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GERAÇÃO FOTOVOLTAICA EM BOMBEAMENTO DE ÁGUA NA ÁREA RURAL

Pâmela Santiago Leitão

Orientador: Prof. Dr. Credson de Salles Instituto de Sistemas Elétricos e Energia (ISEE)

Resumo - Este artigo apresenta uma estimativa de

custo de um sistema de bombeamento de água

utilizando geração solar fotovoltaica em comparação

com um sistema alimentado pela energia elétrica da

concessionária, ambos instalados na área rural. Na

estimativa é analisado o consumo de água em

irrigação de plantações e o consumo de água

residencial.

Palavras-Chave: Bombeamento de água, geração

fotovoltaica, área rural.

I – INTRODUÇÃO

Na área rural, além do consumo residencial, a água é

muito utilizada na agricultura, que é fonte de

sobrevivência da maioria de seus habitantes. Em algumas

regiões, o fornecimento de água é função de rios mais

próximos, principalmente onde água proveniente de

poços é insalubre.

O Programa Luz para Todos do governo federal

proporcionou energia elétrica para muitos moradores da

zona rural. Entretanto, nestas propriedades é comum a

fonte de água estar distante do ponto de entrega de

energia elétrica. Logo a instalação de uma bomba usando

a rede elétrica de baixa tensão pode se tornar cara ou até

mesmo inviável.

Nesses casos, o sistema de bombeamento utilizando

geração fotovoltaica pode ser atrativo, pois é uma

tecnologia que não depende de combustíveis, tem baixa

necessidade de manutenção, operação autônoma e não

possui custos de operação. Além disso, para um sistema

isolado, dispensa o lançamento de cabos e eletrodutos.

Sua principal desvantagem é o alto custo inicial,

entretanto esse custo tende a diminuir com o

desenvolvimento tecnológico.

O sistema de bombeamento fotovoltaico pode ter várias

configurações. Pode-se utilizar motobombas de corrente

alternada ou de corrente contínua. A vantagem de uma

motobomba de corrente contínua é que esta permite o

acoplamento direto com o arranjo fotovoltaico, mas está

limitada a pequenas potências. Então para grandes

potências geralmente usa-se de motobombas de corrente

alternada acopladas à geração fotovoltaica por um

inversor CC-CA. O sistema pode ser com ou sem

armazenamento de energia. Umas das vantagens do uso

de energia fotovoltaica para o bombeamento de água é a

possibilidade de armazenar energia em forma de energia

potencial gravitacional, levando a água para reservatórios

elevados em vez de usar baterias. A configuração

adequada de um sistema de bombeamento fotovoltaico

vai depender da aplicação.

Vale ressaltar a complementaridade da energia

fotovoltaica com a irrigação, em que período de maior

demanda hídrica coincide com período de maior radiação

solar. E em regiões áridas, que possuem maior

necessidade de água, também possuem maior irradiação

disponível. Dessa forma, um sistema de bombeamento

fotovoltaico pode viabilizar a irrigação em algumas

regiões, o que traz vários benefícios para os agricultores,

pois garante o sucesso da cultura contra secas de curta

duração, permite a colheita mais de uma vez no ano e

pode aumentar o rendimento das colheitas.

No Brasil, até o ano de 2002 foram instalados pelo

menos 3291 sistemas de bombeamento fotovoltaico, com

potência total de 1,5 MWp, usados principalmente para o

abastecimento de água potável para consumo humano [1].

II – METODOLOGIA

Trata-se de um levantamento preliminar do custo de um

sistema de bombeamento de água utilizando energia solar

fotovoltaica em comparação com o sistema utilizando

rede elétrica da concessionária. Esta comparação é feita

com a finalidade de estimar em quais parâmetros a

geração fotovoltaica é economicamente viável.

TRABALHO FINAL DE GRADUAÇÃO

NOVEMBRO/2016

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ

ENGENHARIA ELÉTRICA

2

Considerou-se que a bomba é instalada próxima a fonte

de coleta de água, que pode ser um rio, lago, açude ou

cisterna. Além disso, considerou-se que o ponto de

consumo, que pode ser uma residência ou uma plantação,

é próximo ao ponto de entrega da energia elétrica pela

concessionária. Ou seja, a distância entre a fonte de coleta

água e o ponto de consumo equivale a distância da bomba

ao ponto de entrega da energia. Dessa forma, os

parâmentros analisados foram o consumo diário de água e

a distância entre a bomba e o ponto de entrega da energia

elétrica.

Em um sistema de bombeamento de água alimentado pela

rede elétrica, consultou-se catálogos de fabricantes para

estimar a potência da bomba de acordo com o consumo

diário de água e a distância entre a bomba e o ponto de

consumo. Dessa forma, o dimensionamento da linha

elétrica foi feito de acordo com a norma ABNT

NBR5410 [2]. O dimensionamento foi feito utilizando

linha elétrica subterrânea e aterramento no local da

bomba. No custo de aquisição considerou-se o custo da

linha elétrica, e para o custo de operação foi estimado o

custo de energia elétrica consumida por ano. O Custo

total do sistema é o custo de aquisição somado ao valor

presente do custo de operação em um tempo de 25 anos.

Para a bomba alimentada por energia solar fotovoltaica,

estimou-se um sistema isolado sem armazenamento em

baterias. Dessa forma, foram consideradas duas

alternativas: bomba d´agua convencional conectada ao

arranjo fotovoltaico por um inversor e uma bomba de

corrente contínua conectada diretamente ao arranjo

fotovoltaico. Na primeira alternativa considerou-se os

custos com placas fotovoltaicas e inversor como custo de

aquisição. Já para segunda alternativa considerou-se

apenas custo com as placas fotovoltaicas, visto que o

preço da bomba de corrente contínua é próximo do preço

de uma bomba convencional. Considerou-se ainda que

não há custos de operação.

