dimensionamento de sistemas fotovoltaicos para bombagem de Água

Universidade do Minho-Escola de Ciências

2º Ano- Mestrado Integrado em Engenharia Civil

Electromagnetismo B

2011/2012

Dimensionamento de Sistemas Fotovoltaicos para Bombagem de Água

Professor: Joaquim Carneiro

Ana Margarida Ribeiro nº61876

Ana Carolina Alves nº61832

Ana Margarida Carcel Rei nº59919

José Ricardo Cruz nº51314

João Eira nº61827

Guimarães, Janeiro de 2012

2

Índice

Introdução ..................................................................................................................... 3

Estimativa do fator de perda (o facto de perda corresponde ao K cablagem + regulador) 6

Radiação solar ........................................................................................................... 6

Radiação solar sobre uma superfície inclinada ........................................................... 7

Determinação da radiação solar incidente, I ( ) ................................................. 7

Cálculo da temperatura do módulo (Tm)..................................................................... 8

Rendimento do módulo, η.......................................................................................... 9

Fator de correção da temperatura, KT ....................................................................... 10

Número de Horas de sol equivalente, HS .................................................................. 10

Dimensionamento do sistema de bombagem de água (FVB) ....................................... 11

Cálculo da altura manométrica ................................................................................ 11

Seleção da bomba (potência da bomba) ................................................................... 13

Seleção do sistema fotovoltaico (potência do gerador) ............................................. 14

Energia produzida pelo sistema FV.......................................................................... 14

Utilização anual da potência de pico, FP .................................................................. 15

Tipologia do sistema gerador ................................................................................... 16

Custos ......................................................................................................................... 18

Conclusão ................................................................................................................... 19

Bibliografia ................................................................................................................. 20

Anexos........................................................................................................................ 21

3

Introdução

A energia solar é o nome dado a qualquer tipo de captação da radiação

proveniente do sol e posterior transformação em alguma forma utilizável pelo homem.

É a fonte de quase todos os recursos energéticos da Terra. Existem diversas formas de

se converter a energia solar e uma delas é através do efeito fotovoltaico que ocorre em

dispositivos, que são chamados de células fotovoltaicas.

O efeito fotovoltaico consiste na propriedade dos semicondutores de

apresentarem uma diferença de potencial quando atingidos por feixes de luz. O

rendimento de uma célula fotovoltaica é definido como a razão entre a potência da luz

incidente e a potência elétrica disponível nos terminais.

Os sistemas fotovoltaicos são de fácil transporte e instalação, tendo como uma

das vantagens, a facilidade de ampliação do projeto em virtude do seu caracter modular

e requere pouca manutenção.

Qualquer tipo de carga acionada por eletricidade é passível de alimentação via

energia solar fotovoltaica, basta que o sistema seja corretamente projetado. Neste caso,

iremos tratar de uma das suas aplicações mais recorrente, nomeadamente, bombeamento

de água. [1]

Bombeamento fotovoltaico

A tecnologia da conversão da radiação solar em energia fotovoltaica é

relativamente nova. Este procura substituir sistemas de poços com bombas submersas e

motores em superfície, por poços do tipo tubular de pequeno diâmetro com uma bomba

de localização submersa e de fabricação especial para utilização fotovoltaica. Esta

opção surge como uma tentativa de minimizar perdas de energia e problemas de

instalação e manutenção. [2]

Gerador fotovoltaico

O gerador fotovoltaico consiste em um ou num conjunto de módulos

fotovoltaicos que por sua vez são compostos de células de material semicondutor,

chamadas células fotovoltaicas. Estas são responsáveis pela conversão da energia

através do efeito fotovoltaico, que consiste na conversão da radiação solar em energia

elétrica. [2]

4

Módulo fotovoltaico

Os módulos fotovoltaicos encontram-se eletricamente ligados entre si e

funcionam como um único gerador de energia elétrica. Estes podem ser ligados em

paralelo ou em série, dependendo da sua aplicação. Quando é feita ligação em série, as

tensões são somadas e a corrente permanece inalterada. Quando ligada em paralelo, as

tensões nas células são iguais e as correntes são somadas.

Para que o dimensionamento dos módulos seja feito de forma correta, é

necessários conhecer o comportamento da carga bem como o seu ciclo de utilização.

