEG. Para essa situao, a

vazo da bomba de 18,5 m/h e ela trabalhar por 2,60 horas (156 minutos).

23

MODELO POTNCIA

(cv)

TENSO

(V)

CORRENTE

(A)

709 S 1 110 14,4

Tabela 2 - Especificaes da bomba selecionada.

A potncia eltrica mxima (PB) dessa bomba dada pelo produto da corrente pela

tenso e vale:

PB = V x I;

PB = 110 V x 14,4 A;

PB = 1584 VA.

Os painis solares escolhidos so fabricados pela KYOCERA[8]

. As especificaes do

modelo escolhido so apresentadas abaixo:

MODELO MXIMA

POTNCIA

(W)

TENSO DE

MXIMA

POTNCIA

(V)

CORRENTE DE

MXIMA

POTNCIA

(A)

KC 130T 130 17,6 7,39

Tabela 3 - Especificao dos painis solares.

Observao: As especificaes eltricas esto sob condies de teste de irradiao de 1

kW/m, espectro de 1,5 de massa de ar e temperatura de clula de 25C.

24

Para o correto dimensionamento do arranjo fotovoltaico preciso saber qual a energia

utilizada pela bomba durante o perodo em que ela permanecer em funcionamento. J foi dito

anteriormente que a mesma funcionar por 2,60 horas por dia. Ento, a energia da bomba ser

dada por:

EB = PB x t;

EB = 1584 x 2,60;

EB = 4118,4 Wh/dia.

Para calcular a energia gerada por um painel fotovoltaico (EP), multiplicaremos a

potncia do painel fotovoltaico (PP) pelo tempo de horas a Sol Pleno. Calcularemos o nmero

de horas a Sol Pleno para a situao mais extrema e ser utilizada a condio de maior

mnimo mensal. Junho o ms com menor mdia mensal, e importante que se consiga a

maior quantidade possvel de energia acumulada. Para tal, utilizaremos o arranjo fotovoltaico

com inclinao de 34 N e teremos um total de 4,41 kWh/m conforme indicado na Tabela 1.

Por definio, o nmero de horas a Sol Pleno para este caso :

Agora poderemos calcular a energia gerada por um nico painel, que ser:

EP = PP x SP;

EP = 130 x 4,41;

EP = 573,3 Wh/dia.

25

O nmero mnimo de painis que formaro o arranjo fotovoltaico dado pelo

resultado aproximado da diviso da energia da bomba (EB) pela energia gerada por um nico

painel (EP).

n = EB EP;

n = 4118,4 573,3

n = 7,184 painis.

O resultado ser arredondado para cima e ser utilizado um arranjo de 8 painis

ligados em paralelo para conseguir a energia diria de suprimento (ES) que ser calculada a

seguir:

ES = EP x n, para n=8

ES = 573,3 x 8

ES = 4586,4 Wh/dia.

A diferena entre a energia diria de suprimento e a energia da bomba o excedente

(EE) de energia produzido e ser utilizado para carregar o banco de baterias.

EE = ES - EB;

EE = 4586,4 - 4118,4;

EE = 468 Wh/dia.

Para o dimensionamento do banco de baterias, foram consideradas situaes extremas

de escassez de radiao solar, como por exemplo em dias chuvosos. A escolha das baterias foi

feita considerando que a mesma deveria ter capacidade para descargas profundas, uma longa

26

vida til e deveria ser desenvolvida para aplicao em sistemas fotovoltaicos. Seguindo esse

raciocnio, escolhemos baterias da marca SUNLAB [9]

.

MODELO CAPACIDADE

(Ah)

TENSO

(V)

CAPACIDADE

PARA

DESCARGA

SUNLAB 115 115 12 90%

Tabela 4 - Especificao das baterias.

Estabeleceu-se que o banco de baterias dever ter uma autonomia de 3 dias, ou seja,

ser capaz de suprir energia carga durante esse perodo. Como o sistema projetado para a

irrigao, a presena de chuva no compromete o desenvolvimento da atividade, sendo assim,

3 dias de autonomia do a confiabilidade necessria ao sistema.

Os clculos para dimensionamento do banco de baterias foram baseados no consumo

da carga, que ser constante durante um dia. O consumo normalmente dado em termos de

Ampere-hora e esse dado no est disponvel. Para contornar este problema, dividiremos a

energia da bomba (EB) pela tenso nos terminais da bateria (12 V). Ento, o consumo da

bomba (CB) em Ampere-hora por dia ser:

CB = EB 12;

CB = 4118,4 12;

CB = 343,2 Ah/dia.