Para o consumo de pequenas irrigações, foi considerada a

demanda hídrica média de culturas como laranja, banana,

limão, mamão, maracujá e tangerina que é de 1200

l/m².ano [3]. Dessa forma o custo do sistema de

bombeamento foi estimado em função da distância entre

a bomba e o ponto de consumo e da área a ser irrigada.

Neste caso, na estimativa do sistema fotovoltaico não se

considerou armazenamento de água, visto que dias de

menor radiação solar coincidem com menor demanda de

água.

Para o consumo residencial considerou-se que uma

pessoa consome em média 150 l/dia [4]. Dessa forma o

custo do sistema de bombeamento foi estimado em

função da distância entre a bomba e o ponto de consumo

e da quantidade de pessoas. Neste caso considerou-se

armazenamento de água para 2 dias de consumo.

III – RESULTADOS

III.1 – Estimativa de custo do sistema de bombeamento

de água utilizando rede elétrica da concessionária

Nesta estimativa foi considerada a tensão disponibilizada

pela concessionária de 127/220 V relativo a um

transformador monofásico (monobucha) com três

terminais no lado de baixa tensão, que é o usual em

pequenas propriedades rurais.

A – Consumo em irrigação

Para definir a potência da bomba utiliza-se a equação (1)

[5]:

Onde:

P é a potência da bomba (requerida para o trabalho

desejado), em cv;

Q é a vazão desejada, em m³/h;

H é a altura manométrica total, em m;

é o rendimento esperado da bomba em %.

A altura manométrica total H é dada pela soma da altura

de sucção, altura de recalque, perda de carga da tubulação

e uma perda de 5% nas conexões da tubulação. Ou seja:

Onde:

é a altura de sucção em m;

é a altura de recalque em m;

é a perda de carga na tubulação.

E a perda de carga na tubulação é dada por:

Onde:

Fpc é a percentagem da perda de carga ao longo de uma

tubulação em PVC (dado pelo catálogo do fabricante em

função da vazão);

C é o comprimento da tubulação, em m.

A Figura 1 ilustra um exemplo de aplicação de uma

motobomba.

O rendimento da bomba d’água varia com a vazão de

operação. Entretanto, para o dimensionamento

simplificado da bomba, utilizou-se um rendimento de

40% que está dentro do esperado para bombas centrífugas

de monoestágio [6].

3

Figura 1 – Aplicação de uma bomba de água.

Adaptada de [5]

Então, adotou-se uma altura de sucção de 3 metros e

altura de recalque de 3 metros. Além disso, considerou-se

que o comprimento da tubulação é aproximadamente

igual à distância entre a bomba e o ponto de consumo

somada à altura de recalque e altura de sucção. Então,

utilizando as equações (1), (2) e (3) e valores de perda de

carga dados pelo catálogo do fabricante, obteve-se a

potência da bomba em cv, conforme a Tabela 1.

TABELA 1 – POTÊNCIA DAS BOMBAS

Q(m³/h)

Distância da bomba (m)

10 50 100 200 500

(cv)

0,5 1/6 1/6 1/6 1/6 1/6

1,0 1/6 1/6 1/6 1/6 1/3

5,0 1/3 1/2 3/4 1,0 3,0

10 3/4 1,0 1,0 1,5 3,0

20 1,5 2,0 2,0 3,0 5,0

35 3,0 3,0 4,0 7,5 10

Sabendo que da demanda hídrica média anual em estudo

é de 1200 l/m², tem-se que a demanda diária é de 3,29

l/m². Sendo a vazão dada por:

Onde:

V é o volume de água total necessário por dia, em m³;

T é o tempo em horas.

Então, escolhendo uma vazão para cada área analisada e

utilizando a equação (4), obtém-se o tempo necessário de

funcionamento da bomba para atender a demanda diária

para diferentes áreas irrigadas. A Tabela 2 apresenta estes

valores.

Dessa forma, a estimativa da potência da bomba de

acordo com a área irrigada e a distância entre a bomba e o

ponto de consumo é dada pela Tabela 3.

TABELA 2 – DEMANDA DE ÁGUA PARA IRRIGAÇÃO

Área (m²) Demanda

(m³/dia)

Vazão

(m³/h)

Tempo

(horas)

1000 3,290 14 0,23

4000 13,15 14 0,94

8000 26,30 25 1,05

15 000 49,32 25 1,97

20 000 65,75 25 2,63

30 000 98,63 35 2,82

TABELA 3 – POTÊNCIA DAS BOMBAS PARA IRRIGAÇÃO

Área (m²)


10 50 100 200 500

(cv)

1000 1,0 1,5 2,0 3,0 7,5

4000 1,0 1,5 2,0 3,0 7,5

8000 2,0 3,0 3,0 5,0 10

15 000 2,0 3,0 3,0 5,0 10

20 000 2,0 3,0 3,0 5,0 10

30 000 3,0 3,0 4,0 7,5 10

Então, para o dimensionamento da fiação considerou-se

motobombas monofásicas com tensão de 220 V. A

Norma de Distribuição Cemig fornece valores de

demanda de potência para cada bomba conforme a Tabela

4 [7].

TABELA 4 – POTÊNCIA CONSUMIDA PELAS BOMBAS

Potência

Eixo (CV)

Demanda

absorvida

(kVA)

Potência

absorvida

rede (kW)

1/6 0,400* 0,25*

1/4 0,620 0,39

1/3 0,730 0,52

1/2 0,920 0,66

3/4 1,240 0,89

1,00 1,490 1,10

1,50 1,930 1,58

2,00 2,440 2,07

3,00 3,200 3,07

4,00 4,150 3,98

5,00 5,220 4,91

7,50 7,940 7,46

10,0 10,04 9,44

12,5 13,01 12,10

* Valores estimados

Com isso, calcula-se a corrente absorvida pela bomba:

Onde:

é a demanda absorvida (Tabela 4), em kVA;

V é a tensão da bomba.