Deve ter-se em consideração todos os fatores que poderão influenciar na potência de

saída dos painéis, como por exemplo: sombreamento, devido à projeção do que se

encontra ao redor; intensidade luminosa; inclinação; temperatura das células;

nebulosidade; etc.

Um fator de extrema importância é o número de horas de sol, que corresponde

ao número equivalente de horas com radiação constante e igual a 1 kW/m2, de forma a

que a energia total diária acumulada é mantida.

Determinada a quantidade de irradiação diária (Wh/m2) e das características da

fonte de água (fluxo Q VER e a altura manométrica total, H q coisa), dimensiona-se um

sistema que permita o abastecimento de água ao longo de um ano. [1]

Bomba

A bomba é o dispositivo que adiciona energia aos líquidos e tem como

finalidade facilitar os movimentos dos mesmos. As bombas, de uma forma geral,

apresentam as seguintes características:

Resistência: adequadas para resistir aos esforços mecânicos provenientes da

operação;

Facilidade de operação: adaptáveis às mais diversas fontes de energia;

Manutenção simplificada;

Alto rendimento: transformação de energia com o mínimo de perdas;

Economia: custos de aquisição e operação compatíveis com as condições de

mercado. [1]

5

Inversores CC-CA

Trata-se de um equipamento eletrónico que tem como função converter a

corrente contínua do gerador fotovoltaico em corrente alternada. É um elemento

importante quando se deseja otimizar a eletricidade gerada por módulos fotovoltaicos.

Em sistemas de bombeamento fotovoltaico é comum utilizar-se um inversor conectado

ao gerador fotovoltaico.

Existe uma infinidade de tipos de bombas, porém neste

sistema FVB será utilizada uma bomba KYOCERA SOLAR da

série SD 12-30. Estas bombas são normalmente as mais

utilizadas em sistemas FVBB, visto apresentarem baixos custos

de investimento. Trata-se de uma bomba com pequeno volume

e que é amplamente utilizada para o fornecimento de água a

moradias ou então, a pequenas quintas rurais. A corrente

máxima DC desta bomba (Ibomba max) tem o valor de 4A.

bomba da série SD 12 – 30

O valor do rendimento da bomba (η bomba) tem o valor constante de 45%.

Teve-se em conta que a capacidade do gerador fotovoltaico deverá alimentar as diversas

cargas (neste caso,a bomba submersível), está sujeita a algumas perdas inerentes ao

sistema. Estre estas, aquelas que têm maior expressão são as que se referem às perdas

nas cablagens e as perdas no inversor (se o houver) e regulador de carga.

Serão adotados os módulos FV do fabricante KYOCERA SOLAR, com as

seguintes características:

Características elétricas

Potência de pico (watt) P max 80

Corrente máxima (A) I max 4,73

Tensão máxima (volt) V max 16,9

Temperatura normal de funcionamento NOCT 45ºC

Variação do rendimento com a temperatura d η/ dT -0,5 (%/ºC)

Dimensões

Comprimento (mm) C 1422

Largura (mm) B 653

Tabela1 – Características da bomba

6

Coordenadas da região em estudo:

Latitude: 41º22’33’N

Longitude: 8º25’28’’W

Estimativa do fator de perda (o facto de perda corresponde ao K cablagem +

regulador)

Perdas nas cablagens = 3%

Perdas no regulador de carga= 15%

Rendimento (cablagens): η cabo = 0.97

Rendimento (regulador): η reg = 0.85

Rendimento total: η FV = η cabo x η reg = 0.8245

Radiação solar

Na tabela que se segue, pode observar-se os valores da intensidade da radiação

solar incidente por dia, I(0), a temperatura ambiente, Ta, (num plano horizontal) em

cada dia, ao longo dos diferentes meses do ano.

Meses Número de

dias

Temperatura ambiente,

Ta(ºC)

Radiação solar incidente,

I(0)

(KWh/m2/d)

Janeiro 31 9,1 2030

Fevereiro 28 9,3 3000

Março 31 11,3 4470

Abril 30 13,7 5620

Maio 31 18,6 6760

Junho 30 22,8 7830

Julho 31 25,8 7840

Agosto 31 25,6 6820

Setembro 30 21,7 5220

Outubro 31 18,2 3470

7

Novembro 30 13,6 2160

Dezembro 31 10,6 1720

Anual 16.7 4745

Tabela2 – Valores da intensidade da radiação solar incidente por dia, I(0)

Radiação solar sobre uma superfície inclinada

A inclinação dos painéis fotovoltaicos condiciona diretamente a energia que é

produzida pelo sistema FVB.

