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GRAZIELA ESTEVES MAGALHÃES
BOMBEAMENTO DE ÁGUA UTILIZANDO SISTEMA FOTOVOLTAICO
AUTÔNOMO: um estudo de caso
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-
Graduação em Engenharia de Edificações e
Ambiental da Universidade Federal de Mato
Grosso, como requisito parcial para obtenção
do título de Mestre.
Área de concentração:
Tecnologia Ambiental
Orientador:
Prof. Dr. Bismarck Castillo Carvalho
Co-Orientador:
Prof. Dr. Evandro A. Soares da Silva
Cuiabá-MT
Maio, 2016
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DEDICATÓRIA
À minha família pela compreensão de minha ausência e longos períodos de estudos, ao
meu esposo Joselito pelo apoio e auxílio, ao meu filho amado João Pedro, que mesmo com as
dificuldades enfrentadas está tornando-se um homem forte e decidido, e à minha estilosa filha
Esther, sempre ao meu lado incentivando.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Universidade Federal de Matogrosso - UFMT pela oportunidade desta
capacitação através do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Edificações e Ambiental
– PPEGGEA.
Agradeço aos Mestres Doutores que, com paciência e otimismo, adubaram e
semearam o conhecimento e a pesquisa em terreno que certamente dará bons frutos.
Agradeço aos Membros da Banca que trouxeram orientações valiosas e que
possibilitaram a conclusão do trabalho.
Agradeço ao orientador Prof. Dr. Bismarck Castillo Carvalho e co-orientador Prof. Dr.
Evandro A. Soares da Silva pela confiança e apoio.
Agradeço a Direção e Coordenação da Escola Técnica Estadual de Educação
Profissional e Tecnologia – Sinop/MT por ceder equipamentos e permitir que participasse dos
eventos científicos necessários para a qualificação desta pós-graduação.
Agradeço ao corpo de Professores do PPGEEA que nos acompanhou durante esses dois
anos, cobrando qualidade e comprometimento com a pesquisa na busca do nosso crescimento
profissional, ao proporcionar-nos desbravar o nosso limitado horizonte, alargando nossa visão
com provocações para o pensar e o descobrir, conduzindo-nos até aqui.
Agradeço a minha família, que suportou firme a ausência da mãe e esposa, incentivando-
me a continuar mesmo quando todas as dificuldades levavam-me a pensar em desistir.
Agradeço a minha mãe, irmãos e sobrinhas, pelo apoio e adaptação que fizeram na rotina
diária, com um levar e buscar em rodoviária, aeroporto e faculdade e a felicidade que sentem
por este feito.
Agradeço aos colegas do mestrado que, mesmo em meio às diferenças, compartilharam
experiências, vivências e descobertas além de animarem a caminhada.
Agradeço aos amigos que colaboraram com incentivo moral e material no decorrer da
pós-graduação.
O meu muito obrigado a todos que colaboram para o desenvolvimento deste trabalho.
Por fim, agradeço especialmente a Deus, a quem recorri inúmeras vezes para que me
inspirasse a superar todos os desafios propostos por esta pós-graduação há muito almejada.
Obrigada Deus pela determinação que me destes para realizar este projeto de vida e pela
coragem para enfrentar as dificuldades interpostas.
“A menos que modifiquemos a nossa maneira de pensar, não seremos capazes de
resolver os problemas causados pela forma como nos acostumamos a ver o mundo”.
Albert Einstein
RESUMO
MAGALHÃES, G. E. Bombeamento de Água Utilizando Sistema Fotovoltaico Autônomo:
um estudo de caso. Cuiabá-MT, 2016. 104 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia de
Edificações e Ambiental) – Faculdade de Arquitetura, Engenharia e Tecnologia (FAET),
Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Edificações e Ambiental – Universidade
Federal de Mato Grosso. (PPGEEA- UFMT), Cuiabá/MT, 2016.
Na região do município de Sinop-MT é comum o uso de motobombas centrífugas CA de
pequena potência para elevar a água de cisternas ou de poços tubulares de pequena
profundidade para reservatório localizado, normalmente, cerca de três metros do solo, na altura
dos telhados das edificações, para suprir as necessidades diárias de consumo de água dos
usuários. Este trabalho objetiva a implantação de um sistema de bombeamento fotovoltaico
autônomo utilizando motobomba de pequena potência de corrente contínua, acoplada
diretamente ao painel fotovoltaico. Esta alternativa tem por objetivo reduzir a dependência do
consumidor da companhia de abastecimento de água e da concessionária de energia elétrica,
em situações de falta de abastecimento de água ou suprimento de energia elétrica. Convém
expor que o abastecimento de água do município em estudo é feito por bombeamento direto, de
poços artesianos espalhados pelos bairros do município, sem uso de reservatório de água. O
método escolhido para avaliar o sistema de bombeamento proposto foi experimental, através
de estudo de caso. O sistema de bombeamento fotovoltaico autônomo implementado utiliza
água subterrânea de um poço tubular de pequena profundidade, caseiro, para atender a
necessidade de consumo da edificação, habitada por uma família composta de quatro pessoas.
O dimensionamento do sistema considera os valores médios de radiação da região e o consumo
diário de água para uma autonomia de três dias. Determina-se a altura manométrica, a
capacidade do reservatório de água superior de acordo com o consumo diário, monitora-se a
tensão gerada pelos painéis fotovoltaicos, corrente e a potência consumida pela motobomba. O
sistema implantado deve atender as necessidades do usuário, proporcionar economia de energia
elétrica e autonomia da concessionária de energia elétrica e de abastecimento de água.
Palavras-chave: Energia, Fotovoltaica, Bombeamento.
ABSTRACT
MAGALHÃES, G. E. Water Pumping Using an Autonomous Photovoltaic System: A Case
Study. Cuiabá-MT, 2016. 104 p. Dissertation (Masters in Buildings and Environmental
Engineering) - Faculty of Architecture, Engineering and Technology (FAET), Graduate
Program in Environmental Engineering and Buildings - Federal University of Mato Grosso.
(PPGEEA-UFMT), Cuiabá / MT, 2016.
In Sinop-MT municipality region is common to use CA centrifugal motor pumps of low power
to raise water cisterns or wells of small depth to reservoir located usually about three meters
above the ground, the height of the roofs of buildings, to meet the daily needs of water
consumption of users. This work aims at the establishment of an autonomous photovoltaic
pumping system using pump of low power DC coupled directly to the PV panel. This alternative
aims to reduce dependence on the consumer of the water supply company and electric utility in
situations of lack of water or electricity supply. It should expose the municipal water supply
study is done by direct pumping of artesian wells scattered throughout the city's neighborhoods,
using no water tank. The method chosen to evaluate the proposed pumping system was
experimental, through case study. The stand-alone photovoltaic pumping system implemented
uses underground water from a tube well in shallow, home to meet the consumption needs of
the building, inhabited by a family composed of four people. The system design considers the
average values of radiation of the region and the daily consumption of water for a series of three
days. Determine the head height, the capacity of the upper water reservoir according to the daily
consumption, the voltage generated is monitored by the photovoltaic panels, current and power
consumed by the pump. The implanted system must meet user needs, provide economy of
electric power and autonomy of the electric utility and water supply.