Os valores de corrente absorvida pela bomba também são

fornecidos pela Norma de Distribuição Cemig [7]. No

entanto foram utilizados os valores encontrados com a

4

equação (5), que ficaram bem próximos dos declarados

pela norma.

Então, dimensionou-se os condutores elétricos mínimos

para atender os critérios de capacidade de condução de

corrente e de queda de tensão [2].

Neste estudo são considerados condutores em eletroduto

enterrado. Logo, utiliza-se o método de referência D

(Tabela 33 da NBR 5410:2004). Então, a seção mínima

do condutor para atender o critério de capacidade de

condução de corrente é dada pela Tabela 36 de [2] para o

método de referencia D e 2 condutores carregados.

Para o dimensionamento do condutor de acordo com o

critério de queda de tensão, utilizou-se a equação:

Onde:

S é a seção nominal do condutor de cobre, em mm²;

L é o comprimento da fiação, em m;

Vl é a tensão de linha, em V;

é a queda de tensão admissível, em valor percentual .

Então, na equação (6) o comprimento da fiação é igual à

distância entre a bomba de água e o ponto de consumo e a

queda de tensão admissível é de 4%. Assim, obteve-se a

seção mínima dos condutores, conforme a Tabela 5.

TABELA 5– SEÇÃO MÍNIMA DO CONDUTOR EM SISTEMA DE

BOMBEAMENTO PARA IRRIGAÇÃO

Área (m²)


10 50 100 200 500

mm²

1000 2,5 2,5 6,0 16,0 95,0

4000 2,5 2,5 6,0 16,0 95,0

8000 2,5 4,0 6,0 25,0 95,0

15 000 2,5 4,0 6,0 25,0 95,0

20 000 2,5 4,0 6,0 25,0 95,0

30 000 2,5 4,0 10,0 35,0 95,0

Definida a seção dos condutores, dimensionou-se os

eletrodutos que atendem a taxa máxima de ocupação de

40% [8].

Então, calculou-se o custo de aquisição somando-se o

custo total com fiação e eletroduto. Os preços unitários

foram obtidos da Planilha Referencial de Preços Unitários

para Obras de Edificação e Infraestrutura, da Secretaria

de Transportes e Obras Públicas do Estado de Minas

Gerais (SETOP) [9]. O SETOP fornece preços de

material e mão-de-obra unitários. Não foram

considerados custos com a bomba e tubulações de água,

pois ao comparar com o sistema com geração

fotovoltaica, esses custos são iguais.

A Tabela 6 apresenta o custo final de aquisição do

sistema de bombeamento alimentado por energia da

concessionária em reais (R$).

TABELA 6 – CUSTO DE AQUISIÇÃO DO SISTEMA DE BOMBEAMENTO

ALIMENTADO PELA REDE ELÉTRICA PARA IRRIGAÇÃO

Área

(m²)


10 50 100 200 500

(R$)

1000 178,40 892,00 2210,00 5974,00 50320,00

4000 178,40 892,00 2210,00 5974,00 50320,00

8000 178,40 995,00 2210,00 7648,00 50320,00

15 000 178,40 995,00 2210,00 7648,00 50320,00

20 000 178,40 995,00 2210,00 7648,00 50320,00

30 000 178,40 995,00 2635,00 9252,00 50320,00

O custo da energia consumida por ano em kWh é dado

por:

Onde:

é a potência absorvida pela bomba (Tabela 4), em kW;

Ce é o custo da energia elétrica, em R$/kWh.

Logo, o custo de operação total é o valor presente do

custo anual da energia elétrica, que é dado por:

Onde:

i é a taxa de juros ao ano;

n é o tempo em anos.

Neste caso considerou-se juros de 10% a.a. e o tempo de

25 anos, que é o tempo de vida útil de um sistema

fotovoltaico. Além disso, considerou-se o preço da

energia elétrica de 0,80 R$/kWh. Logo, usando a

equação (7) e (8) tem-se o custo total de operação para o

sistema de bombeamento alimentado pela energia elétrica

da concessionária de acordo com a Tabela 7.

A Tabela 8 apresenta o custo total do sistema de irrigação

com bombas alimentadas pela rede elétrica da

concessionária, dado pela soma do custo de aquisição e

custo de operação.

TABELA 7 – CUSTO DE OPERAÇÃO DO SISTEMA DE BOMBEAMENTO


Área

(m²)


10 50 100 200 500

(R$)

1000 703,34 983,43 1207,51 1811,26 4294,74

4000 2813,36 3933,73 4830,02 7245,03 17178,95

8000 5409,63 8114,44 8114,44 13328,87 26992,36

15 000 10143,05 15214,57 15214,57 24991,63 50610,67

20 000 13524,06 20286,10 20286,10 33322,18 67480,89

30 000 21735,10 21735,10 28531,99 51536,84 72300,96

5

TABELA 8 – CUSTO TOTAL DO SISTEMA DE BOMBEAMENTO


Área

(m²)


10 50 100 200 500

(R$)

1000 881,74 1875,43 3417,51 7785,26 54614,74

4000 2991,76 4825,73 7040,02 13219,03 67498,95

8000 5588,03 9109,44 10324,44 20976,87 77312,36

15 000 10321,45 16209,57 17424,57 32639,63 100930,67

20 000 13702,46 21281,10 22496,10 40970,18 117800,89

30 000 21913,50 22730,10 31166,99 60788,84 122620,96

B – Consumo residencial

No consumo residencial, considerou-se que cada pessoa

consome cerca de 150 litros de água por dia. Então,

considerando o armazenamento de água em reservatório

elevado para 2 dias de consumo e utilizando valores

comerciais de caixas de água, obteve-se demanda diária

de água de acordo com a quantidade de pessoas,

conforme a Tabela 9.

