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 17 - Desenho esquemtico do sistema proposto. ........................................................ 45
Figura 18 - Sistema fotovoltaico, sem armazenamento de energia, para bombeamento. ........ 46
Figura 19 - Sistema fotovoltaico proposto. ........................................................................... 49
Figura 20 - Desenho esquemtico do sistema proposto. ........................................................ 53
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.
Adaptado do Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos, CEPEL.
Figura 4 - Parmetros de mxima potncia.
Adaptado do Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos, CEPEL.
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);
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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.
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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
Figura 17 - Desenho esquemtico do sistema proposto.
5.2.1.2 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 CAMW10 1 630,00
PAINEL SOLAR KYOCERA 130T 15 18225,00
BATERIA SUNLAB 115 Ah 19 7980,00
INVERSOR XANTREX 5000-UL 1 3200,00
CONTROLADOR TRISTAR-60 3 900,00
30935,00
Tabela 10 - Estimativa do custo inicial do projeto.
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
Para o dimensionamento do arranjo fotovoltaico, preciso calcular a energia da
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.
Com um arranjo de 2 painis ligados em paralelo, consegue-se a energia diria de
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.
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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.
Para o dimensionamento do arranjo fotovoltaico, preciso calcular a energia da
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
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n = 1,18 painis; novamente arredondaremos para cima e usaremos n=2 painis.
Com um arranjo de 2 painis ligados em paralelo, consegue-se a energia diria de
suprimento (ES) de:
ES = EP x n
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 - 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.
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 = 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.
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Figura 20 - Desenho esquemtico do sistema proposto.
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.
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 SHURFLO 1 574,00
PAINEL SOLAR KYOCERA 130T 1 1215,00
1789,00
Tabela 14 - Estimativa do custo inicial do projeto.
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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.
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7. BIBLIOGRAFIA
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- 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.
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http://www.ecivilnet.com/apostilas/
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Portugal 2004 Programa ALTERNER
[5] Atlas da Energia Eltrica, 2 Edio - ANEEL.
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em: http://www.ecoengenho.org.br/lista_projeto.php?id=17/.
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http://www.kyocerasolar.com.br/site/produtos_modulos.php?cat=12/.
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http://www.sunlab.net.br/baterias.htm#Descarga_Profunda/.
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http://www.mbtenergia.com.br/pdf/XP-UL.pdf/.
[11] Manual de Motores Eltricos de Corrente Alternada - WEG.
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[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/.