Keywords: Energy, Photovoltaic, Pumping
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Evolução da capacidade instalada de PV - 2000-2014 ............................................ 25
Figura 2 – Distribuição PV Instalado no mundo por habitantes .............................................. 26
Figura 3 - Diagrama de blocos dos tipos de bombas hidráulicas ............................................. 29
Figura 4 - Bomba Vibratória (Sapo) ......................................................................................... 30
Figura 5 - Campo de aplicação de bombas ............................................................................... 30
Figura 6 - Bomba Centrífuga Submersas ................................................................................. 31
Figura 7 - Bomba Centrífuga de Superfície ............................................................................. 31
Figura 8 – Diagrama de sistema fotovoltaico em função da carga utilizada ............................ 33
Figura 9 - Sistema conectado à rede ......................................................................................... 34
Figura 10 – Exemplo de sistema híbrido. ................................................................................. 35
Figura 11 - Diagrama do sistema fotovoltaico de abastecimento de água ............................... 38
Figura 12 - Configurações de sistemas de bombeamento fotovoltaico mais utilizadas ........... 38
Figura 13 - Bombeamento direto .............................................................................................. 39
Figura 14 - Bombeamento fotovoltaico indireto ...................................................................... 39
Figura 15 – Órbita da terra em torno do Sol, com seu eixo N-S inclinado de um ângulo de
23,5º, indicando as estações do ano. ................................................................... 40
Figura 16 - Órbita da terra em torno do Sol, com seu eixo N-S inclinado de um ângulo de
23,45º ..................................................................................................................... 41
Figura 17 – Potencial anual médio de energia solar para o período de 10 anos ....................... 42
Figura 18 – Ilustração dos ângulos θz, α, γs, representando a posição dosol em relação ao
plano horizontal ..................................................................................................... 42
Figura 19 - Estrutura básica de uma célula fotovoltaica de silício destacando: (1) região tipo n;
(2) região tipo p, (3)zona de carga espacial, onde se formou a junção pn e o campo
elétrico; (4) geração de par elétron-lacuna; (5) filme antirreflexo; (6) contatos
metálicos. ............................................................................................................... 44
Figura 20 - Gráfico de desempenho de painéis da Solar Innova .............................................. 45
Figura 21 - Influência da temperatura na célula fotovoltaica curva I- V (radiação de
1000Wm²) .............................................................................................................. 46
Figura 22 - Curvas características para um módulo standart com 36 células ........................... 47
Figura 23 - Curva característica I-V e curva de potência P-V para um módulo de potência
nominal de 100Wp ................................................................................................. 48
Figura 24 - Definição de fator de forma ................................................................................... 48
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Figura 25 - Ferramenta para perfuração ................................................................................... 51
Figura 26 - Utilizando a ferramenta que fabrica o poço ........................................................... 51
Figura 27 – Parâmetros característicos obtidos com a vazão máxima ..................................... 52
Figura 28 – Diagrama de blocos do Sistema fotovoltaico de bombeamento adotado .............. 54
Figura 29 – Insolação radiação solar global diária média mensal (Mj/m²) no território nacional
............................................................................................................................. 55
Figura 30 – Painel fotovoltaico SP70 da Siemens .................................................................... 57
Figura 31 – Bomba Shurflo modelo 9325 ................................................................................ 59
Figura 32 – Dimensões do reservatório de 2500 Litros ........................................................... 60
Figura 33 – Detalhes construtivos do sistema de bombeamento .............................................. 64
Figura 34 - Detalhe isométrico do sistema de bombeamento ................................................... 65
Figura 35 – Montagem dos equipamentos do experimento ...................................................... 69
Figura 36 – Caixa d’agua sobre estrutura de madeira .............................................................. 70
Figura 37 - O poço com o cabo de alimentação de energia, mangueira flexível de ½” e corda
de segurança ........................................................................................................ 71
Figura 38 - Chave boia ............................................................................................................. 72
Figura 39 - Dimensões e módulo de instalação do módulo ...................................................... 73
Figura 40 – Painel solar instalado sobre a lage da sacada ........................................................ 73
Figura 41 - Estação meteorológica e o sensor de temperatura ambiente.................................. 74
Figura 42 – Sensor de temperatura DS1820 ............................................................................. 74
Figura 43 - Hidrômetro com sensor .......................................................................................... 75
Figura 44 - Quadro com equipamentos de medições. .............................................................. 75
Figura 45 - Placa de aquisição de dados ................................................................................... 76
Figura 46 – Potência consumida pela carga em 01-03-2016 .................................................... 80
Figura 47 – Simulação do painel SP70 no PSIM physical mode utility................................... 82
Figura 48 – Gráfico da tensão em função do tempo no dia 01-03-2016 .................................. 83
Figura 49 - Gráfico da tensão em função do tempo no dia 02-03-2016 ................................... 83
Figura 50 - Gráfico da tensão em função do tempo no dia 03-03-2016 ................................... 84
Figura 51 - Gráfico da tensão em função do tempo no dia 04-03-2016 ................................... 84
Figura 52 - Gráfico da vazão acumulada a cada 15minutos em função do tempo no dia 01-03-
2016 ..................................................................................................................... 85
Figura 53 - Gráfico da vazão acumulada a cada 15minutos em função do tempo no dia 02-03-
2016 ..................................................................................................................... 86
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Figura 54 - Gráfico da vazão acumulada a cada 15minutos em função do tempo no dia 03-03-
2016 ..................................................................................................................... 86
Figura 55 - Gráfico da vazão acumulada a cada 15minutos em função do tempo no dia 04-03-
2016 ..................................................................................................................... 86
Figura 56 - Gráfico da temperatura no painel FV em função da hora do dia 01-03-2016 ....... 87
Figura 57 - Gráfico da Temperatura no painel FV em função da hora do dia 02-03-2016 ...... 87
Figura 58 - Gráfico da temperatura no painel FV em função da hora do dia 03-03-2016 ....... 88
Figura 59 - Gráfico da temperatura no painel FV em função da hora do dia 04-03-2016 ....... 88
Figura 60 – Gráfico da Potência consumida em função da Vazão no dia 01-03-2016 ............ 89
Figura 61 – Gráfico da Potência consumida em função da Vazão no dia 02-03-2016 ............ 89
Figura 62 – Gráfico da Potência consumida em função da Vazão no dia 03-03-2016 ............ 89
Figura 63 - Gráfico da Potência consumida em função da Vazão no dia 04-03-2016 ............. 90
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LISTA DE ABREVIATURAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
CA Corrente alternada
CC Corrente contínua
CRESESB Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito
DEC Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora
DNPM Departamento nacional de Produção Mineral
EPIA European Photovoltaic Industry Association (Associação Europeia da Indústria
Fotovoltaica)
FEC Frequência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora
FF Fator de Forma
GND Ground (Terra)
HSP Hora de Sol Pleno
IEC International Eletrotechnical Comission
Imp Corrente de Potência Máxima
Isc Corrente de Curto-circuito
LPT Luz para Todos
MIGDI Microssistema Isolado de Geração e Distribuição de Energia Elétrica
MME Ministério de Minas e Energia
MPP Ponto de Máxima Potência
MVM Multivapor metálico
NBR Norma Brasileira
NOCT Normal Operation Cell Temperature
Pm Potência Máxima
PRODEEM Programa de Desenvolvimento Energético de Estados e Municípios
PROINFA Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia
PVC Polyvinyl chloride (Policloreto de polivinila)
SBFV Sistemas de Bombeamento Fotovoltaico
SF Sistema Fotovoltaico
SFCR Sistema Fotovoltaicos Conectados à Rede
13
SFH Sistema Fotovoltaico Híbrido
SFI Sistema Fotovoltaico Isolados ou Autônomo
SIGFI Sistema Individual de Geração de Energia Elétrica com Fonte Intermitente
SUNDATA Programa da CRESCESB para cálculo da irradiação solar diária média mensal
em qualquer ponto do território do Brasil
SWERA Solar and Wind Energy Resource Assessment
UFMT Universidade Federal de Mato Grosso
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LISTA DE SÍMBOLOS E MEDIDAS
A Área útil do modulo [m²]
Cd Consume diário [l/d]
CR Capacidade total do reservatório [l]
d Diâmetro interno da tubulação [mm]
DT Comprimento total da tubulação [m]
E𝑐 Energia consumida [Wh]
E𝑑 Energia disponível [W ]
H2 Nível dinâmico [m]
H3 Submersão [m]
HT Altura manométrica total [m]
ƞb Eficiência da motobomba [ ]
ƞg Eficiência do Sistema [ ]
Ƞ𝑝 Eficiência do painel [ ]
PC Potência consumida [W]
PNOM Potência nominal do arranjo fotovoltaico [Wp]
Ppainel Potência do painel [Wp]
P População que ocupará a edificação [und]
PCT Perdas de carga [m.c.a]
Ph Potência hidráulica do Sistema [W]
𝑄𝐷𝐼𝐴 Vazão diária [m³/dia]
q Consume por pessoa [l/d]
Q Vazão [m³/h]
Qr Capacidade de reposição do poço [l/s]
R𝑠 Irradiação solar global [W𝑚−2]
R𝒕 Irradiação total [W]
t Tempo [h]
Ta Temperatura ambiente [°C]
V Tensão [V]
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 17
1.1 Justificativa ............................................................................................................. 20
1.2 Objetivo Geral ........................................................................................................ 22
1.3 Objetivos Específicos .............................................................................................. 22
