Análise do Funcionamento de um Sistema de Bombeamento de Água Através da Energia Solar Fotovoltaica Utilizando Motobomba de Corrente Contínua.
Este Artigo é resultado da pesquisa dos seguintes pesquisadores do curso de Engenharia Elétrica do IFPB:
Professor doutor Walmeran José Trindade Júnior;
José Diniz Neto
Professor Doutor José Artur Alves Dias
Professor Doutor Ilton Luiz Barbacena
Cláudio Galeno Queiroga de Lima
Resumo: O bombeamento de água é uma das atividades mais difundidas em relação
à utilização da energia solar fotovoltaica, apesar de se apresentar como fonte
alternativa de energia, o alto custo do sistema traz grandes empecilhos. A
utilização da energia solar fotovoltaica traz uma das soluções a problemática
dos sistemas de bombeamento isolados, onde sua utilização é dada de forma
gratuita, pelo Sol. Com a análise do funcionamento do sistema de bombeamento de
água com motores cc realizada nos laboratórios do Instituto Federal de
Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba foram encontrados resultados
satisfatórios, porem a proposta de utilização de motores de corrente alternada
é bem interessante.
Palavras–chave: bombeamento de água, energia solar, motores cc.
1. INTRODUÇÃO
Uma
das principais desvantagens da utilização da energia solar é a necessidade de
radiação solar por certa quantidade de tempo. O Brasil, por ser um país
tropical, em sua maioria territorial, tem uma grande vantagem na utilização de
várias fontes alternativas de energia, dentre elas a energia solar se destaca
de forma surpreendente. Observe a figura 1.
Figura 1 - Mapa de radiação solar no globo em kWh/m2
(UPSON, 2008).
A eletricidade é a forma de
energia mais versátil e a que melhor se adapta à sociedade tecnologicamente
avançada. Não se concebe a civilização atual sem confortos e as possibilidades
permitidas pelo seu uso (GOMES NETO, 2005).
Uma das aplicações da
energia solar fotovoltaica está em sistemas rurais de eletricidade. Tal forma
de geração de energia pode ter uma grande importância nestas áreas, sendo
utilizado em sistemas de bombeamento.
Os seres vivos necessitam
de água, oxigênio e alimento para se manterem vivos. Em particular, atrelado à
carência de energia, está o fornecimento deficiente de água as populações
rurais isoladas (LOPES, 2005).
A
falta de eletricidade em alguns lugares, decorrente da difícil acessibilidade
geográfica poderá resultar em um abastecimento de água precário, obrigando
assim a desapropriação de determinados locais. O sistema de bombeamento, através
da energia solar fotovoltaica, poderá trazer a solução desta problemática,
desde que o local disponha de radiação solar necessária para o acionamento
deste sistema.
Lorenzo et al. 1999 afirma
que “apesar de o efeito fotovoltaico ter sido observado pela primeira vez pelo
físico francês Edmond Becquerel em 1839, e de as primeiras aplicações datarem
da década de 1950, o bombeamento fotovoltaico, por outro lado, somente se deu
de forma comercial no final da década de 1970.”
Até 1990 não mais de 10.000
sistemas de bombeamento de água haviam sido instalados em todo o mundo. Na
ultima década, no entanto, seu número aumentou sensivelmente e, ainda que não
tenha contabilizado com precisão, o ultimo estudo da previsão da expansão
realizado pela União Europeia, mostra cifras da ordem de 150.000 sistemas de
bombeamento fotovoltaico instalados até 2010 (EPIA, 2006). Esse crescimento
mostra que é viável a utilização de sistemas de bombeamento através da energia
solar fotovoltaica e que existe uma necessidade cada vez maior que as
sociedades busquem novas fontes alternativas de energia.
Segundo trabalhos
realizados por, Fronza et al. (2008). O uso da irrigação em figueira
Roxo-de-Valinhos, obteve aumento de 11t de figos maduros quando se utilizou a
irrigação. A produtividade passou de 21 t/ha para 32 t/ha. O sistema de
irrigação no experimento tem um custo de R$ 5.000 por ha, demonstrando a
viabilidade do uso da irrigação desde que haja água e sistema de bombeamento
por uso da técnica.
Os mesmos autores estudando
a viabilidade do uso da irrigação de goiabeira Paluma encontraram aumento na
produtividade de 28t/ha passando para 35t/há comparando ensaios sem irrigação e
irrigados, respectivamente. Os autores citam ainda a importância do desenvolvimento
de novas formas de bombeamento d’água para áreas rurais onde a disponibilidade
de rede elétrica é menos e ou/ distante da rede de transmissão e distribuição
de energia elétrica, muitas vezes inviabilizando o uso da irrigação.