27

Devemos levar em considerao a eficincia do sistema de converso de energia que

gira em torno de 70%. Teremos ento que corrigir o consumo da bomba acrescentando esse

fator de eficincia. O consumo corrigido da bomba (CB') ser:

CB' = CB 0,7;

CB' = 490,29 Ah/dia.

Podemos agora calcular a capacidade do banco de baterias (CR). Sendo o consumo da

bomba de 490,28 Ah por dia, para 3 dias teremos:

CR = 490,28 x 3;

CR = 1470,84 Ah.

Levando-se em conta que as baterias possuem 90% de capacidade de descarga, ento a

capacidade do banco de baterias dever ser de:

CR = 1470,84 0,9;

CR = 1634,3 Ah.

Essa capacidade dever ser dividida entre algumas baterias. Para descobrir quantas

sero necessrias basta dividir a capacidade do banco de baterias (CR) pela capacidade de uma

nica bateria (115 Ah), e ento:

NB = CR 115;

NB = 1634,3 115;

NB = 15;

28

Teremos 15 baterias ligadas em paralelo para suprir a demanda da carga por 3 dias. Com o

intuito de diminuir a corrente do banco de baterias e assim economizar com a fiao do

sistema, recomenda-se que a tenso do sistema seja elevada para 48 V.

A recarga da bateria feita simultaneamente ao funcionamento da bomba.

Considerando a energia excedente diria (EE) e transformando-a para Ampere-hora, teremos:

EE = 468 12;

EE = 39 Ah/dia.

Para sabermos quantos dias sero necessrios para recarregar a bateria, basta dividir a

capacidade do banco de baterias (CR) pelo excedente de energia dirio e assim teremos:

d = CR EE;

d = 1634,3 Ah 39 Ah/dia;

d = 41,9 dias.

Caso ocorra descarga completa do banco de baterias, sero necessrios 37,71 dias para

a recarga total do sistema. Lembrando que enquanto a bomba est em funcionamento, as

baterias so carregadas com o excedente gerado. Esse sistema no muito confivel, j que

so necessrios muitos dias para se chegar a condio inicial. Para contornar este problema,

adicionaremos mais painis e consequentemente teremos um maior excedente de energia

gerado.

29

5.1.1 REDUZINDO O TEMPO DE CARREGAMENTO DAS BATERIAS E

AUMENTANDO A CONFIABILIDADE DO SISTEMA.

Utilizando o mesmo raciocnio que foi anteriormente empregado, e no alterando as

caractersticas do banco de baterias e nem as do conjunto motobomba, podemos calcular a

energia de suprimento para o novo arranjo fotovoltaico. Vamos considerar que se deseja

recarregar as baterias em at d'=7 dias. Para isso teremos que encontrar a nova energia

excedente (EE') gerada pelos painis:

EE' = CR d'

EE' = 1634,3 7;

EE' = 233,47 Ah/dia; transformando para Watt-hora:

EE' = 233,47 x 12;

EE' = 2801,64 Wh/dia.

Para encontrarmos a nova energia diria de suprimento (ES'), somaremos a energia da

bomba (EB) com a nova energia excedente (EE'):

ES' = EB + EE';

ES' = 4118,4 + 2801,64;

ES' = 6920,04 Wh/dia.

Para encontrar o nmero de painis necessrios para suprir essa quantidade de energia

basta dividir a nova energia diria de suprimento (ES') pela energia de um nico painel (EP):

n' = ES' EP;

30

n' = 6920,04 573,3;

n' = 12,07 painis.

Arredondaremos o resultado e utilizaremos n'=12 painis. Com um arranjo de 12

painis fotovoltaicos, teremos uma nova energia diria de suprimento (ES12

) que ser:

ES12

= EP x 12;

ES12

= 573,3 x 12;

ES12

= 6879,6 Wh/dia.

O novo excedente (EE12

) gerado pelo arranjo de 12 painis fotovoltaicos ser:

EE12

= ES12

- EB;

EE12

= 6879,6 - 4118,4;

EE12

= 2761,2 Wh/dia; transformando para Ampere-hora:

EE12

= 2761,2 12;

EE12

= 230,1 Ah/dia.

E o nmero de dias (d12

) que sero necessrios para recarregar a bateria dado por:

d12

= CR EE12

;

d12

= 1634,3 230,1;

d12

= 7,1 dias.

31

Com um arranjo de 12 painis fotovoltaicos, sero necessrios 7,1 dias para recarregar

por completo o banco de baterias.