1.4 Estrutura do trabalho ............................................................................................ 23
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .............................................................................. 24
2.1 Panorama da energia fotovoltaica ........................................................................ 24
2.2 Sistema de bombeamento ...................................................................................... 27
2.3 Máquinas hidráulicas ............................................................................................. 27
2.3.1 Máquinas motrizes ................................................................................................. 27
2.3.2 Máquinas mistas ..................................................................................................... 28
2.3.3 Máquinas geratrizes ou operatrizes ...................................................................... 28
2.4 Sistemas fotovoltaicos ............................................................................................. 31
2.4.1 Sistemas Fotovoltaicos Isolados ou Autônomos – SFI ........................................ 32
2.4.2 Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede – SFCR............................................ 33
2.4.3 Sistemas Fotovoltaicos Híbridos – SFH ................................................................ 34
2.5 História do bombeamento fotovoltaico ................................................................. 35
2.6 Sistema de bombeamento fotovoltaico ................................................................. 36
2.7 Componentes do sistema fotovoltaico de bombeamento direto utilizando bomba
de deslocamento positivo submersa ...................................................................... 39
2.7.1 Fonte de energia: o Sol ........................................................................................... 40
2.7.2 Módulos Fotovoltaicos ........................................................................................... 43
2.7.3 Reservatório de água .............................................................................................. 49
2.7.4 Fonte de água: Poço ............................................................................................... 50
3 MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................. 53
3.1 Caracterização do sistema ..................................................................................... 53
3.2 Localização do experimento .................................................................................. 54
3.3 Materiais .................................................................................................................. 54
3.3.1 Dados Solarimétricos da Localidade .................................................................... 55
3.3.2 Gerador Fotovoltaico ............................................................................................. 56
3.3.3 Conjunto Motobomba ............................................................................................ 58
3.3.4 Fonte de Água – Poço ............................................................................................. 59
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3.3.5 Reservatório de Água ............................................................................................. 60
3.3.6 Hidrômetro .............................................................................................................. 60
3.3.7 Estação Meteorológica Portátil com Sensor Remoto Básica ITWH1280 .......... 61
3.3.8 Sensor DS1820 ........................................................................................................ 61
3.3.9 Placa de aquisição de dados ................................................................................... 62
3.3.10 Equipamentos usados ............................................................................................. 62
3.4 Método ..................................................................................................................... 63
3.4.1 Dimensionamento do sistema de bombeamento .................................................. 63
3.4.2 Estimativa do consumo de água ............................................................................ 63
3.4.3 Determinação da altura manométrica .................................................................. 64
3.4.4 Cálculo da potência consumida ............................................................................. 66
3.4.5 Cálculo da energia disponível e da energia consumida pelo sistema ................. 66
3.4.6 Cálculo da potência hidráulica diária .................................................................. 67
3.4.7 Cálculo da eficiência dos componentes ................................................................. 67
3.4.8 Dimensionamento do gerador fotovoltaico .......................................................... 68
3.4.9 Montagem do experimento .................................................................................... 69
3.4.10 Medição ................................................................................................................... 76
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ......................................................................... 77
4.1 Determinação dos dados do sistema de bombeamento ....................................... 77
4.1.1 Dimensionamento do sistema de bombeamento .................................................. 77
4.1.2 Simulação do painel fotovoltaico ........................................................................... 81
4.1.3 Tensão em função do tempo .................................................................................. 82
4.1.4 Teste de capacidade do poço .................................................................................. 84
4.1.5 Volume bombeado .................................................................................................. 85
4.1.6 Temperatura do painel .......................................................................................... 87
4.1.7 Temperatura ambiente .......................................................................................... 90
4.1.8 Potência demandada em função do volume bombeado ...................................... 88
4.1.9 Relação Custo x Benefíco – Payback .................................................................... 91
5 CONCLUSÃO ........................................................................................................ 95
REFERÊNCIA ........................................................................................................ 97
APÊNDICE A ...................................................................................................... 100
17
1 INTRODUÇÃO
O Brasil é um país exemplo no uso de fontes renováveis de energia elétrica. Dada a
abundância natural, sua matriz energética é predominantemente hidráulica. Por outro lado,
dada sua extensa área territorial, o transporte da energia gerada se constitui num desafio, tanto
pelas barreiras físicas a serem vencidas, quanto pelo volume de recursos necessários para a
construção das linhas de transmissão.
A fonte de energia hidráulica, contudo, passa por sazonalidade das chuvas e ou dos
ciclos hidrológicos, períodos de estiagens mais prolongados ou chuvas com precipitação
aquém do necessário, podendo constituir-se num sério problema para a população e poder
público. Um exemplo recente, relacionado com o abastecimento de água, é o ocorrido no
estado de São Paulo - reservatório Cantareira – quando tornou-se necessário o estabelecimento
de racionamento para toda a população. O nível dos reservatórios do Cantareira atingiu valores
críticos, tanto para o suprimento de água para a comunidade quanto para a geração de energia
elétrica. Uma alternativa paliativa para superar o desequilíbrio entre demanda e oferta de
energia elétrica, foi o uso mais intenso da geração térmica, movidas a carvão, diesel ou gás,
sabidamente com custo de operação bem mais elevado, notadamente com a implantação das
bandeiras tarifárias a partir de 2015 (ANEEL, 2014), penalizando todos os setores econômicos
do país.
Na busca de uma maior autonomia energética, adicionalmente às pequenas e grandes
centrais hidroelétricas, o país vem investindo em outras fontes de energia como a da biomassa,
da energia solar e a eólica (SILVA 2015). No caso do campo, em menor escala, utilizam-se,
ainda, o uso da roda d’agua, do carneiro mecânico, dentre outras tecnologias para suprir sua
necessidade de energia e água (CARARO I, et al., 2007).
Nesse contexto, com o objetivo de superar as dificuldades de suprimento de energia
elétrica e possibilitar a universalização do seu uso, notadamente em áreas remotas, o Poder
público concebeu um conjunto de programas a serem implantados gradativamente no país. Na
sequência, são apresentados os principais programas estabelecidos no país, com uma breve
descrição de sua finalidade e situação atual em que se encontram.
O PRO-SOLAR foi um programa criado no ano de 1987 com a participação do
Governo juntamente com a indústria, universidades, centros de pesquisa, associações
científicas e agências de financiamento que visava a utilização dos recursos disponíveis
localmente para reduzir a dependência crônica de recursos externos. Se implementado
18
corretamente, a opção fotovoltaica viria a ser muito benéfica e, num período de cinco a dez
anos, poderia se tornar economicamente competitiva.
Entretanto, para que isso acontecesse, os esforços de pesquisa e desenvolvimento
precisariam ser direcionados para reduzir o alto custo dos painéis solares fotovoltaicos e
componentes no mercado brasileiro (DHERE, 1989).
O programa foi descontinuado em razão da redução dos preços internacionais do
petróleo e as descobertas de reservas de petróleo significativas no Brasil.
O PRODEEM - Programa de Desenvolvimento Energético de Estados e Municípios,
surge em 1994 e permaneceu até 2001, visava oferecer abastecimento elétrico em áreas rurais
através de tecnologias renováveis por meio de sistemas fotovoltaicos, eólicos, pequenas
centrais hidroelétricas e combustíveis de biomassa (RUIZ, 2006).
O referido programa tinha por objetivos a instalação de pequenos sistemas de geração
elétrica em comunidades isoladas a fim de satisfazer as necessidades básicas; apoiar a renda,
criar novos empregos, aumentar o valor da produção rural; promover tecnologias renováveis
e fornecer tecnologia, treinamento e capacitação da comunidade para instalar, operar e manter
os sistemas instalados bem como aumentar a oferta de energia através de fontes renováveis
(RUIZ, 2006).
O PRODEEM foi desenvolvido em seis etapas nas quais prevaleceu o sistema
fotovoltaico. As duas primeiras fases foram implementadas pelo CEPEL (Centro de Pesquisa
de Energia Elétrica) e as restantes pelo Ministério de Minas e Energia. Os sistemas instalados
foram para moradias, bombeamento de água e iluminação pública (RUIZ, 2006).
Em decorrência de deficiências ocorridas na implementação do programa, constatou-
se em auditoria, que 46% dos sistemas foram extraviados e 36% foram instalados
corretamente mas pararam de funcionar; as metas de produção não foram alcançadas; a
auditoria também revelou que a formação técnica não alcançou seu objetivo e a aquisição dos
equipamentos, que ocorreu através de licitação pública internacional, provocou desestímulo à
indústria nacional em apoiar o programa (RUIZ, 2006).