Utilizando a equação (4) e considerando o tempo de

funcionamento da motobomba de 30 minutos (0,5 hora),

obteve-se a vazão necessária para suprir a demanda diária

de água.

Então, adotando altura de sucção de 3 metros e altura de

recalque de 7 metros e utilizando as equações (1), (2) e

(3), estimou-se a potência da bomba em função da

distância entre bomba de água e o ponto de consumo e da

quantidade de pessoas, resultando nos valores de potência

em cv da Tabela 10.

TABELA 9 – DEMANDA DE ÁGUA PARA CONSUMO RESIDENCIAL

Nº pessoas

Consumo

diario

(m³)

Caixa de

agua (m³)

Tempo

(horas)

Vazão

(m³/h)

2 0,3 0,75 0,5 1,5

3 0,45 1 0,5 2

4 0,6 1,5 0,5 3

5 0,75 1,5 0,5 3

6 0,9 2 0,5 4

7 1,05 2 0,5 4

8 1,2 2,5 0,5 5

9 1,35 3 0,5 6

10 1,5 3 0,5 6

TABELA 10 – POTÊNCIA DAS BOMBAS PARA CONSUMO

RESIDENCIAL

Nº

Pessoas


10 50 100 200 500

(cv)

2 1/6 1/4 1/3 1/2 1,0

3 1/4 1/4 1/3 1/2 3/4

4 1/3 1/2 1/2 1/2 3/4

5 1/3 1/2 1/2 1/2 3/4

6 1/2 1/2 3/4 1,0 1,5

7 1/2 1/2 3/4 1,0 1,5

8 3/4 3/4 1,0 1,5 3,0

9 3/4 1,0 1,5 2,0 4,0

10 3/4 1,0 1,5 2,0 4,0

Para ao dimensionamento da fiação considerou-se

bombas monofásica com tensão de 220 V. A demanda de

potência aparente é dada pela Tabela 4. Então utilizando

os mesmos procedimentos da Subsecção A, dimensionou-

se a seção mínima dos condutores elétricos para atender

os critérios de capacidade de condução de corrente e de

queda de tensão, os eletrodutos e calculou-se os custos de

aquisição, operação e total.

A Tabela 11 apresenta o resultado da seção mínima dos

condutores. E as Tabelas 12, 13 e 14 apresentam os

custos de aquisição, operação e total respectivamente.

TABELA 11 – SEÇÃO MÍNIMA DO CONDUTORES EM SISTEMA DE

BOMBEAMENTO PARA CONSUMO RESIDENCIAL

Nº

Pessoas


10 50 100 200 500

(mm²)

2 2,5 2,5 2,5 4,0 16

3 2,5 2,5 2,5 4,0 16

4 2,5 2,5 2,5 4,0 16

5 2,5 2,5 2,5 4,0 16

6 2,5 2,5 2,5 6,0 25

7 2,5 2,5 2,5 6,0 25

8 2,5 2,5 4,0 10 35

9 2,5 2,5 4,0 10 50

10 2,5 2,5 4,0 10 50

TABELA 12 – CUSTO DE AQUISIÇÃO DO SISTEMA DE

BOMBEAMENTO ALIMENTADO PELA REDE ELÉTRICA PARA

CONSUMO RESIDENCIAL

Nº

Pessoas


10 50 100 200 500

(R$)

2 178,40 892,00 1784,00 3980,00 14935,00

3 178,40 892,00 1784,00 3980,00 14935,00

4 178,40 892,00 1784,00 3980,00 14935,00

5 178,40 892,00 1784,00 3980,00 14935,00

6 178,40 892,00 1784,00 4420,00 19120,00

7 178,40 892,00 1784,00 4420,00 19120,00

8 178,40 892,00 1990,00 5270,00 23130,00

9 178,40 892,00 1990,00 5270,00 30740,00

10 178,40 892,00 1990,00 5270,00 30740,00

6

TABELA 13 – CUSTO DE OPERAÇÃO DO SISTEMA DE


CONSUMO RESIDENCIAL

Nº

Pessoas


10 50 100 200 500

(R$)

2 162,45 243,68 324,91 487,36 974,72

3 243,68 243,68 324,91 487,36 731,04

4 324,91 487,36 487,36 487,36 731,04

5 324,91 487,36 487,36 487,36 731,04

6 487,36 487,36 731,04 974,72 1462,08

7 487,36 487,36 731,04 974,72 1462,08

8 731,04 731,04 974,72 1462,08 2924,16

9 731,04 974,72 1462,08 1949,44 3898,88

10 731,04 974,72 1462,08 1949,44 3898,88

TABELA 14 – CUSTO TOTAL DO SISTEMA DE BOMBEAMENTO

ALIMENTADO PELA REDE ELÉTRICA PARA CONSUMO RESIDENCIAL

Nº

Pessoas


10 50 100 200 500

(R$)