Agora que j temos a configurao final do sistema, podemos dimensionar o inversor e

o controlador de carga.

O inversor foi escolhido levando-se em considerao a potncia total da carga, a forma

de onda na sada e a corrente de partida do motor. Para motores de induo monofsicos, a

corrente de partida pode chegar a ser seis vezes maior do que a corrente nominal. Portanto,

ser necessrio utilizar um inversor que suporte essa corrente de pico. O inversor que ser

utilizado, fabricado pela Xantrex[9]

, e ter forma de onda senide modificada na sada,

devido ao custo mais barato se comparado a um inversor de onda senoidal pura.

MODELO POTNCIA

NOMINAL

(W)

POTNCIA DE

SURTO

(W)

TENSO DE

ENTRADA

(V)

TENSO DE

SADA

(V)

XP 5000-UL 4000 10000 12 CC 115 + 5%

Tabela 5 - Especificaes do inversor.

Dimensionaremos agora um sistema de proteo contra curto circuito. De acordo com

o catlogo da WEG [11]

, esse motor possui uma corrente de partida 5 vezes maior do que a

corrente nominal, ou seja, a corrente de partida vale 72 A. O tempo de partida do motor de

5s e de acordo com a curva do fusvel NH (Figura 13), um fusvel de 25 A ser suficiente

para proteger o motor da bomba. Para proteo contra sobrecarga, ser utilizado um disjuntor

monopolar de 16 A.

32

Figura 14 - Curva NH para seleo de fusveis [11].

importante frisar que o aterramento do motor eltrico se faz obrigatrio conforme

consta na NBR 5410[12]

. Este procedimento utilizado para proteger as pessoas contra choque

eltrico quando em contato com as partes metlicas eventualmente energizadas, permitindo

uma utilizao confivel e correta da instalao.

Os controladores de carga so fabricados pela MORNINGSTAR e foram escolhidos de

acordo com a corrente de curto circuito do arranjo[13]

. O clculo ser apresentado abaixo:

MODELO TENSO DO SISTEMA

(V)

CORRENTE SUPORTADA

(A)

TriStar-45 12 a 48 45

Tabela 6 - Especificaes do controlador de carga.

33

Nmero de mdulos fotovoltaicos em paralelo: 12

Corrente de curto circuito do mdulo fotovoltaico: 8,02 A

ICCA = 12 x 8,02;

ICCA = 96,24 A.

Para dimensionamento de componentes que sero instalados entre o arranjo e a

bateria, comum utilizar um fator multiplicativo de segurana de 1,25. Clculo da corrente

mnima necessria ao controlador de carga:

IM = 1,25 x ICCA;

IM = 1,25 x 96,24;

IM = 120,3 A.

Clculo do nmero de controladores em paralelo, onde IR a corrente suportada pelo

controlador:

p = IM IR;

p = 120,3 45;

p = 3.

Sero necessrios 3 controladores de 45 A em paralelo para suportar a corrente total

estimada. Caso haja um curto circuito ou um defeito em um dos controladores, a proteo

contra sobrecorrente capaz de interromper o fluxo evitando que apenas um controlador

assuma toda a carga. Para esses casos, o sistema de proteo desconecta os controladores do

arranjo fotovoltaico.

34

Considerando a aplicao, 12 painis fotovoltaicos e um banco de baterias com

autonomia de 3 dias do a confiabilidade necessria ao sistema para que ele seja implantado.

Durante os 6,4 dias de recarga a bomba continuar em funcionamento ao passo que o banco

de baterias ser recarregado por completo. Caso ocorra de o banco de baterias descarregar por

completo e no quarto dia tenhamos tempo chuvoso, veremos que o acionamento da bomba

no se far necessrio. O mesmo ocorre em perodos de chuva torrencial, onde o solo

permanecer encharcado e a bomba no ser necessria para irrigar o terreno.

Figura 15 - Desenho esquemtico do sistema proposto.

35

5.1.2 INVESTIMENTO INICIAL.

Para completar o estudo do sistema proposto, ser apresentada uma tabela com os

preos de cada equipamento e o total investido para esse caso.

EQUIPAMENTO MODELO QUANTIDADE TOTAL (R$)

BOMBA DANCOR 709 S 1 900,00

PAINEL SOLAR KYOCERA 130T 12 14580,00

BATERIA SUNLAB 115 Ah 15 6300,00

INVERSOR XANTREX 5000-UL 1 3200,00

CONTROLADOR TRISTAR-45 3 690,00

25670,00

Tabela 7 - Estimativa do custo inicial do projeto.