Maximização da energia produzida no Inverno:

Verão:

A latitude do local em estudo é 41º22’33’’N, de onde se conclui que,

Determinação da radiação solar incidente, I ( )

A radiação solar que incide sobre a superfície com inclinação ótima, I( , é

calculado de acordo com a seguinte equação:

Mês Nº dias I(βopt)

Janeiro 31 2235,781

Fevereiro 28 3304,11

Março 31 4923,124

Abril 30 6189,7

Maio 31 7445,262

Junho 30 8623,728

Julho 31 8634,742

8

Tabela 3 - Valores da radiação solar incidente

Cálculo da temperatura do módulo (Tm)

O rendimento de uma célula solar depende da luminosidade, mas também da

temperatura. A temperatura é um parâmetro importante uma vez que, estando as células

expostas aos raios solares, o seu aquecimento é considerável.

Além disso, uma parte da incidência solar absorvida não é convertida em energia

elétrica, mas em energia dissipada sob a forma de calor. Deste modo, a temperatura de

uma célula é sempre superior à temperatura ambiente.

A temperatura do módulo (Tm), é determinada a um nível de radiação incidente

de 800 W/m2, a partir da temperatura ambiente (Ta), de 20ºC. Utiliza-se a seguinte

fórmula:

Onde:

Tm – temperatura do módulo

Ta – temperatura ambiente

G(0) – radiação solar incidente

NOCT – temperatura normal de funcionamento do módulo (ºC)

A radiação solar incidente, G(0), é calculada através da seguinte fórmula:

NOCT= 45

Agosto 31 7511,344

Setembro 30 5749,152

Outubro 31 3821,754

Novembro 30 2378,959

Dezembro 31 1894,357

9

Mês Nº dias G(0) Ta Tm

Janeiro 31 84,58333 9,1 11,74323

Fevereiro 28 125 9,3 13,20625

Março 31 186,25 11,3 17,12031

Abril 30 234,1667 13,7 21,01771

Maio 31 281,6667 18,6 27,40208

Junho 30 326,25 22,8 32,99531

Julho 31 326,6667 25,8 36,00833

Agosto 31 284,1667 25,6 34,48021

Setembro 30 217,5 21,7 28,49688

Outubro 31 144,5833 18,2 22,71823

Novembro 30 90 13,6 16,4125

Dezembro 31 71,66667 10,6 12,83958

Tabela 4 – Valor da temperatura do módulo (Tm)

Rendimento do módulo, η

)]

Em que o rendimento do painel diminui 0,5% sempre que a sua temperatura

aumenta 1ºC.

Onde,

Mês Nº dias Tm Ta η (Tm)

Janeiro 31 11,74323 9,1 6,33156

Fevereiro 28 13,20625 9,3 5,724406

Março 31 17,12031 11,3 4,10007

Abril 30 21,01771 13,7 2,482651

Maio 31 27,40208 18,6 -0,16686

Junho 30 32,99531 22,8 -2,48805

Julho 31 36,00833 25,8 -3,73846

Agosto 31 34,48021 25,6 -3,10429

10

Setembro 30 28,49688 21,7 -0,6212

Outubro 31 22,71823 18,2 1,776935

Novembro 30 16,4125 13,6 4,393813

Dezembro 31 12,83958 10,6 5,876573

Tabela 5– Valor do rendimento do módulo.