2 340,85 1135,68 2108,91 4467,36 15909,72

3 422,08 1135,68 2108,91 4467,36 15666,04

4 503,31 1379,36 2271,36 4467,36 15666,04

5 503,31 1379,36 2271,36 4467,36 15666,04

6 665,76 1379,36 2515,04 5394,72 20582,08

7 665,76 1379,36 2515,04 5394,72 20582,08

8 909,44 1623,04 2964,72 6732,08 26054,16

9 909,44 1866,72 3452,08 7219,44 34638,88

10 909,44 1866,72 3452,08 7219,44 34638,88

III.2 – Estimativa de custo do sistema de bombeamento

de água utilizando geração de energia solar fotovoltaica

A – Consumo em irrigação

Da Tabela 3, observa-se que a irrigação demanda bombas

de potência relativamente alta, logo é mais atrativo o uso

de bombas CA com inversores [1]. Então para a

estimativa de custo do sistema de bombeamento de água

utilizando energia solar fotovoltaica, considerou-se um

sistema composto por bombas trifásicas de potências

iguais às da Tabela 3 conectadas ao arranjo fotovoltaico

por um inversor especial para bombas de água trifásico

com potência de 1 cv a 10 cv. A Tabela 15 apresenta os

inversores e seu respectivos preços [10].

TABELA 15 – CUSTO DOS INVERSORES ESPECIAIS PARA BOMBAS

Potência (cv) Preço (R$)

1,0 2500,00

2,0 2900,00

3,0 3100,00

5,5 4500,00

7,5 5100,00

10 6800,00

Dessa forma, a potência dos inversores deve ser igual ou

maior que a potência da bomba. Considerou-se ainda que

estes inversores permitem o funcionamento da bomba

durante todo o dia, mesmo com a variação da radiação

solar. Então, o arranjo fotovoltaico é estimado em função

da energia consumida pela bomba em um dia para

fornecer a demanda de água diária. Logo, a energia diária

consumida em kWh é dada por:

Onde:

é a potência absorvida pela bomba (Tabela 4), em kW;

T é o tempo de funcionamento da bomba para atender a

demanda diária de água (Tabela 2), em horas.

No Brasil, a posição ideal dos painéis fotovoltaicos é

voltada para o Norte. Além disso, tem-se melhor

aproveitamento da energia solar durante o ano quando o

painel tem a inclinação igual a Latitude do local [1].

Logo, para a cidade de Itajubá – MG, considerou-se os

painéis fotovoltaicos instalados com inclinação de 22º

(Latitude de Itajubá) e orientados para o Norte. Para essa

condição, o valor médio anual de radiação solar é de 5,62

kWh/m²/dia [11]. Logo, tem-se que a potência pico do

sistema fotovoltaico necessária é:

Onde:

é a potência pico do sistema fotovoltaico, em Wp;

HSP é o valor médio anual de radiação solar, em

kWh/m²/dia.

Logo, a quantidade de painéis fotovoltaicos necessário

para atender o sistema é:

Onde:

é a potência pico nominal do módulo fotovoltaico.

A Tabela 16 apresenta a potência pico de alguns painéis e

seus respectivos preços [12].

Então, utilizando as equações (9), (10) e (11) e os painéis

da Tabela 16, estima-se tamanho do arranjo fotovoltaico

em Wp para atender a demanda diária de água. Este

resultado está na Tabela 17.

TABELA 16 – PAINÉIS FOTOVOLTAICOS UTILIZADOS NO

BOMBEAMENTO FOTOVOLTAICO PARA IRRIGAÇÃO

Painel (Wp) Preço (R$)

85 429,00

150 599,00

260 759,00

315 939,00

7

TABELA 17 – POTÊNCIA DO ARRANJO FOTOVOLTAICO DO SISTEMA

DE BOMBEAMENTO PARA IRRIGAÇÃO

Área

(m²)


10 50 100 200 500

(Wp)

1000 85 85 85 150 315

4000 260 315 630 630 1260

8000 630 630 630 945 1890

15 000 945 1260 1260 1890 3465

20 000 945 1575 1575 2520 4725

30 000 1575 1575 2205 3465 5040

A Tabela 18 contém o custo total do sistema dado pela

soma do custo do inversor utilizado com o custo do

arranjo fotovoltaico.

TABELA 18 – CUSTO TOTAL DO SISTEMA FOTOVOLTAICO NO

BOMBEAMENTO PARA IRRIGAÇÃO

Área

(m²)


10 50 100 200 500

(R$)

1000 2929,00 3329,00 3329,00 3699,00 6039,00

4000 3259,00 3839,00 4778,00 4978,00 8856,00

8000 4778,00 4978,00 4978,00 7317,00 12434,00

15 000 5717,00 6856,00 6856,00 10134,00 17129,00

20 000 5717,00 7795,00 7795,00 12012,00 20885,00

30 000 7795,00 7795,00 11073,00 15429,00 21824,00

B – Consumo residencial

Observa-se na Tabela 10 que para consumo residencial

não tem bombas de grandes potências. Visto que para

potências menores o sistema com bomba de corrente

contínua é atrativo [1], não se considerou neste caso o

dimensionamento fotovoltaico com uso de inversor.

Para o dimensionamento de um sistema de bombeamento

utilizando uma bomba de corrente contínua conectada

diretamente ao arranjo fotovoltaico, usou-se a bomba

Shurflo solar modelo 2088-443-144 que é uma bomba

pressurizadora de superfície com bombeamento por

diafragmas e com tensão de 12 Vcc [13].

Neste caso, a vazão da bomba varia ao longo do dia, de

acordo com a radiação solar, ou seja, a vazão é máxima

quando a radiação solar é máxima. Entretanto para

estimar o sistema fotovoltaico, estima-se o tempo

necessário de funcionamento da bomba na vazão máxima

para atender a demanda diária. E então a partir da energia

consumida pela bomba, estima-se a potência pico do

arranjo fotovoltaico.

A vazão máxima que a bomba fornece e a respectiva

corrente varia de acordo com a altura manométrica. A

Tabela 19 apresenta valores de vazão máxima e corrente

da bomba para algumas alturas manométricas [13].