5.2 BOMBEAMENTO DE GUA PARA USO RESIDENCIAL.

De fundamental importncia para o desenvolvimento social de reas isoladas, o

bombeamento de gua atravs de sistemas fotovoltaicos surge como uma das mais

promissoras aplicaes da energia solar. A partir de agora estudaremos dois casos para esta

aplicao: um com armazenamento de energia e outro sem armazenamento. Ambos sero

projetados de acordo com a Tabela 1. Ou seja, novamente usaremos o Bairro de Santa Cruz,

no Rio de Janeiro, como referncia para os clculos. Isso no impede que esse sistema possa

36

ser dimensionado e implantado em outra localidade; basta para tal utilizar os dados referentes

regio desejada.

5.2.1 BOMBEAMENTO DE GUA PARA USO RESIDENCIAL COM

ARMAZENAMENTO DE ENERGIA.

O sistema ser composto por um arranjo fotovoltaico, um controlador de carga, um

banco de baterias, um inversor e uma motobomba. A captao de gua ser feita atravs de

um poo e a gua ser bombeada at uma caixa d'gua comunitria. A Altura manomtrica a

se considerar ser de 26 mca.

Figura 16 - Exemplificao de um sistema solar fotovoltaico, com armazenamento de energia, para

bombeamento de gua para uso residencial.

Comearemos estimando alguns valores. Segundo dados do IBGE[14]

, na Regio

Sudeste h uma mdia de 3,4 habitantes por residncia. Vamos considerar que cada habitante

consuma 150 L de gua por dia, logo o volume dirio de gua por residncia vale 510 L. Para

este caso, estudaremos o bombeamento para uma pequena comunidade de 30 casas, portanto o

consumo dirio esperado de gua de 15300 L. A capacidade total de armazenamento da

caixa d'gua de 18000 L.

37

Iniciaremos o dimensionamento do sistema escolhendo uma bomba centrfuga

monofsica, modelo CAM-W10 de 1,5cv do fabricante DANCOR. Para a altura manomtrica

estabelecida, a vazo da bomba de 8,4 m/h. No pior dos casos, ser necessrio bombear

18000 L de gua e sero necessrias 2,15 horas para encher o reservatrio.

MODELO POTNCIA

(cv)

TENSO

(V)

CORRENTE

(A)

CAM-W10 1,5 110 15,2

Tabela 8 - Especificao da bomba selecionada.

A potncia eltrica da bomba dada pelo produto da corrente pela tenso.

PB = V x I;

PB = 110 x 15,2;

PB = 1672 VA.

Os painis solares escolhidos so fabricados pela KYOCERA e correspondem ao

modelo KC 130T. As especificaes do mesmo foram apresentadas na Tabela 3.

Para o dimensionamento do arranjo fotovoltaico, preciso calcular a energia da

bomba (EB):

EB = PB x t;

EB = 1672 x 2,15;

EB = 3594,8 Wh/dia.

38

Do Captulo 5.1, temos que a energia gerada por um nico painel (EP) vale 573,3

Wh/dia. Para sabermos a quantidade de painis necessrios para alimentar a carga, basta

dividir a energia da bomba (EB) pela energia gerada por um nico painel (EP) e assim

teremos:

n = EB EP;

n = 3594,8 573,3;

n = 6,27 painis; arredondaremos para cima e usaremos n=7 painis.

Com um arranjo de 7 painis ligados em paralelo, consegue-se a energia diria de

suprimento (ES) de:

ES = EP x n

ES = 573,3 x 7

ES = 4013,1 Wh/dia.

A diferena entre a energia diria de suprimento e a energia da bomba o excedente

(EE) de energia produzido e ser utilizado para carregar o banco de baterias.

EE = ES - EB;

EE = 4013,1 - 3594,8;

EE = 418,3 Wh/dia.

Para o dimensionamento do banco de baterias, escolheu-se a mesma bateria descrita

pela Tabela 4. Para garantir o fornecimento de gua para as residncias, a autonomia do

sistema ser de 5 dias.

39

Agora, preciso que se converta a energia da bomba (EB) em consumo da bomba (CB)

e para tal basta dividir EB por 12 V, que a tenso do sistema no lado de corrente contnua.

Ento,

CB = EB 12;

CB = 3594,8 12;

CB = 299,6 Ah/dia.