Como resultado das falhas na implementação do programa, em 2003, o Ministério de
Minas e Energia, por indicação do Ministério Público, fez uma reformulação no projeto e
recuperou sistemas instalados, regularizou os sistemas ativos e forneceu formação técnica para
envolver as populações no programa.
Por meio do Decreto Nº 4.873, de 11.11.2003, o governo federal instituiu o Programa
Nacional de Universalização do Acesso e Uso da Energia Elétrica (Luz para Todos). E em
2005 o PRODEEM é incorporado ao programa Luz para Todos (LPT) (RUIZ, 2007).
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O programa Luz para Todos (2003 a 2008), tem por objetivo fornecer eletricidade para
12 milhões de pessoas, podendo usufruir de fontes renováveis e de sistemas descentralizados
para atingir seu objetivo (RUIZ, 2006).
O Programa Nacional de Universalização do Acesso e Uso da Energia Elétrica - "LUZ
PARA TODOS" – LPT é prorrogado por diversas vezes até o ano de 2018.1
Em 2001, a energia eólica e de pequenas centrais hidroelétricas foram promovidas
através do PROEÓLICA (Programa de energia do vento de emergência 2001 a 2004) e PCH-
COM (Programa para o desenvolvimento e comercialização de pequenas centrais
hidroelétricas 2001 a 2003) (RUIZ, 2006).
Em 2002 surge o PROINFA – Programa de Incentivo às fontes Alternativas de Energia
(2002 a 2006 e 2006 a 2022). Este programa tem como objetivo aumentar a parcela de energia
renovável de modo a diversificar a matriz energética através da instalação de 3300MW,
dividida entre turbinas eólicas, PCH e biomassa. Neste programa foram incluídas as metas do
PROEÓLICA e a energia elétrica gerada é garantida por contratos de venda mantidos pela
Eletrobrás por um período de 20 anos. Implantado em duas etapas, o programa teve sua
primeira fase de 2002 a 2006, que totalizou 2769,51 MW. Desta forma o PROINFA
incorporou os projetos do PROEÓLICA e PCH-COM (RUIZ, 2006).
Entretanto, para discutir os programas brasileiros de acesso à eletricidade, é preciso
distinguir entre o sistema interligado e sistemas isolados, visto que o sistema elétrico brasileiro
é assim dividido (COELHO, 2013).
No sistema interligado, todas as plantas de energia elétrica são conectadas através de
longas linhas de transmissão de sul para norte do Brasil, principalmente ao longo da costa.
No sistema isolado, como ocorre na região Norte (Amazônia brasileira), é composto
principalmente por pequenas usinas térmicas (motores a diesel com dificuldade em logística
para o abastecimento de combustível por meio dos rios da floresta tropical). Esta região
abrange uma área correspondente a 45% do território brasileiro e 3% da população.
Não se trata apenas de levar energia a regiões como a Amazônia. É preciso desenvolver
soluções que preservem o ambiente e ao mesmo tempo ofereçam à comunidade qualidade de
vida e oportunidades de crescimento econômico (cerca de 1,2 milhões de consumidores)
(COELHO, 2013).
1 O Decreto Nº - 6.442, de 25 de abril de 2008, prorroga o Programa Nacional de Universalização do
Acesso e Uso da Energia Elétrica - "LUZ PARA TODOS" - LPT, até o ano de 2010. E o Decreto Nº - 7.520, de
8 de julho de 2011, prorroga para o período de 2011 a 2014. O Decreto Nº - 8.387, de 30 de dezembro 2014,
altera o Decreto nº 7.520, de 8 de julho de 2011, para até o ano de 2018.
20
O potencial de uso PV (painéis fotovoltaicos) é enorme e pode ser projetado para
dezenas a centenas de MWp (megawatts pico) na região isolada da amazônica. Os cenários de
energia para aplicações fotovoltaicas no Brasil, por meio de banco de dados SWERA - Solar
and Wind Energy Resource Assessment (Avaliação solar e dos Recursos de Energia Eólica),
demonstra o potencial de viabilidade podendo ser aplicado no planejamento energético para
geração de eletricidade (MARTINS, 2008).
Schmid (2004); defendeu a utilização de sistema hibrido-PV-diesel, para suprir a
necessidade de energia das comunidades isoladas da Amazônia, e a discussão sobre a
tarifação, custo dos sistemas, e sua consequente transferência para o consumidor.
Assim como a Amazônia o norte do Estado de Mato Grosso também busca seu
desenvolvimento e melhoria na qualidade de vida da sua população.
O Estado de Mato Grosso possui proximidade com a realidade descrita para a
Amazônia, já que pertence a Amazônia legal.
Ao analisarmos os centros urbanos do norte do Estado de Mato Grosso, foco deste
trabalho, para suprir suas necessidades básicas como o abastecimento de água, parte da
população usa de poço e cisterna como reservatórios de água, equipados com bomba elétrica
centrífuga em seus quintais. Esta prática decorre em função da baixa pressão do sistema de
fornecimento público da água, e em alguns bairros a ausência do abastecimento pela
concessionária. Assim, as residências e estabelecimentos comerciais dessas cidades tem um
custo adicional com energia elétrica para elevar a água de cisternas ou de poços para
reservatórios de água localizados a cerca de três metros do solo.
Uma alternativa que se apresenta viável tecnicamente para esses locais, no sentido de
suprir a falta de água bem como reduzir o consumo de energia elétrica, seria adotar a geração
de energia fotovoltaica para o bombeamento de água em residências, comércio e indústria. O
sistema autônomo de produção de energia elétrica, através de placas fotovoltaicas, pode ser
aplicado sem com isso agredir a arquitetura da edificação.
Adotar a tecnologia fotovoltaica para a produção de energia elétrica, com a finalidade
de acionamento de motobombas, proporcionará significativa redução no consumo de energia
elétrica convencional e autonomia do abastecimento de água.
1.1 Justificativa
No período de 1996 a 2003 o Estado de Mato Grosso recebeu investimentos no setor
energético e houve a implantação, em 1996, da linha de transmissão Cuiabá–Sinop. A
21
qualidade de vida e o avanço da região norte de Mato Grosso se deu nesse ano com a
construção, pela Eletronorte, de 446 quilômetros de linha de transmissão em 230 KV. Para a
região, a ativação do “linhão”, assim chamado pela população local, foi o estabelecimento de
um marco, o antes e o depois desta linha de transmissão. Até aquele ano as cidades eram
abastecidas por geradores a diesel da concessionária Cemat e a energia era distribuída das 7
às 22 horas, e era comum o desabastecimento.
A linha de transmissão faz parte do SIN - Sistema Interligado Nacional, e é construída
com torres metálicas que suportam os cabos de transmissão. Essas torres estão suscetíveis às
ações da natureza como vento e fogo, principalmente nos meses de estiagem, até ações de
vândalos.
A região norte de Mato Grosso já experimentou o desabastecimento por danos ao
sistema, em 2004 e 2005, quando torres que sustentam as linhas de transmissão foram
derrubadas deixando muitos munícipios sem energia elétrica por vários dias em 2004 e por 33
horas em 2005. Em 2008 uma nova tentativa de vândalos, descoberta pela Eletronorte, poderia
ter deixado 30 municípios sem energia elétrica, segundo matéria divulgada pela imprensa
digital (NASCIMENTO, 2008). Ao passar por extensas áreas agricultáveis e fazendas em
formação, as linhas de transmissão ficam sujeitas ao risco de dano por choques mecânicos,
provocados por equipamentos agrícolas que operam na lavoura, bem como a ação do fogo
que, com relativa frequência, atinge as fazendas. Outro fator que acarreta o desabastecimento
de energia elétrica é o difícil acesso a determinados locais de matas e rios para a realização da
manutenção.
Os indicadores de DEC (Duração Equivalente de Interrupção por Unidade
Consumidora) e FEC (Frequência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora)
estratificados para o ano de 2014, para o município de Sinop-MT, abrangendo 2.636.210
consumidores, estabelece o índice DEC limite em 16,63 horas ano. Foi apurado para aquele
ano 40,40 horas. O índice FEC limite estabelecido de 15,51 interrupções para o ano foi
superado e totalizou 27, 24 (ANEEL, 2014). Esses dados mostram as dificuldades encontradas
com o abastecimento de energia elétrica no município de Sinop-MT.