TABELA 19 – VAZÃO E CORRENTE DA BOMBA EM CC EM FUNÇÃO

DA ALTURA MANOMÉTRICA

Altura manométrica

(m)

Vazão

(m³/h)

Corrente

(A)

0 0,792 5,3

7,0 0,642 5,8

14,0 0,582 7,0

21,1 0,522 8,0

28,1 0,456 9,1

35,2 0,396 9,9

Neste caso também se utilizou a equação (2) para calcular

a altura manométrica. Considerou-se a altura de recalque

de 7 metros e não considerou-se altura de sucção, visto

que utilizou-se um bomba de superfície flutuante.

Com os dados da Tabela 19, foi possível estimar

equações que fornecem a vazão e a corrente em função da

altura manométrica. Então, calculou-se a vazão máxima

da bomba e a corrente para as distâncias entre a bomba e

o ponto de consumo, obtendo os valores da Tabela 20

TABELA 20 – VAZÃO E CORRENTE DA BOMBA CC EM FUNÇÃO DA

DISTÂNCIA DA BOMBA

Distância da

bomba (m)

Altura

manométrica

(m)

Vazão

(m³/h)

Corrente

(A)

10 7,6 0,637 6,09

50 8,9 0,626 6,27

100 10,5 0,612 6,49

200 13,6 0,586 6,94

500 23,1 0,505 8,28

Dessa forma, o tempo de funcionamento da bomba para

atender a demanda diária de água da Tabela 9 é calculado

utilizando a equação (4). A Tabela 21 apresenta o tempo

em horas que a bomba deve funcionar considerando a

vazão máxima.

TABELA 21 – TEMPO DE FUNCIONAMENTO DA BOMBA EM VAZÃO

MÁXIMA

Nº Pessoas Distância da bomba (m)

10 50 100 200 500

(h)

2 1,18 1,20 1,22 1,28 1,49

3 1,57 1,60 1,63 1,71 1,98

4 2,36 2,40 2,45 2,56 2,97

5 2,36 2,40 2,45 2,56 2,97

6 3,14 3,20 3,27 3,42 3,96

7 3,14 3,20 3,27 3,42 3,96

8 3,93 3,99 4,08 4,27 4,95

9 4,71 4,79 4,90 5,12 5,94

10 4,71 4,79 4,90 5,12 5,94

Então, a energia que a bomba consome em Wh para

atender a demanda diária de água é dada por:

8

Onde:

é a tensão da bomba de 12 Vcc;

I é a corrente da bomba (Tabela 20), em A;

T é o tempo (Tabela 21), em horas.

Então, para calcular o tamanho do sistema fotovoltaico e

o número de placas utiliza-se as equações (10) e (11)

respectivamente. Assim, utilizando as placas da Tabela

22 [14], obtém-se a potência pico em Wp do arranjo

fotovoltaico. A Tabela 23 apresenta os valores de

potência pico e a Tabela 24 contém o preço dos arranjos

fotovoltaicos.

TABELA 22 – PAINÉIS FOTOVOLTAICOS UTILIZADOS NO

BOMBEAMENTO FOTOVOLTAICO PARA CONSUMO RESIDENCIAL

Placa (Wp) Preço (R$)

10 100,00

20 170,00

30 220,00

40 290,00

50 370,00

100 600,00

TABELA 23 – POTÊNCIA DO ARRANJO FOTOVOLTAICO DO SISTEMA

DE BOMBEAMENTO PARA CONSUMO RESIDENCIAL

Nº

Pessoas


10 50 100 200 500

(Wp)

2 20 20 20 20 30

3 20 30 30 30 40

4 40 40 40 40 100

5 40 40 40 40 100

6 50 50 50 100 100

7 50 50 50 100 100

8 100 100 100 100 100

9 100 100 100 100 200

10 100 100 100 100 200

TABELA 24 – CUSTO TOTAL DO SISTEMA FOTOVOLTAICO NO

BOMBEAMENTO PARA CONSUMO RESIDENCIAL

Nº

Pessoas


10 50 100 200 500

(R$)

2 170,00 170,00 170,00 170,00 220,00

3 170,00 220,00 220,00 220,00 290,00

4 290,00 290,00 290,00 290,00 600,00

5 290,00 290,00 290,00 290,00 600,00

6 370,00 370,00 370,00 600,00 600,00

7 370,00 370,00 370,00 600,00 600,00

8 600,00 600,00 600,00 600,00 600,00

9 600,00 600,00 600,00 600,00 1200,00

10 600,00 600,00 600,00 600,00 1200,00

Ao observar a Tabela 23, conclui-se que não é viável o

uso de bomba CC para distância de 500 metros e

consumo de 9 e 10 pessoas, pois a potência pico do

arranjo fotovoltaico necessário para atender a demanda de

água é maior qua a potência máxima da bomba, que é de

120 W, visto que o catalogo do fabricante fornece que a

bomba consome no máximo 10 A e sua tensão é de 12

Vcc.

III.3 – Análise comparativa

Para fazer uma análise comparativa entre os sistemas de

bombeamento de água alimentado pela rede elétrica e o

alimentado por geração fotovoltaica considerou-se a

compra do sistema fotovoltaico. Dessa forma, o custo

total do sistema de bombeamento fotovoltaico é um fluxo

de caixa negativo e o custo total do sistema de

bombeamento alimentado por rede elétrica é um fluxo de

caixa positivo, visto que é uma economia quando se

compra o sistema fotovoltaico. A Tabela 25 apresenta o

resultado desta comparação.