2. MATERIAL E MÉTODOS
Para
um estudo mais detalhado e minucioso do trabalho desenvolvido, foi necessário
um forte embasamento teórico e técnico, através de livros, datasheets disponibilizados por empresas de dispositivos
semicondutores, monografias e diversos arquivos adquiridos na rede mundial de
computadores.
O
software para a medição de potenciais energéticos de determinadas regiões foi
utilizado o programa disponibilizado livremente pela internet denominado RetScreen 4
Após
o estudo teórico, foram feitas instalações de painéis solares para montagem de
um sistema de bombeamento em corrente contínua, também foi realizada a montagem
de um sistema de bombeamento em corrente alternada, porém alimentado pela rede
de distribuição de energia, para análise de um motor de corrente alternada
monofásico. Estudaram-se também em laboratório os melhores métodos para o
chaveamento de IGBT’s e utilização de transformadores monofásicos.
Os principais
equipamentos utilizados na produção deste trabalho foram:
· Livros
acadêmicos;
· Monografias;
· Softwares;
· Canos PVC ¼
polegadas;
· Válvula
hidráulica;
· Painéis solares;
· Moto-bomba
submersa CC;
·
Controlador de carga CC.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os sistemas de
bombeamentos mais comumente usados são constituídos por gerador fotovoltaico,
sistema de condicionamento de potência, conjunto motobomba e equipamentos
complementares (FEDRIZZI, 1997).
Um sistema de
geração fotovoltaica tem como elemento básico o módulo, que por sua vez é
composto de células conectadas em arranjos com a finalidade de obtenção de
tensão e corrente em níveis adequados para utilização (MOEHLECKE, 2005).
Utilizando um gerador fotovoltaico com uma potência maior ou igual a do
conjunto motobomba e condicionadores de potencia, pode-se descartar a
utilização de baterias. Possibilitando uma redução de custos significativos no
projeto, e reduzindo futuras agressões ao meio ambiente, devido aos resíduos
liberados pelas baterias.
O sistema de
condicionamento de potência tem como função principal garantir a confiabilidade
de funcionamento e maior vida útil do sistema de bombeamento. O equipamento
utilizado neste trabalho foi um controlador de carga CC, que recebe a corrente
contínua dos painéis fotovoltaicos em uma tensão específica e em sua saída
fornece uma tensão constante para a motobomba.
O conjunto
motobomba é constituído por motor CC e uma bomba centrífuga. O motor de
corrente contínua é uma máquina que converte a energia elétrica vinda
controlador de carga e converte em energia mecânica, para o funcionamento da
bomba centrífuga. Bombas centrífugas são bombas hidráulicas que têm como
princípio de funcionamento a força centrífuga através de palhetas e impulsores
que giram no interior de uma carcaça estanque, jogando líquido do centro para a
periferia do conjunto girante. Observe as figuras 2 e 3.
Figura 2 - Configuração de
um sistema de bombeamento de água com motobomba de corrente contínua (adaptado)
(CRESESB, 2000).
Figura 3 - Configurações de um sistema de bombeamento
de água utilizando energia solar fotovoltaica (adaptado) (FRAENKEL, 1990).
Algumas das
possíveis configurações utilizadas em sistemas de bombeamento utilizando
energia solar podem ser observadas na figura 3, sendo que o conjunto “A”
ilustra o grupo motobomba submersa, o conjunto “B” ilustra a bomba submersa e
motor na superfície, o conjunto “C” ilustra grupo motobomba flutuante e o
conjunto “D” ilustra grupo motobomba em superfície (FEDRIZZI, 1997). “A”
configuração adotada para a montagem do sistema de bombeamento foi a opção “A”.
Após a montagem do sistema de bombeamento através da
energia solar fotovoltaica nos laboratórios do IFPB utilizando uma motobomba de
corrente contínua, verificou-se que para menores alturas manométricas, o
sistema apresentou uma maior eficiência, porém não representam a maior
eficiência do conjunto. A eficiência global do sistema é baixa devido à baixa
eficiência de conversão do painel, a máxima eficiência dos painéis
fotovoltaicos foi de 10%.