Levando-se em considerao a eficincia do sistema de converso, temos que o

consumo corrigido da bomba (CB') vale:

CB' = CB 0,7;

CB' = 428 Ah/dia.

Agora estamos prontos para calcular a capacidade do banco de baterias (CR). Sendo o

consumo da bomba de 428 Ah por dia, para 5 dias teremos:

CR = 490,28 x 5;

CR = 2140 Ah; considerando-se a descarga de 90%, CR = 2377,8 Ah.

Essa capacidade dever ser dividida entre as baterias que faro parte do banco. Para

descobrir quantas sero necessrias basta dividir a capacidade do banco de baterias (CR) pela

capacidade de uma nica bateria (115 Ah), e ento:

NB = CR 115;

NB = 2377,8 115;

NB = 21;

40

Teremos 21 baterias ligadas em paralelo para suprir a demanda da carga por 5 dias.

A recarga da bateria feita simultaneamente ao funcionamento da bomba.

Considerando a energia excedente diria (EE) e transformando-a para Ampere-hora, teremos:

EE = 418,3 12;

EE = 34,86 Ah/dia.

Para calcularmos quantos dias sero necessrios para recarregar todo o banco de

baterias, basta dividir a capacidade do banco (CR) pelo excedente de energia dirio, logo:

d = CR EE;

d = 2377,8 Ah 34,86 Ah/dia;

d = 68,21 dias.

Precisaremos de 68,21 dias para recarregar o banco de baterias por completo. Essa

demora para recompor o sistema ao estado inicial faz com que o mesmo no seja confivel

mesmo tendo uma reserva de 2700 L de gua para ser usado em uma emergncia.

desejvel que se acelere o processo de recarga das baterias; para isso, ser necessrio

instalar mais painis fotovoltaicos para que o excedente de energia gerado seja ainda maior.

5.2.1.1 REDUZINDO O TEMPO DE CARREGAMENTO DAS BATERIAS E

AUMENTANDO A CONFIABILIDADE DO SISTEMA.

Utilizando o mesmo raciocnio que foi anteriormente empregado, e no alterando as

caractersticas do banco de baterias e nem as do conjunto motobomba, podemos calcular a

41

energia de suprimento para o novo arranjo fotovoltaico. Vamos considerar que se deseja

recarregar as baterias em at d'=6 dias. Para isso teremos que encontrar a nova energia

excedente (EE') gerada pelos painis:

EE' = CR d'

EE' = 2377,8 6

EE' = 396,3 Ah/dia; transformando para Watt-hora:

EE' = 396,3 x 12;

EE' = 4755,6 Wh/dia.

Para encontrarmos a nova energia diria de suprimento (ES'), somaremos a energia da

bomba (EB) com a nova energia excedente (EE'):

ES' = EB + EE';

ES' = 3594,8 + 4755,6;

ES' = 8350,4 Wh/dia.

Para encontrar o nmero de painis necessrios para suprir essa quantidade de energia

basta dividir a nova energia diria de suprimento (ES') pela energia de um nico painel (EP):

n' = ES' EP;

n' = 8350,4 573,3;

n' = 14,56 painis.

42

Arredondaremos o resultado para cima e utilizaremos n'=15 painis. Com um arranjo

de 15 painis fotovoltaicos, teremos uma nova energia diria de suprimento (ES15

) que ser:

ES15

= EP x 15;

ES15

= 573,3 x 15;

ES14

= 8599,5 Wh/dia.

O novo excedente (EE14

) gerado pelo arranjo de 14 painis fotovoltaicos ser:

EE15

= ES15

- EB;

EE15

= 8599,5 - 3594,8;

EE15

= 5004,7 Wh/dia; transformando para Ampere-hora:

EE15

= 5004,7 12;

EE15

= 417,05 Ah/dia.

E o nmero de dias (d15

) que sero necessrios para recarregar a bateria dado por:

d15

= CR EE15;

d15

= 2377,8 417,05;

d15

= 5,70 dias.

Com um arranjo de 15 painis fotovoltaicos, sero necessrios 5,70 dias para

recarregar por completo o banco de baterias.