Neste caso, valores negativos significam que

financeiramente não é vantajoso utilizar um sistema de

bombeamento fotovoltaico. Observa-se que para área

irrigada a partir de 8000 m² o sistema fotovoltaico é

economicamente viável independente da distância da

bomba para o ponto de entrega de energia e que para as

áreas menores o sistema fotovoltaico tornou-se viável a

partir de uma distância de 100 m da bomba.

TABELA 25 – COMPARAÇÃO ENTRE OS CUSTOS TOTAIS DO

SISTEMA FOTOVOLTAICO E CONVENCIONAL PARA IRRIGAÇÃO

Área

(m²)


10 50 100 200 500

(R$)

1000 -2008,06 -1257,57 54,51 4966,26 44050,74

4000 -228,04 1182,73 2228,02 9121,03 54117,95

8000 849,23 4224,44 5621,44 14015,87 28888,36

15 000 4643,65 9446,57 10843,57 22861,63 47811,67

20 000 8024,66 13579,10 14976,10 29314,18 60925,89

30 000 14157,70 15028,10 20324,99 44111,84 64806,96

Na Tabela 26 observa-se que para o consumo

residencial, o uso bombeamento fotovoltaico com bomba

CC em vez do bombeamento convencional foi

economicamente viável em todas as situações, exceto

para o concumo de 2 pessoas com bomba a uma distância

de 10 m e para os casos de maior demanda em que o uso

da bomba CC não é viável devido à sua baixa potência.

9

TABELA 26 – COMPARAÇÃO ENTRE OS CUSTOS TOTAIS DO

SISTEMA FOTOVOLTAICO E CONVENCIONAL PARA CONSUMO

RESIDENCIAL

Nº

pessoas


10 50 100 200 500

(R$)

2 -29,15 765,68 1738,91 4097,36 15489,72

3 52,08 715,68 1688,91 4047,36 15176,04

4 13,31 889,36 1781,36 3977,36 14866,04

5 13,31 889,36 1781,36 3977,36 14866,04

6 95,76 809,36 1945,04 4594,72 19782,08

7 95,76 809,36 1945,04 4594,72 19782,08

8 109,44 823,04 2164,72 5932,08 25254,16

9 109,44 1066,72 2652,08 6419,44 33238,88

10 109,44 1066,72 2652,08 6419,44 33238,88

Sabe-se que condições de mercado podem alterar ao

longo do tempo. Logo, comparou-se os custos de

aquisição do sistema de bombeamento de água utilizando

a rede elétrica e do sistema utilizando geração

fotovoltaica, que estão respectivamente nas Tabela 27 e

28. Observa-se que a compra sistema utilizando geração

fotovoltaica é economicamente viável quando a distância

entre a bomba e o ponto de consumo é de 500 m e para a

distância de 200 m, a geração fotovoltaica tem custo

menor para áreas de até 8000 m².



IRRIGAÇÃO

Área

(m²)


10 50 100 200 500

(R$)

1000 178,40 892,00 2210,00 5974,00 50320,00

4000 178,40 892,00 2210,00 5974,00 50320,00

8000 178,40 995,00 2210,00 7648,00 50320,00

15 000 178,40 995,00 2210,00 7648,00 50320,00

20 000 178,40 995,00 2210,00 7648,00 50320,00

30 000 178,40 995,00 2635,00 9252,00 50320,00


BOMBEAMENTO ALIMENTADO POR GERAÇÃO FOTOVOLTAICA PARA

IRRIGAÇÃO

Área

(m²)


10 50 100 200 500

(R$)

1000 2929,00 3329,00 3329,00 3699,00 6039,00

4000 3259,00 3839,00 4778,00 4978,00 8856,00

8000 4778,00 4978,00 4978,00 7317,00 12434,00

15 000 5717,00 6856,00 6856,00 10134,00 17129,00

20 000 5717,00 7795,00 7795,00 12012,00 20885,00

30 000 7795,00 7795,00 11073,00 15429,00 21824,00

As Tabelas 29 e 30 contém os custos de aquisição do

sistema alimentado pela rede elétrica e do sistema

alimentado por geração fotovoltaica, respectivamente.

Observa-se que para o consumo residencial o custo de um

sistema de bombeamento de água utlizando geração

fotovoltaica é menor a partir de distâncias de 50 m entre a

bomba e o ponto de consumo.



CONSUMO RESIDENCIAL

Nº

Pessoas


10 50 100 200 500

(R$)

2 178,40 892,00 1784,00 3980,00 14935,00

3 178,40 892,00 1784,00 3980,00 14935,00

4 178,40 892,00 1784,00 3980,00 14935,00

5 178,40 892,00 1784,00 3980,00 14935,00

6 178,40 892,00 1784,00 4420,00 19120,00

7 178,40 892,00 1784,00 4420,00 19120,00

8 178,40 892,00 1990,00 5270,00 23130,00

9 178,40 892,00 1990,00 5270,00 30740,00

10 178,40 892,00 1990,00 5270,00 30740,00


BOMBEAMENTO ALIMENTADO POR GERAÇÃO FOTOVOLTAICA PARA

CONSUMO RESIDENCIAL

Nº

Pessoas


10 50 100 200 500

(R$)

2 170,00 170,00 170,00 170,00 220,00

3 170,00 220,00 220,00 220,00 290,00

4 290,00 290,00 290,00 290,00 600,00

5 290,00 290,00 290,00 290,00 600,00

6 370,00 370,00 370,00 600,00 600,00

7 370,00 370,00 370,00 600,00 600,00

8 600,00 600,00 600,00 600,00 600,00

9 600,00 600,00 600,00 600,00 1200,00

10 600,00 600,00 600,00 600,00 1200,00

IV. CONCLUSÃO

O sistema de bombeamento utilizando geração

fotovoltaica mostrou-se atrativo principalmente para

pequenas potências, onde há a possibilidade de usar

bomba CC diretamente acoplada aos painéis

fotovoltaicos. E para a irrigação o sistema fotovoltaico

foi atrativo na maioria dos casos.