Qualquer evento que interrompa o fornecimento de energia através da linha de
transmissão deixa toda a região norte do Estado de Mato Grosso sem energia. Não existem
sistemas locais de contingenciamento para suprir toda a demanda. Esses apagões afetam
necessidades básicas da população ao deixar cidades inteiras sem fornecimento de água e ao
prejudicar atividades essenciais como os serviços hospitalares, supermercados, escolas e
demais empresas que não possuem geração própria de energia.
22
Utilizar de outra fonte de energia é uma estratégia de contingenciamento da maior
relevância. É preciso ter consciência de que quando não se tem energia elétrica na região norte
do Estado de Mato Grosso não se tem água potável. A companhia de abastecimento de água
da região bombeia água diuturnamente para manter o abastecimento do comércio, indústria e
da população em vários munícipios. As bombas injetam a água diretamente no sistema de
distribuição e, portanto, não há reservatórios que possam manter o fornecimento de água por
um determinado período.
A adoção de geradores a combustão tem sido uma das saídas contingenciais adotadas
por algumas empresas que dispõem deste recurso para suprir precariamente os apagões de
energia e manter suas atividades. No entanto, o setor residencial sofre de imediato com o
desabastecimento da água potável quando há falta de energia elétrica.
É comum na região as residências disporem de poços ou cisternas para suprir a
necessidade de água. Mas com uma eventual interrupção do fornecimento de energia, a água,
disponível em abundância no subsolo, não pode ser bombeada.
Este é, portanto, o problema maior ao qual este estudo pretende abordar ao desenvolver
uma solução que garanta à população o atendimento de uma de suas necessidades básicas: a
água.
1.2 Objetivo Geral
Estudar a aplicabilidade do uso de energia fotovoltaica para o acionamento de bombas
de água de pequena potência, objetivando a redução da dependência do sistema de suprimento
de energia elétrica convencional e redução dos valores cobrados na fatura de energia elétrica.
1.3 Objetivos Específicos
Como objetivos específicos destacam-se:
a) Descrever o sistema de bombeamento fotovoltaico autônomo de baixa potência;
b) Projetar um sistema de bombeamento fotovoltaico de geração de energia elétrica
baseado em painéis solares fotovoltaicos para bombeamento de água;
c) Implementar o sistema e realizar medições;
d) Realizar estudos experimentais em campo, com o sistema proposto, de maneira a
avaliar o seu desempenho.
1.4 Estrutura do trabalho
A presente dissertação está organizada em capítulos, complementando este capítulo
introdutório, os seguintes capítulos:
Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica – Revisa os sistemas de bombeamento fotovoltaico,
em especial o sistema fotovoltaico autônomo direto, sua fonte de energia, o Sol, painéis
fotovoltaicos, algumas das motobombas utilizadas, a fonte de água e o seu armazenamento.
Capítulo 3 - Materiais e Métodos - Este capítulo caracteriza o sistema de bombeamento
sob o estudo e a sua localização, apresenta os materiais que compõem o sistema a ser estudado,
bem como o instrumental utilizado para o monitoramento das grandezas: tensão gerada pelo
painel, a corrente elétrica, temperatura ambiente, temperatura dos painéis e a vazão bombeada
para o reservatório.
Neste capítulo também são contemplados os equacionamentos matemáticos que
auxiliam o dimensionamento e compreensão do sistema como: cálculo da altura manométrica,
dimensionamento do gerador fotovoltaico, cálculo da potência consumida, cálculo da energia
disponível e da energia consumida pelo sistema, eficiência da motobomba e a eficiência do
sistema fotovoltaico de bombeamento.
Capítulo 4 - Resultados e Discussões – apresenta-se neste capítulo os dados das
grandezas mensuradas, análise dos resultados, imagens e croqui das instalações.
Capítulo 5 - Apresentam as considerações finais da dissertação, os avanços alcançados
com esta pesquisa e viabilidade técnica do uso por parte da população do sistema estudado, e
indicação de possíveis estudos futuros sobre o tema.
Na parte final do trabalho, relacionam-se as principais referências utilizadas para o
desenvolvimento deste estudo.
24
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Apresenta um panorama da aplicação dos painéis fotovoltaicos no mundo, como uma
fonte de energia renovável. Revisa os tipos de sistemas fotovoltaicos: isolados, conectados a
rede e híbridos. Detalha o sistema fotovoltaico de bombeamento direto utilizando motobomba
de deslocamento positivo submersa, em poço de pequena profundidade, tubular, de construção
caseira, sem uso de baterias.
2.1 Panorama da energia fotovoltaica
Segundo a EPIA - European Photovoltaic Industry Association, pelo menos 38,4
Gigawatts (GW) de energia fotovoltaica foram instalados em todo o mundo em 2013 e há uma
capacidade mundial de 138,9 GW instalada. Esse ano foi histórico para a tecnologia de energia
solar fotovoltaica. Os mercados de energia solar fotovoltaica atingiram 40 GW em 2014. Estes
valores foram alcançados pelo crescimento dos mercados asiático e americano e a mercados
emergentes. A China possuía instalada 10,6 GW de PV (painéis fotovoltaicos), em 2014,
incluindo 2 GW de distribuição, fruto de uma política forte de tarifa feed-in (GLOBAL
MARKET OUTLOOK. For Solar Power / 2015 – 2019, 2015).
Feed-in consiste no pagamento de uma tarifa mais vantajosa para as centrais geradoras
que utilizam fontes renováveis de energia, quando comparada com as fontes convencionais
(ANEEL, 2014).
Para a EPIA o mercado global de energia solar fotovoltaica está mudando, o que trará
profundas implicações no futuro. Pela primeira vez, em mais de uma década, o mercado de
energia solar fotovoltaica europeu não está mais no topo do mercado do mundo. A Ásia
ultrapassou a Europa representando 56% do mercado de energia solar fotovoltaica no mundo
em 2013. Este progresso asiático ocorreu em paralelo com o relativo declínio na Europa já
observado em 2012. O crescimento vigoroso em mercados não europeus manteve o
desenvolvimento global da energia solar fotovoltaica em uma trajetória ascendente e
largamente compensada em razão da desaceleração Europeia, apresentado na Figura 1
25
Figura 1 - Evolução da capacidade instalada de PV - 2000-2014
Figura 1
Fonte: www.solarpowereurope.org
A EPIA apresenta alguns pontos determinantes para o desenvolvimento do mercado de
energia solar fotovoltaica:
- A política: que pode adotar medidas nocivas ou decisões corretas criando apoio
inteligente e projetos sustentáveis para a energia solar fotovoltaica;
- A competitividade: já existem segmentos energéticos para os quais a energia solar
fotovoltaica se mostra competitivo. O desafio é a integração desse sistema ao mercado elétrico,
em tempo hábil, para não prejudicar ainda mais o desenvolvimento da energia solar
fotovoltaica;
- A consolidação da indústria: Com a estabilização dos preços de painéis fotovoltaicos
em 2013 e a percepção de lucro, as indústrias devem investir novamente o que pode levar, nos
próximos anos, à redução de preços frente aos novos mercados que se abrem para a energia
fotovoltaica.
É evidente o enorme potencial da energia solar fotovoltaica e seus benefícios para a
sociedade. A Figura 2, apresenta uma visão da distribuição dos painéis fotovoltaicos no mundo
em relação aos habitantes de cada região.
Sob todos os cenários, a energia solar fotovoltaica continuará a aumentar a sua
participação dentre o conjunto de outras fontes de energia na Europa e em todo o mundo. Cada
vez mais se entrega energia limpa, eletricidade segura, acessível e descentralizada para as
pessoas (CLOVER,2015).
26
Figura 2 – Distribuição PV Instalado no mundo por habitantes
Fonte: www.solarpowereurope.org
27
2.2 Sistema de bombeamento
Os sistemas de bombeamento são nomeados de acordo com a modalidade da energia
que alimenta o motor de acionamento da bomba. Antigamente as rodas d’agua, a força
muscular, os cata ventos é que acionavam as bombas; atualmente a grande maioria é acionada
por motores elétricos (LOPES, 2011).
Os sistemas de bombeamento geralmente são acionados por motores elétricos, motores
a combustão, por turbinas a vapor ou a gás e os motores acionados por fontes renováveis.