A eficiência geral é influenciada principalmente pelo
comportamento da motobomba do sistema, cuja eficiência e variação são mais
significativas que no caso do painel fotovoltaico do conjunto. Generalizando, o
aumento da eficiência global com a irradiação é crescente e depois decrescente.
Isso se explica pelo fato de que a potência hidráulica é limitada e a irradiação
solar disponível não é, assim haverá um determinado ponto em que esse limite
ocorre para um potencial de irradiação solar maior, ocasionando a diminuição da
eficiência global.
A vazão, como esperado, diminuiu com a carga, porém
exigiu que mais energia fosse disponibilizada para operação. O número de horas
de operação também variou com a carga e, como é conhecido apesar de não tão
bruscamente, também com o dia, justificando a determinação dos níveis de
irradiação inicial e final de operação, por meio dos quais se podem determinar
o número de horas de funcionamento do sistema. Quando sujeito a cargas maiores,
o sistema operou menor tempo em um mesmo dia, visto que são exigidos níveis
maiores de irradiação, o que, consequentemente, afeta o volume total de água
bombeado durante o dia.
6. CONCLUSÕES
Com a montagem deste sistema nos laboratórios da
instituição, foram encontrados diversos resultados positivos, comprovando que a
energia solar fotovoltaica pode trazer uma das soluções com relação ao abastecimento
de água em localidade em que a rede transmissão e distribuição de energia
elétrica não têm acesso.
Dependendo da potência dos painéis fotovoltaicos
pode-se descartar a utilização do banco de baterias, trazendo redução de custo
do sistema e evitando agressões ao meio ambiente. Para isto é necessário que a
potência dos painéis seja maior ou igual que a potência do controlador e do
motor.
A utilização da energia solar fotovoltaica como fonte
de alimentação para os sistemas de bombeamento de água é viável, se comparado
com sistemas alimentados pela rede de distribuição de energia. Alguns desses
fatores de viabilidade são a utilização de uma fonte gratuita, o Sol e o
barateamento dos equipamentos, que são produzidos cada vez mais pelas
indústrias, sendo assim, oferecendo preços mais interessantes e competitivos.
O motor de corrente continua apresenta alta eficiência
e precisão, porem exige uma manutenção constante e possui um preço de
fabricação elevado, tornando muitas vezes inviável o seu. Uma proposta a ser
implementada seria a utilização de motores de corrente alternada, pois não
exigem tantas manutenções e possui um baixo custo de fabricação e fácil
localização em mercado. Para a utilização deste tipo de motor é necessário o
desenvolvimento de um conversor CC/CA, mesmo com a implementação deste converso
o custo para implantação do sistema de bombeamento com motor de corrente
alternada é bem mais viável do que apenas a utilização do motor de corrente
continua.
REFERÊNCIAS
Centro de Referência Para a Energia Solar e
Eólica Sérgio de Salvo Brito - CRESESB. 2000. Disponível em:< www.cresesb.cepel.br/cresesb.htm
> Acesso em : 16/05/2010
GOMES NETO,
E.H., Hidrogênio – Evoluir sem Poluir.
Brasil H2, 2005.
EPIA. Photovoltaics
in 2010. Commission of the European Communities. Directorate General for Energy, Summary Report, 1996.
FREDRIZZI, M. C. Fornecimento de água com sistemas
de bombeamento fotovoltaico. São
Paulo, 1997.
FRAENKEL,
P. Water Pumping Devices: A Handobook
for Users and Choosers. Food and Agriculture Organizaition of the United
Nations (FAO). London, 1990
FRONZA, D. et al. Efeito da
Fertilização na Goiabeira Paluma, in: Congresso Brasileiro de Fruticultura,
20. Vitória. 2008.
_______, Produção de Figo de Mesa
Roxo de Valinhos sob Fertirrigação. In: Congresso Brasileiro de
Fruticultura, 20. Vitória. 2008
LOPES, A. P. J. A Energia Solar
Fotovoltaica Utilizada em Bombeamento de Água – Aplicações e Perspectivas.
Lavras-MG, 2005.
LORENZO, E. EGIDO, M. A. La
Tecnologia Europea de Bombeo de Agua Mediante Energia Solar Fotovoltaica Frente
al PRS-II. Instituto de Energia
Solar - Universidad Politécnica de Madrid. Madrid, 1999.
MOEHLECKE, A., Fabricação de Células Solares e Módulos
Fotovoltaicos. Trabalho apresentado no II SNESF, 2005.
UPSON, S. How Free is Solar Energy? Magazine IEEE Spectrum, 2008.