Este estudo preliminar pode ser usado como referência

para determinar os parâmetros em que é atrativo fazer um

estudo mais detalhado de um projeto de bombeamento

fotovoltaico. Além disso, os parâmetros analisados são

simples de serem estimados, de forma que não se

constitui um processo muito complicado o de verificar a

viabilidade de se adquirir um sistema de bombeamento

com geração fotovoltaica.

10

Esse tipo de sistema pode melhorar a vida de muitas

pessoas que ainda não tem acesso à rede elétrica ou que

moram em locais em que o fornecimento de água é

escasso. E na agricultura estes sistemas de bombeamento

podem tornar viável o cultivo de algumas culturas em

regiões em que não seria possível o cultivo sem irrigação.

Em um estudo mais detalhado de um projeto de sistema

de bombeamento de água fotovoltaico, sugere-se fazer a

correção de potência pico dos painéis fotovoltaicos para a

temperatura média local, pois a potência fornecida pelo

catálogo do fabricante é para operação dos painéis a 25ºC

e para temperaturas maiores a potência pico fornecida

pelo painel é menor. Sugere-se ainda fazer uma análise

para cada mês do ano, utilizando a radiação solar média

mensal para verificar se em todos os meses do ano a

demanda de água será atendida. Além disso, deve-se

considerar que a demanda hídrica de uma plantação

depende das características climáticas da região e varia

durante o ano, de acordo com sua fase de crescimento.

Ressalta-se que este estudo considerou condições atuais

de mercado que podem se alterar ao longo do tempo de

forma que um ou outro sistema passem a ser mais ou

menos atrativo para uma aplicação específica.

REFERÊNCIAS

[1] L.R.V. Morales, “Utilização de Sistemas

Fotovoltaicos de Bombeamento para Irrigação em

Pequenas Propriedades Rurais”, 2011, Dissertação

(Mestrado – Programa de Pós-Graduação em

Energia), Universidade de São Paulo, São Paulo,

2011.

[2] Norma Brasileira ABNT NBR 5410:2004,

“Instalações elétricas de baixa tensão”.

[3] P.H.M.G. Costa, “O Balanço Hídrico como

Ferramenta de Apoio a Tomada de Decisão na

Gestão dos Recursos Hídricos”, Produção Científica

do Projeto Macacu, 2009.

[4] D.A.P. de Sá, “Sistemas Fotovoltaicos para

bombeamento de Água”, Trabalho Final de

Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade

Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2010.

[5] Tabela para seleção de bombas e motobombas.

Disponível em:

http://www.schneider.ind.br/media/205035/tabela-

2016-b-internet.pdf.

Acesso em 13 de Setembro de 2016.

[6] Catálogos de fabricante. Disponível em:

http://www.schneider.ind.br/produtos/#produtos.

Acesso em 2 de outubro de 2016.

[7] Norma de Distribuição Cemig, “Norma técnica ND-

5.1”. Disponível em: http://www.cemig.com.br/pt-

br/atendimento/Clientes/Documents/Normas%20T%

C3%A9cnicas/nd5_1_000001p.pdf.

Acesso em 30 de Outubro de 2016.

[8] G. Cavalin e S. Cervelin, “Instalações Elétricas

Prediais”, Ed. Érica, 2011.

[9] Preço SETOP, “Planilha Referencial de Preços

Unitários para Obras de edificação e infraestrutura”.

Junho de 2016.

[10] Água Solar. Disponível em:

http://www.aguasolar.com.br//produto/inversor/21.


[11] Solar and Wind Energy Resource Assessment –

SWERA. Disponível em:

https://maps.nrel.gov/swera/#/?aL=0&bL=groad&cE

=0&lR=0&mC=40.21244%2C-91.625976&zL=4.


[12] Loja Virtual Minha Casa Solar. Disponível em:

http://www.minhacasasolar.com.br/painel-solar-

fotovoltaico.


[13] Catalogo de Fabricante. Disponível em:

http://minhacasasolar.hospedagemdesites.ws/Manuai

s_ficha_tecnicas/Ficha%20t%C3%A9cnica%20Shurf

lo%20Pentair%202088-443-

144%20em%20portugu%C3%AAs.pdf.


[14] Loja Virtual Americanas. Disponível em:

http://www.americanas.com.br/busca/?conteudo=pai

nel%20solar.


BIOGRAFIA:

Pâmela Santiago Leitão Nasceu em Porto Velho (RO), em 1991.

Ingressou na Universidade Federal de

Itajubá em 2011. É estagiária na

Diretoria de Obras da Unifei.

http://www.schneider.ind.br/media/205035/tabela-2016-b-internet.pdf

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http://www.schneider.ind.br/produtos/#produtos

http://www.cemig.com.br/pt-br/atendimento/Clientes/Documents/Normas%20T%C3%A9cnicas/nd5_1_000001p.pdf



http://www.aguasolar.com.br/produto/inversor/21

https://maps.nrel.gov/swera/#/?aL=0&bL=groad&cE=0&lR=0&mC=40.21244%2C-91.625976&zL=4

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http://www.minhacasasolar.com.br/painel-solar-fotovoltaico

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http://minhacasasolar.hospedagemdesites.ws/Manuais_ficha_tecnicas/Ficha%20t%C3%A9cnica%20Shurflo%20Pentair%202088-443-144%20em%20portugu%C3%AAs.pdf




http://www.americanas.com.br/busca/?conteudo=painel%20solar

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