Diversas são as possibilidades quanto ao uso do conjunto motobomba usado para o
bombeamento de água.
O destaque neste trabalho é para os sistemas de bombeamento que utilizam a energia
solar como fonte de energia, a energia fotovoltaica.
2.3 Máquinas hidráulicas
Para Macintyre (1997), as máquinas hidráulicas podem ser classificadas em três grandes
grupos: máquinas motrizes; máquinas mistas; máquinas geratrizes ou operatrizes.
2.3.1 Máquinas motrizes
São as que transformam a energia hidráulica em trabalho mecânico, fornecido,
geralmente, sob a forma de conjugado que determina um movimento praticamente uniforme
(A. MACINTYRE, 1997). Podem ser divididas em dois grupos: turbinas hidráulicas e rodas
hidráulicas (ou rodas d’agua).
Turbinas hidráulicas, nas quais o escoamento da água se dá em canais formados por pás
curvas, dispostas simetricamente em torno de um eixo móvel, e que constituem o rotor ou
receptor (A. MACINTYRE, 1997). Nas turbinas a água atua por sua velocidade ou por sua
energia cinética, transformando-a em energia mecânica.
Rodas hidráulicas ou rodas d’água, segundo o mesmo autor, a água escoa em canais
especiais ou é despejada em cubas, desenvolvendo forças que produzem o conjugado motor.
Nestes equipamentos o peso e a velocidade é que atuam, dependendo do tipo de roda pode-se
ter o predomínio do peso ou da velocidade (A. MACINTYRE, 1997).
28
2.3.2 Máquinas mistas
São equipamentos hidráulicos que modificam o estado de energia que o líquido possui,
sem haver necessidade do auxílio de motor. A esta categoria inclui os carneiros hidráulicos que
através de um transiente hidráulico, conhecido como golpe de aríete (sobre pressão), permitem
elevar a água do reservatório de alimentação para um nível mais elevado. São usados em
fazendas, sítios, granjas e casas de campo, para bombear a água a um reservatório em nível
superior (A. MACINTYRE, 1997).
2.3.3 Máquinas geratrizes ou operatrizes
Máquinas geratrizes recebem o trabalho mecânico, geralmente fornecido por uma
máquina motriz, e o transforma em energia hidráulica, comunicando ao líquido um
acréscimo de energia sob a forma de energia potencial de pressão e cinética. Pertence
a esta a categoria as bombas hidráulicas (A. MACINTYRE, 1997).
As Bombas hidráulicas possuem a finalidade de deslocar um fluido por escoamento e
são classificadas em: bombas de deslocamento positivo ou volumétricas; turbo-bombas e
bombas especiais (A. MACINTYRE, 1997).
Na Figura 3 é apresentado um diagrama de bloco com algumas bombas hidráulicas, com
as quais podem ser montados sistemas de bombeamento diversos.
As bombas volumétricas, ou de deslocamento positivo, são bombas em que o fluido
adquire movimento e pressão no interior da bomba, sem experimentar nenhum aumento
significativo da velocidade, já que o fluido é simplesmente aspirado e recalcado (LOPES,
2011).
29
Figura 3 - Diagrama de blocos dos tipos de bombas hidráulicas
Fonte: LOPES, 2011
As bombas volumétricas são classificadas em dois grandes grupos: as Alternativas e as
bombas Rotativas. As Alternativas são bombas de movimento alternativo que usam como
elemento de impulso o diafragma ou pistão inserido num cilindro, com válvulas de sucção e
descarga integradas na bomba. As Rotativas são bombas de denominação genérica por
compreender uma variedade de bombas volumétricas, em que o deslocamento do líquido é
provocado pela rotação do órgão mecânico que pode ser: engrenagens, paletas, lóbulos,
parafusos ou tubo flexível (LOPES, 2011).
Bombas Vibratórias são do tipo alternativo em que um diafragma, acionado por uma
haste, fornece energia para o deslocamento do líquido. A haste possui movimentos alternativos
de maneira tal que em um sentido diminui a pressão da câmara fazendo com que esta se encha
de líquido, e, no sentido inverso, a haste descarrega o líquido na linha de recalque.
Bombas do tipo vibratória submersas são conhecidas como bomba sapo e muito usadas
pelo fato de funcionarem exclusivamente dentro d’água. A Figura 4 mostra a bomba de
diafragma do tipo submersa (LOPES, 2011).
30
Figura 4 - Bomba Vibratória (Sapo)
Fonte: http://www.anauger.com.br
As bombas do tipo Diafragma se dividem em vibratórias e progressivas e esta última é
muito utilizada em sistemas fotovoltaicos (ANDRADE, et al., 2008).
A Figura 5 mostra a aplicação dos tipos de bombas em função da altura manométrica
em metros, e em relação à vazão em metros cúbicos por dia, para diversos tipos de bombas.
Percebe-se que as bombas centrífugas predominam na região de médias e grandes vazões,
enquanto as bombas alternativas e rotativas (máquinas de deslocamento positivo) estão na faixa
de médias e grandes alturas de elevação e pequenas vazões.
As áreas de superposição, entre os campos de aplicação dos diferentes tipos de bombas,
sugerem avaliar outros critérios como a viscosidade do líquido bombeado, a presença de sólidos
em suspensão, a variação ou não da vazão em função da variação da resistência do sistema ao
escoamento, a facilidade de manutenção, custos, etc., para a seleção da máquina mais adequada
a um determinado tipo de aplicação (BRASIL, 2006).
Figura 5 - Campo de aplicação de bombas
Fonte: Brasil, 2006
As bombas centrífugas cobrem uma grande faixa de valores de vazão, permitindo
atender um grande número de sistemas de bombeamento de água, conforme mostra a Figura 5.
31
As bombas centrífugas pertencem à categoria de turbo-bombas, podem ser do tipo
submersa, como mostra a Figura 6 ou de superfície, conforme a Figura 7. As submersas
trabalham “afogadas” e as de superfícies precisam de tubos para a sucção. Em geral são para
aplicações que exigem grandes volumes de água e pequenas alturas manométricas2. Seu
princípio de funcionamento consiste em imprimir giro de alta velocidade através das pás, ou
rotores, criando pressão e forçando o fluxo de água. São projetadas para alturas manométricas
fixas e dependem da velocidade de rotação das pás para aumentar o volume de saída da água.
Sua eficiência está atrelada aos valores de alturas e vazões para os quais fora projetada (CEPEL
– CRESESB, 2014)
Figura 6 - Bomba Centrífuga Submersas Figura 7 - Bomba Centrífuga de Superfície
Fonte:http://www.dancor.com.br/produtos/centrifugas
/cam-w4c_pbe.php
Fonte: http://www.dancor.com.br/produtos/centrifugas/cam-
w4c_pbe.php
2.4 Sistemas fotovoltaicos
Sistemas Fotovoltaicos (SF) podem ser classificados em três categorias principais:
isolados, híbridos ou conectados à rede. A utilização de cada uma dessas opções dependerá da
aplicação e/ou da disponibilidade de recursos energéticos (CRESESB, 2004).
Os sistemas híbridos apresentam mais de uma forma de geração de energia como
gerador Diesel, turbinas eólicas e módulos fotovoltaicos. Estes sistemas são mais complexos e
necessitam de algum tipo de controle para integrar os vários geradores (CRESESB, 2004).
Nos sistemas conectados à rede a potência gerada pelo arranjo fotovoltaico abastece a
residência e o excedente é exportado para a rede da concessionária.
2 Altura manométrica é igual à altura estática mais a altura devido às perdas (CREDER 2006)
Altura estática é a altura vertical requerida para a elevação da água (CREDER 2006).
Altura devido as perdas relativas á resistência oposta ao líquido para entrar na tubulação e peças na sucção
(CREDER 2006).
32
2.4.1 Sistemas Fotovoltaicos Isolados ou Autônomos – SFI
Dentre os sistemas isolados existem muitas configurações possíveis.
Carga CC sem Armazenamento: neste sistema a energia elétrica é usada no momento
da geração por equipamentos que operam em corrente contínua (CRESESB, 2004).
Carga CC com Armazenamento: o sistema atende equipamentos elétricos, em
corrente contínua, independentemente de haver ou não geração fotovoltaica simultânea. A
energia elétrica deve ser armazenada em baterias (CRESESB, 2004).