Fator de correção da temperatura, KT

Deduzindo a equação do rendimento, consoante as condições impostas, o fator

de correção de temperatura traduz-se em:

Mês Nºdias Tm KT

Janeiro 31 11,74323 1,066284

Fevereiro 28 13,20625 1,058969

Março 31 17,12031 1,039398

Abril 30 21,01771 1,019911

Maio 31 27,40208 0,98799

Junho 30 32,99531 0,960023

Julho 31 36,00833 0,944958

Agosto 31 34,48021 0,952599

Setembro 30 28,49688 0,982516

Outubro 31 22,71823 1,011409

Novembro 30 16,4125 1,042938

Dezembro 31 12,83958 1,060802

Tabela 6- Valor do fator de correção da temperatura, KT

Número de Horas de sol equivalente, HS

O número de horas de sol equivalente (à radiação sola padrão de 1000 W/m2) é

dado pela seguinte fórmula:

11

Tabela 7- Valor do número de horas de sol equivalente, Hs

Dimensionamento do sistema de bombagem de água (FVB)

Cálculo da altura manométrica

O nível de bombagem é a distância que corresponde à soma entre o nível

estático de água, denominado rebaixamento. O nível estático da água representa a

distância do topo do poço à superfície de água no poço, numa situação em que ocorre o

bombeamento.

Este é dado por: =12+20=32 m, por visualização do esquema

ilustrado no enunciado do trabalho.

O rebaixamento corresponde ao decréscimo que ocorre no nível estático da água,

quando este é bombeado do topo.

A perda de carga ao longo de uma tubagem obedecia às seguintes condições é

dada pela Fórmula de Flamant:

Onde:

Mês Nº dias Hs

Janeiro 31 2,235781


Março 31 4,923124

Abril 30 6,1897

Maio 31 7,445262

Junho 30 8,623728

Julho 31 8,634742

Agosto 31 7,511344


Outubro 31 3,821754



12

D – diâmetro da tubagem (m)

Q – fluxo (m3/s)

L – comprimento total da tubagem (m)

FL – perda contínua de carga (m)

K – coeficiente que depende da natureza do material e do estado de conservação das

paredes internas da tubagem.

A instalação hidráulica em questão é em PVC. Deste modo, o coeficiente K tem

o valor de 0,0000824

Sendo,

Altura manométrica: Hm = h + FL

Os reservatórios são usados para a água e utilizá-la durante o período noturno ou

então nos dias em que o céu esteja muito nublado. Normalmente, os reservatórios

armazenam uma quantidade de água equivalente a cerca de 3 a 5 dias de consumo.

O procedimento utilizado para o dimensionamento dos sistemas FVB baseia-se

na aplicação da seguinte equação:

Onde:

g – Aceleração da gravidade (g=9,8 m/s2)

– Massa específica,

– Perda de carga

Para o cálculo perda de carga, , utiliza-se a seguinte fórmula:

13

No âmbito das aplicações elétricas é conveniente não expressar a equação

anterior em (J), mas em (Wh).

então,

Obtém-se a seguinte expressão final:

Seleção da bomba (potência da bomba)

A energia hidráulica diária que é requerida para satisfazer as necessidades de

consumo de água deve ser fornecida através da utilização de uma bomba. Será apenas

considerado a utilização de bombas DC (DC, corrente contínua) submersíveis. A

energia fornecida por uma bomba, , expressa em Wh, é obtida por:

Onde representa a eficiência da bomba (normalmente com valores entre

25% a 45% - ou seja, perdas de 75% a 55%). No processo de dimensionamento

simplificado, o tempo de operação de um sistema FVB corresponde ao designado

“Número de horas de sol”, HS. A energia fornecida pela bomba é calculada de acordo

com a seguinte expressão:

14

Seleção do sistema fotovoltaico (potência do gerador)

O gerador FV representa o componente do sistema FVB, que deverá fornecer a

energia elétrica necessária para o acionamento da bomba.

A potência, PFV (W), a ser instalada no gerador FV é obtida através de:

Onde:

- Potência nominal instalada no gerador FV

η

- Rendimento do gerador FV; Este fator está diretamente relacionado com as perdas

energéticas associadas ao regulador de carga (15%) e com a queda de tensão (3%) nas

cablagens utilizadas pelo gerador FV.

Energia produzida pelo sistema FV

A energia diariamente produzida por um gerador FV, E dia, pode expressar-se

como o produto de 4 factores independentes:

Onde:

– Potência total instalada no gerador FV

– Número de horas de sol equivalente

– Fator de correção da temperatura

η

– Fator de rendimento que considera perdas energéticas associadas ao regulador de

carga, queda de tensão nas cablagens entre o gerador e o regulador de carga e o efeito de

sombreamento.