O inversor que ser utilizado, fabricado pela Xantrex, e possui potncia nominal de

4000 W. As especificaes do mesmo j foram dadas na Tabela 5.

43

Dimensionaremos agora um sistema de proteo contra curto circuito. De acordo com

o catlogo da WEG, esse motor possui uma corrente de partida 5,7 vezes maior do que a

corrente nominal, ou seja, a corrente de partida vale 86,64 A. O tempo de partida do motor

de 5s e de acordo com a curva do fusvel NH (Figura 13), um fusvel de 25 A ser suficiente

para proteger o motor da bomba. Para proteo contra sobrecarga, ser utilizado um disjuntor

monopolar de 20 A.

importante frisar que o aterramento do motor eltrico se faz obrigatrio conforme

consta na NBR 5410. Este procedimento utilizado para proteger as pessoas contra choque

eltrico quando em contato com as partes metlicas eventualmente energizadas, permitindo

uma utilizao confivel e correta da instalao.

Os controladores de carga so fabricados pela MORNINGSTAR e foram escolhidos de

acordo com a corrente de curto circuito do arranjo. O clculo ser apresentado abaixo:

MODELO TENSO DO SISTEMA

(V)

CORRENTE SUPORTADA

(A)

TriStar-60 12 a 48 60

Tabela 9 - Especificaes do controlador de carga.

Nmero de mdulos fotovoltaicos em paralelo: 15

Corrente de curto circuito do mdulo fotovoltaico: 8,02 A

ICCA = 15 x 8,02;

ICCA = 120,3 A.

44

Novamente utilizaremos um fator multiplicativo de segurana de 1,25. Clculo da

corrente mnima necessria ao controlador de carga:

IM = 1,25 x ICCA;

IM = 1,25 x 120,3;

IM = 150,375 A.

Clculo do nmero de controladores em paralelo, onde IR a corrente suportada pelo

controlador:

p = IM IR;

p = 150,375 60;

p = 3.

Sero necessrios 3 controladores de 60 A em paralelo para suportar a corrente total

estimada.

Considerando a aplicao, 15 painis fotovoltaicos e um banco de baterias com

autonomia de 5 dias, tudo isso somado quantidade de gua excedente na caixa d'gua daro

a confiabilidade necessria ao sistema e o abastecimento das 30 residncias ser garantido.

45


5.2.1.2 INVESTIMENTO INICIAL.




BOMBA DANCOR CAMW10 1 630,00


BATERIA SUNLAB 115 Ah 19 7980,00

INVERSOR XANTREX 5000-UL 1 3200,00

CONTROLADOR TRISTAR-60 3 900,00

30935,00


46

5.2.2 BOMBEAMENTO DE GUA PARA USO RESIDENCIAL SEM

ARMAZENAMENTO DE ENERGIA.

O sistema ser composto por um arranjo fotovoltaico, um inversor e uma motobomba.

Ser adotada uma estratgia diferente em relao aos casos anteriores. No haver

armazenamento de energia em baterias. Dessa vez, procurou-se armazenar a gua bombeada.

Superdimensionando o reservatrio, asseguraremos que no faltar gua para essa residncia.

Diferente do caso anterior onde se abastece um pequeno povoado, nesse caso, o

dimensionamento do sistema fotovoltaico ser para consumo individual. A captao de gua

ser feita atravs de um poo e a gua ser bombeada at uma caixa d'gua que ficar no

telhado da casa. A altura manomtrica a se considerar ser de 14 mca.

Figura 18 - Sistema fotovoltaico, sem armazenamento de energia, para bombeamento de gua.

Novamente ser preciso estimar alguns valores. Como dito anteriormente, temos uma

mdia de 3,4 habitantes por residncia e cada um deles consome 150 L de gua por dia. Logo,

teremos um consumo dirio de 510 L de gua na residncia. comum utilizarmos caixas

d'gua de 1000 L nas residncias, porm para essa aplicao precisaremos assegurar que no

faltar gua em perodos de pouca radiao solar. Para isso, consideraremos um reservatrio

com capacidade total de 3000 L que ser suficiente para abastecer a casa por 5,88 dias.

O dimensionamento da bomba ser feito tomando como referncia a caixa d'gua

completamente vazia. Portanto, ser necessrio bombear 3000 L de gua. Para tal, foi

escolhida um bomba centrfuga monofsica DANCOR, modelo CP-4C de 1/4cv. Para a altura

47

manomtrica considerada, a vazo da bomba de 2,1 m/h e sero necessrias 1,43 horas para

encher completamente a caixa d'gua.

MODELO POTNCIA

(cv)

TENSO

(V)

CORRENTE

(A)

CP-4C 1/4 127 3,1

Tabela 11 - Especificaes da bomba selecionada.

A potncia eltrica da bomba dada pelo produto da corrente pela tenso.

PB = V x I;

PB = 127 x 3,1;

PB = 393,7 VA.

Os painis solares escolhidos so fabricados pela KYOCERA e correspondem ao

modelo KC 85T.