Carga CA sem Armazenamento: a energia gerada pelo sistema é usada por
equipamentos que operam em corrente alternada sem o uso de baterias. É necessária a
introdução de um inversor entre o arranjo fotovoltaico e o equipamento a ser usado. (CRESESB,
2004)
Carga CA com Armazenamento: este sistema atende equipamentos que operam em
corrente alternada utilizando um inversor. É comum sistemas, deste tipo, incorporarem um
seguidor do ponto de máxima potência, que pode estar embutido no próprio inversor
(CRESESB, 2004).
Os sistemas isolados ou autônomos foram os primeiros sistemas a operarem
comercialmente. São utilizados, principalmente, em locais onde não há fornecimento de energia
através da rede pública ou em locais e aplicações nas quais não existem razões técnicas ou
econômicas para criá-la. (GREENPRO, 2004).
Os sistemas isolados podem ser isolados ou em minirredes; o primeiro atende a uma
unidade consumidora e o segundo compartilha a energia gerada para mais de uma unidade
consumidora (CEPEL – CRESESB, 2014).
Os sistemas isolados foram regulamentados pela Resolução Aneel Nº 83/2004 que teve
um papel importante na eletrificação rural do país (CEPEL – CRESESB, 2014).
Devido ao grande potencial e a demanda pelo uso de minirredes isoladas a Resolução
Aneel Nº 493/2012 veio substituir a anterior, de 2004.
No seu Art. 1º estabelece os procedimentos e as condições de fornecimento de energia
elétrica por meio de microssistema isolado de geração e distribuição de energia elétrica –
MIGDI ou sistema individual de geração de energia elétrica com fonte intermitente – SIGFI
(ANEEL, 2012).
A eletrificação, no Sistema Fotovoltaico Domiciliar (SFD), consiste no atendimento,
através da energia solar, de domicílios individuais, criando oportunidades para ampliar as
33
atividades em várias áreas como lazer, educação, atividades produtivas e outras. Em geral são
sistemas simples, os quais permitem o consumo proporcional a radiação solar, isto é, durante
as horas do dia e em dias ensolarados (CEPEL – CRESESB, 2014).
Este sistema é caracterizado pela carga e o gerador fotovoltaico. Para otimizar o sistema,
em geral, faz-se uso de um acumulador (bateria), que dissocia as horas de geração do horário
de consumo. Para que o acumulador de energia tenha sua vida útil prolongada faz-se uso de um
controlador de carga, com função de controlar e evitar a descarga excessiva no acumulador.
O controlador de carga tem como principal função não deixar que haja danos na bateria
por sobrecarga, ou descarga profunda. É usado em sistemas de pequeno porte, onde os aparelhos
são de baixa tensão e corrente contínua (CC) (CEPEL SISTEMA ELETROBRAS, 2006).
Para alimentação de equipamentos de corrente alternada (CA) é necessário um inversor,
dispositivo que geralmente incorpora um seguidor de ponto de máxima potência, necessário
para otimização da potência final produzida (CEPEL SISTEMA ELETROBRAS, 2006).
A Figura 8 apresenta um diagrama de sistema fotovoltaico isolado em função da carga
utilizada.
Figura 8 – Diagrama de sistema fotovoltaico em função da carga utilizada
Fonte: Energia Solar Princípios e Aplicações 2006
2.4.2 Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede – SFCR
São sistemas que se utilizam da rede elétrica de distribuição como fonte de
armazenamento de carga. O sistema fotovoltaico conectado à rede é composto, normalmente,
por gerador fotovoltaico, caixa de junção, cabos CC-CA, inversor de frequência, mecanismos
de proteção e aparelhos para medições (APOLÔNIO, 2014).
34
Basicamente a rede elétrica da concessionária é vista como o elemento armazenador,
pois a energia gerada e não consumida é colocada em paralelo com a energia da rede. As
principais vantagens desse tipo de sistema são: a elevada produtividade (toda a energia
disponibilizada pelos módulos é utilizada) e a ausência do conjunto de baterias (um elo frágil
no SFI devido à baixa vida útil em relação a dos módulos fotovoltaicos e dos inversores)
(URBANETZ JUNIOR, 2010).
O sistema, ao injetar a geração na rede, acarreta a redução de geração de energia por
usinas de grande porte, aumentando os níveis dos reservatórios das hidroelétricas e reduzindo
a queima de combustíveis fósseis, complementa o sistema elétrico ao qual está conectado
(APOLÔNIO, 2014).
Segundo Apolônio (2014), no Brasil a geração distribuída veio através da lei 10.848 de
15 de março de 2004 e do Decreto 5163 de 30 de julho de 2004, que dispõem e regulamentam
a comercialização de energia elétrica, processos e outorga de concessões e autorização de
geração (APOLÔNIO, 2014).
Estes sistemas utilizam grande quantidade de painéis fotovoltaicos e todo arranjo é
conectado em inversores, conforme Figura 9, que devem satisfazer as exigências de qualidade
e segurança para que a rede não seja afetada (CEPEL SISTEMA ELETROBRAS, 2006).
Figura 9 - Sistema conectado à rede
Fonte: Energia Solar Princípios e Aplicações 2006
2.4.3 Sistemas Fotovoltaicos Híbridos – SFH
A Figura 10, apresenta um sistema desconectados da rede convencional este sistema
pode apresentar várias fontes de energia como turbinas eólicas, geração diesel, módulos
fotovoltaicos entre outras, o que torna complexa a otimização do uso das energias. É necessário
o controle de várias fontes de energia para que esta seja eficiente. Geralmente são sistemas de
35
médio e grande porte, que atendem a um grande número de usuários (CEPEL SISTEMA
ELETROBRAS, 2006).
Figura 10 – Exemplo de sistema híbrido.
Fonte: (CRESESB 2004)
2.5 História do bombeamento fotovoltaico
O século XIX foi pródigo em experiências de conversão de energia solar em energia
térmica segundo Fraidenraich & Vilela (1999). Solomon de Caux (1576- 1626), engenheiro
francês, descreve, em 1615, a invenção de uma máquina de elevar água utilizando a expansão
de ar aquecido mediante energia solar. Fraidenraich & Vilela (1999), mencionam o trabalho de
F. Shuman e C. Boys, que inauguraram um sistema de irrigação na localidade de Meadi, Egito,
utilizando um campo de concentradores cilindro-parabólicos de 1200m² de superfície de
captação.
Becquerel em metade do século XIX observa em células eletrolíticas, pela primeira vez,
o efeito fotovoltaico. Os progressos da física abriram caminho para o desenvolvimento das
células solares em diversos materiais, em especial o silício monocristalino.
Em 1958 a nave Skylab leva consigo um transmissor de rádio de 5W alimentado com
energia de origem fotovoltaica. Inaugura-se, assim, a era espacial da tecnologia fotovoltaica
(FRAIDENRAICH e VILELA, 1999).
Em decorrência do êxito dessa aplicação o uso de células solares voltou-se para
aplicações cotidianas e, em especial, visando a melhoria das condições de vida nos países do
terceiro mundo e dando início, em 1970, a tecnologia do bombeamento fotovoltaico. Esses
sistemas eram constituídos por motores elétricos de magneto permanente, instalados na
superfície do poço, e bombas submersas acopladas através de um eixo vertical
(FRAIDENRAICH e VILELA, 1999).
36
A primeira geração de sistemas de bombeamento fotovoltaico, particularmente os
utilizados em pequenas e médias alturas manométricas, utilizavam motor CC com magneto
permanente, mas esta configuração deu lugar para motores CA assíncronos, mais simples e
robustos e de menor custo, que são acoplados ao gerador fotovoltaico através de um inversor
CC/CA (FEDRIZZI e SAUER 2002).
A evolução dos equipamentos de bombeamento fotovoltaico passou de motor na
superfície e da bomba submersa, para um conjunto compacto e onde bomba e motor encontram-
se submersos.
Com o avanço tecnológico, houve melhora na eficiência dos elementos dos sistemas de
bombeamento fotovoltaico. Na década de 1980, a eficiência média total de um sistema era de
2%. Com a melhoria da eficiência dos equipamentos a eficiência média total foi para 5% sendo
que a eficiência dos módulos era de 12% e 15%, e a eficiência do restante do sistema entre 30%
e 40%. As bombas utilizadas nesses sistemas eram bombas pequenas abaixo de 2Hp o que
tornava esses resultados interessantes (FEDRIZZI e SAUER, 2002).