Mês Nº dias Edia(Wh/dia)

Janeiro 31 658,4129


Março 31 1413,25

15

Abril 30 1743,525

Maio 31 2031,555

Junho 30 2286,51

Julho 31 2253,503

Agosto 31 1976,168


Outubro 31 1067,544



Tabela 8 - Valor da energia produzida pelo sistema FV por dia

Utilização anual da potência de pico, FP

O valor da energia produzida anualmente é obtido através da soma dos 12

valores correspondentes à energia produzida mensalmente.

(Wh/W)

Mês Nº dias Emês (Wh/mês)

Janeiro 31 20410,8


Março 31 43810,75

Abril 30 52305,76

Maio 31 62978,19

Junho 30 68595,29

Julho 31 69858,6

Agosto 31 61261,22

Setembro 30 46801,6

Outubro 31 33093,86



Tabela 9 - Valor da potência de pico por ano

16

Valor percentual da potência de pico:

Onde, 8760 é o número de horas total por ano.

Tipologia do sistema gerador

A determinação da tipologia do gerador FV refere-se à quantificação do número

de módulos FV e ao seu modo de ligação.

1. Determinação do número de módulos por fileira, NS

O número de módulos por fileira, NS, (módulos ligados em série) resulta

do quociente entre a tensão máxima DC de bomba, , e a tensão máxima

do módulo, , em condições padrão:

Com isto, conclui-se que são necessários 2 módulos por fileira.

2. Determinação do número de fileiras por módulos, NF

O número de fileiras por módulo, NF, (módulos ligados em paralelo)

resulta do quociente entre a corrente máxima DC da bomba, , e a corrente

máxima que atravessa cada fileira de módulos, , em condições padrão:

Com isto, conclui-se que é necessária uma fileira por módulo.

Note-se que a corrente que atravessa cada fileira do módulo é igual à corrente

máxima de um módulo.

17

Gráfico 1 – Gráfico de comparação entre os volumes de água bombeada pelo sistema

FVB e o perfil de consumo, ao longo de um ano e de cada mês.

Representação gráfica da disposição final dos paineis FVB.

0

5

10

15

20

25

30

35

JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ

Vo

lum

e d

e ág

ua

con

sum

ido

V

(m3

/dia

)

Mês

18

Custos

Para uma melhor constatação dos factos consultou-se a empresa especializada

em montagem de sistemas fotovoltaicos, Sol R (Nogueira – Braga), que forneceu alguns

dados necessários sobre o custo e a potência do módulo.

Após a avaliação dos resultados obtidos para a potência de painéis, que é de

332,757 W, e tendo em conta que no mercado actual só são comercializados módulos

com 230 W de potência, conclui-se que são necessários três módulos, em vez dos dois

módulos propostos inicialmente.

Foi também fornecida a informação de que cada módulo tem um custo de 421€

(com iva incluído). Visto que ter-se-á que utilizar três módulos, o preço total será de

1273€. É de notar que a este custo acresceria o custo da bomba e tubagem, dos quais

não obtivemos dados.

19

Conclusão

Este trabalho resume uma sequência de passos necessários para o

dimensionamento de um sistema fotovoltaico para bombagem de água, que utiliza uma

bomba solar submersível, de baixa voltagem e de corrente DC, cujo funcionamento se

baseia nas características da utilização da energia solar.

Quanto ao dimensionamento foram avaliados alguns fatores que se distinguem

pela sua influência no funcionamento do sistema: a influência da temperatura, a

utilização de valores médios relativos à radiação solar ou da temperatura, entre outros,

visando particularmente o seu balanço anual ou mensal.

Foi ainda possível, com a ajuda da empresa Sol R, obter o custo do sistema em

questão. Assim sendo, poder-se-ia executar este projeto, já que foram obtidos dados

suficientes para a realização de sistema fotovoltaico para bombagem de água, para a

região de Braga.

20

Bibliografia

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

Fotovoltaicos - CEPEL – 2008

[2] FEDRIZZI, Maria Cristina, Fornecimento de água com sistemas de bombeamento

fotovoltaicos, São Paulo – 1997

Surface meteorology and Solar Energy; http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/RETScreen

Sol R – Comercio de renováveis; http://sol-r.pt/index.php/contactos

http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/RETScreen

http://sol-r.pt/index.php/contactos

21

Anexos

dimensionamento de sistemas fotovoltaicos para bombagem de Água

Documents