MODELO MXIMA

POTNCIA

(W)

TENSO DE

MXIMA

POTNCIA

(V)

CORRENTE DE

MXIMA

POTNCIA

(A)

KC 85T 87 17,4 5,02

Tabela 12 - Especificao do painel fotovoltaico selecionado.

Observao: As especificaes eltricas esto sob condies de teste de irradiao de 1 kW/m,

espectro de 1,5 de massa de ar e temperatura de clula de 25C.

48


bomba (EB) durante o perodo de 1,43 horas:

EB = PB x t;

EB = 393,7 x 1,43;

EB = 562,991 Wh/dia.

Para calcular a energia gerada por um painel fotovoltaico (EP), multiplicaremos a

potncia do painel fotovoltaico (PP) pelo tempo de horas a Sol Pleno. Do captulo 5.1, temos

que a nmero de horas a Sol Pleno vale 4,41 h/dia, ento:

EP = PP x SP;

EP = 87 x 4,41;

EP = 383,67 Wh/dia.

O nmero mnimo de painis que formaro o arranjo fotovoltaico dado pelo

resultado aproximado da diviso da energia da bomba (EB) pela energia gerada por um nico

painel (EP).

n = EB EP;

n = 562,991 383,67

n = 1,47 painis; novamente arredondaremos para cima e usaremos n=2 painis.


suprimento (ES) de:

ES = EP x n

49

ES = 383,67 x 2

ES = 767,34 Wh/dia.

Nessa situao teremos um excedente de energia gerado (EE) que no ser utilizado, j

que o sistema no conta com componentes para armazenamento de energia. O valor do

excedente gerado :

EE = ES - EB;

EE = 767,34 - 562,991;

EE = 204,349 Wh/dia.

Temos o sistema bsico pronto e dimensionado. Porm, este sistema no funcionar

utilizando um inversor comum como os escolhidos para os exemplos anteriores. A ausncia

de um equipamento que estabilize a tenso, tal como a bateria ou um seguidor do ponto de

mxima potncia, na sada do arranjo fotovoltaico inviabiliza o sistema, visto que a tenso de

suprimento do sistema no estabilizada e varia conforme a energia captada pelas clulas

fotovoltaicas. Como soluo para esse problema, ser dimensionado um sistema de

bombeamento utilizando uma motobomba alimentada em corrente contnua. A bomba Shurflo

Aqua King Premium 4.0, de acordo com o manual fornecido pelo fabricante, foi projetada

para ser utilizada em conexo direta ao arranjo fotovoltaico dispensando a utilizao de

qualquer componente entre o painel e os terminais de bomba.

Figura 19 - Sistema fotovoltaico proposto.

50

MODELO TENSO CC

(V)

CORRENTE

(A)

Shurflo Aqua King Premium 4.0 12 10

Tabela 13 - Caractersticas eltricas da motobomba alimentada em corrente contnua.

Para a situao do problema formulado, a vazo da bomba de 0,8 m/h e o seu ciclo

de trabalho de 3,75 horas. A potncia eltrica da bomba dada por:

PB = V x I;

PB = 12 x 10;

PB = 120 V.


bomba (EB) durante o perodo de 3,31 horas:

EB = PB x t;

EB = 120 x 3,75;

EB = 450 Wh/dia.

A energia do painel foi calculada anteriormente e vale EP = 383,67 Wh/dia. Sendo

assim, o nmero mnimo de painis que formaro o arranjo fotovoltaico dado pelo resultado

aproximado da diviso da energia da bomba (EB) pela energia gerada por um nico painel

(EP).

n = EB EP;

n = 450 383,67

51

n = 1,18 painis; novamente arredondaremos para cima e usaremos n=2 painis.


suprimento (ES) de:

ES = EP x n

ES = 383,67 x 2

ES = 767,34 Wh/dia.



excedente gerado :

EE = ES - EB;

EE = 767,34 - 450;

EE = 317,34 Wh/dia.

A estratgia de se utilizar painis com potncias inferiores no foi bem sucedida, uma

vez que so necessrios arranjos com dois ou mais painis fotovoltaico e assim, a energia

excedente gerada muito grande. Para evitar que se superdimensione o sistema e que se

produza muita energia excedente, ser utilizado o mesmo painel de 130 W dos casos

anteriores. Sendo assim, a energia do painel fotovoltaico EP = 573,3 Wh/dia. Ento, o

nmero mnimo de painis que formaro o arranjo fotovoltaico dado pelo resultado

aproximado da diviso da energia da bomba (EB) pela energia gerada por um nico painel

(EP).

n = EB EP;

52

n = 450 573,3

n = 0,785 painel; arredondaremos para cima e usaremos n=1 painel.

Com um arranjo de 1 painel, consegue-se a energia diria de suprimento (ES) de:

ES = EP x n

ES = 573,3 x 1

ES = 573,3 Wh/dia.



excedente gerado :

EE = ES - EB;

EE = 573,3 - 450;

EE = 123,3 Wh/dia.

O excedente ser perdido j que no h armazenamento de energia por meio de banco

de baterias. Essa a soluo mais vivel para o problema, j que representa o menor custo

inicial e tambm a menor energia excedente gerada. Sendo assim, a Figura 20 representa o

sistema fotovoltaico apresentado como soluo para o problema encontrado.

53


Considerando a aplicao, o sistema projetado como soluo para o problema

encontrado capaz de garantir o abastecimento de gua na residncia.

5.2.2.1 INVESTIMENTO INICIAL.




BOMBA SHURFLO 1 574,00


1789,00


54

6. CONCLUSO.

Os sistemas fotovoltaicos de bombeamento surgem como uma excelente alternativa

para o problema do abastecimento de gua. Apesar da eficincia e da confiabilidade,

importante que haja uma reeducao das pessoas para que o consumo de gua seja feito de

forma racional, evitando desperdcio.

Como foi visto, os sistemas fotovoltaicos de bombeamento de gua podem ter outras

aplicaes, mas estes se mostram muito vantajosos para o abastecimento residencial,

especialmente se for considerada apenas uma habitao. Para este caso importante frisar que

a utilizao de bombas projetadas para uso em sistemas fotovoltaicos muito mais indicada,

tanto do ponto de vista econmico quanto do ponto de vista operacional, do que a utilizao

de um inversor e uma bomba alimentada por motor de induo monofsico.

Quanto aos sistemas fotovoltaicos para irrigao, o seu uso de forma massificada se

dar ao passo que surgirem incentivos que compensem o investimento inicial que ainda

muito alto.

55

7. BIBLIOGRAFIA

[1] Grupo de Trabalho de Energia Solar - Manual de Engenharia Para Sistemas Fotovoltaicos

- CEPEL - 2008.

[2] D.M. Chapin, C.S. Fuller, G.L. Pearson, A New Silicon p-n Junction Photocell for

Converting Solar Radiation into Electrical Power, Journal of Applied Physics 25 (1954) 676;

D.M. Chapin, C.S. Fuller, G.L. Pearson, Solar Energy Converting Apparatus.

[3] Apostila de Bombas - [acesso em Outubro de 2010]. Disponvel em:

http://www.ecivilnet.com/apostilas/

[4] PRINCON - Energia Fotovoltaica Manual sobre tecnologias, projecto e instalao -

Portugal 2004 Programa ALTERNER

[5] Atlas da Energia Eltrica, 2 Edio - ANEEL.

[6] Projeto gua Solar Traras (Micro-irrigao) - [acesso em Outubro de 2010]. Disponvel

em: http://www.ecoengenho.org.br/lista_projeto.php?id=17/.

[7] Irrigao - [acesso em Outubro de 2010]. Disponvel em:

http://www.aboaterra.com.br/dicas/ver.asp?id=13&Secao=1/.

[8] Mdulos Solares - [acesso em Outubro de 2010]. Disponvel em:

http://www.kyocerasolar.com.br/site/produtos_modulos.php?cat=12/.

[9] Baterias de Descarga Profunda - [acesso em Outubro de 2010]. Disponvel em:

http://www.sunlab.net.br/baterias.htm#Descarga_Profunda/.

[10] Inversor 12Vcc/115Vca - [acesso em Outubro de 2010]. Disponvel em:

http://www.mbtenergia.com.br/pdf/XP-UL.pdf/.

[11] Manual de Motores Eltricos de Corrente Alternada - WEG.

56

[12] NBR 5410 - Instalaes Eltricas de Baixa Tenso - ABNT - 1997

[13] Controladores - [acesso em Outubro de 2010]. Disponvel em:

http://www.kyocerasolar.com.br/site/produtos_categoria.php?cat=13#/.

[14] Nmero mdio de moradores por domiclio particular permanente - [acesso em Outubro

de 2010 ]. Disponvel em:

www.ibge.gov.br/home/estatistica/populacao/censo2000/indicadores_sociais/tabela05.pdf/.

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