Os sistemas modernos de bombeamento contam com o desenvolvimento da eletrônica
de potência, embutindo no próprio motor um inversor CC-CA, seguidores do ponto de máxima
potência, sensores de nível do poço e do depósito, além dos dispositivos de proteção. Esses
motores compactos são acoplados a bombas submersíveis, centrífugas e helicoidais, cobrindo
demandas de grandes vazões e grandes alturas (FEDRIZZI e SAUER, 2002).
Atualmente os sistemas de bombeamento utilizados para poços e reservatórios usam
bombas submersas que não necessitam de baterias para armazenamento de energia. As bombas
recebem a energia diretamente dos painéis fotovoltaicos e a água é armazenada em
reservatórios. Nesta configuração de funcionamento, sem a presença de baterias, a operação do
sistema fica totalmente dependente da radiação solar. O sistema de bombeamento direto, para
pequenas potências, sem o uso de inversores, controlador de carga e baterias, é de fácil
aquisição no mercado nacional e muitas empresas apresentam soluções prontas e de fácil
instalação, o que facilita a adoção dos sistemas fotovoltaicos de bombeamento.
2.6 Sistema de bombeamento fotovoltaico
Um sistema básico de bombeamento fotovoltaico (SBFV) é constituído por um gerador
fotovoltaico, reservatório de água, conjunto motobomba e equipamentos complementares,
como hidrômetro e sensor de nível.
O sistema de bombeamento fotovoltaico permite substituir os poços do tipo cacimba por
37
poços do tipo tubular de pequeno diâmetro, usando o conjunto motobomba de localização
submersa e de fabricação especial para utilização fotovoltaica. Estas bombas são mais eficientes
e necessitam menor torque de partida do motor. Por terem pequeno diâmetro e sua abertura
permanecer sempre fechada, os poços nesta formatação apresenta menor risco de contaminação
dos recursos hídricos (FEDRIZZI e SAUER, 2002).
O reservatório de água desempenha a função de armazenamento, eliminando o uso de
baterias (FEDRIZZI e SAUER 2002). A água é bombeada para o reservatório para posterior
utilização e a capacidade do reservatório é determinada pelo tempo (dias ou horas) para o qual
se deseja autonomia (CEPEL – CRESES, 2014).
Em outros sistemas de bombeamento como, por exemplo, num sistema de irrigação, no
qual toda a água é bombeada para ser usada imediatamente, não há armazenamento e o sistema,
neste caso, é autônomo (CRESESB, 2004).
A Figura 11, ilustra os componentes básicos comumente utilizados em sistemas de
bombeamento utilizando energia fotovoltaica.
Apesar de a tecnologia ter proporcionado várias possibilidades para o bombeamento
fotovoltaico, as potências instaladas nos sistemas de bombeamento fotovoltaico não são
maiores que 2kWp, e as alturas manométricas
Nos sistemas de baixa potência (menores que 200Wp) predominam as bombas do tipo
deslocamento positivo, principalmente do tipo diafragma. As bombas adotadas pelo mercado,
como solução para alturas manométricas maiores, são do tipo centrífugas multiestágios, já que
as de deslocamento positivo perdem em eficiência (FEDRIZZI, et al., 2002).
38
Figura 11 - Diagrama do sistema fotovoltaico de abastecimento de água
CEPEL - CRESESB, 2014
São várias as configurações de sistemas de bombeamento fotovoltaico, na Figura 12 são
representadas as mais utilizadas, e ressaltados os componentes do sistema de bombeamento
implementado neste trabalho estão destacados com linha na cor vermelha da Figura 12.
Figura 12 - Configurações de sistemas de bombeamento fotovoltaico mais utilizadas
Fonte: CEPEL-CRESESB, 2 014
O gerador fotovoltaico é usado de forma fixa, embora o uso de rastreador solar, tracking,
otimize a incidência da radiação solar sobre a superfície do gerador, aumentando a energia útil,
com o consequente incremento do volume bombeado em até 41%, segundo estudos
comparativos de bombeamento com e sem rastreador (FEDRIZZI e SAUER, 2002).
Os sistemas de bombeamento de água, que empregam motores de corrente contínua e
que podem ser conectados diretamente ao painel solar, como mostra a Figura 13, são sistemas
COM
RASTREADOR
FIXO
GERADOR
FOTOVOLTIACO
BANCO DE
BATERIAS
INVERSOR
CC-CA
CONVERSOR
CC-CA
CONTROLADOR
CONTROLADO
R DE CARGA
ACOPLAMENTO
DIRETO
BANCO DE
BATERIAS
MOTORCA
SINCRONO
ASSINCRONO
MOTORCC
EXCITAÇÃOINDEPENDENTE
SÉRIE
PARALELO
CENTRIFUGA
DESLOCAMENTO POSITIVO
39
sem bateria, pois o elemento a ser armazenado é a água no reservatório localizado a um nível
superior (VILLA, et al.,2012).
O sistema de bombeamento de água onde não há o uso de baterias fica à mercê da
intermitência da radiação solar. Entretanto, sua vantagem reside no baixo custo e do aumento
da confiabilidade do funcionamento, pois a ausência de baterias aumenta a vida útil do sistema
e reduz a necessidade de manutenção (LOPES, 2011).
A Figura 14, mostra um sistema de bombeamento fotovoltaico com o uso de baterias e
um controlador de carga. A energia é armazenada durante o dia e pode-se bombear água a noite
e em dias de chuva, ou até mesmo utilizar a carga da bateria para outros fins (LOPES, 2011).
Figura 13 - Bombeamento direto Figura 14 - Bombeamento fotovoltaico indireto
Fonte: Anauger, 2015 Fonte: ANAUGER, 2015
2.7 Componentes do sistema fotovoltaico de bombeamento direto utilizando bomba de
deslocamento positivo submersa
Descreve-se a seguir os componentes básicos de um sistema solar fotovoltaico
utilizando bomba de deslocamento positivo submersa, composto por fonte de energia, módulos
fotovoltaicos, reservatório de água, bomba CC e a fonte de água.
40
2.7.1 Fonte de energia: o Sol
A Terra, em seu movimento anual em torno do sol, descreve em trajetória elíptica um
plano que é inclinado de aproximadamente 23,5º com relação ao plano equatorial (CEPEL
SISTEMA ELETROBRAS, 2006). Esta inclinação, junto com o movimento de translação da
terra, dá origem às estações do ano como mostra a Figura 15 (CEPEL – CRESESB, 2014).
A soma da declinação com a latitude local determina a trajetória do movimento aparente
do Sol para um determinado dia em uma dada localidade na Terra. A Figura 15, mostra a
trajetória do Sol e sua declividade (DGS, 2004).
Figura 15 – Órbita da terra em torno do Sol, com seu eixo N-S inclinado de um ângulo de 23,5º, indicando as
estações do ano.
Fonte: Manual de Engenharia para sistemas fotovoltaicos, 2014
Na Figura 16 é possível observar, que a duração dos dias é diferente durante o ano,
resultado da inclinação do eixo da Terra. Em localidades do hemisfério sul os dias são mais
longos no solstício de verão e mais curtos no solstício de inverno. Já no Equador terrestre a
duração dos dias é sempre igual para qualquer região, sofrendo pequenas as variações ao longo
do ano. E para os equinócios a duração dos dias é a mesma para qualquer localidade (CEPEL –
CRESESB, 2014).
As convenções para a declinação solar e latitude consideradas são de positivas ao Norte
e negativas ao Sul do Equador e a diferença entre a declinação e a latitude determina a trajetória
do movimento aparente do Sol para um determinado dia em uma dada localidade na Terra
(CEPEL – CRESESB, 2014).
41
Figura 16 - Órbita da terra em torno do Sol, com seu eixo N-S inclinado de um ângulo de 23,45º
Fonte: Manual de Engenharia para sistemas fotovoltaicos, 2014
A variabilidade sazonal traz variações dos índices de radiação solar no decorrer do ano.
O mapa da Figura 17 apresenta os valores médios das estimativas do total diário de irradiação
incidente sobre um plano com inclinação igual a latitude, por região do Brasil. A região Norte
e a região Central do Brasil recebe maior incidência de radiação solar durante as estações secas
(Outono e Inverno), particularmente entre os meses de julho e setembro, quando a precipitação
é baixa e o número de dias com céu claro é maior (PEREIRA, MARTINS e RÜTHER,. 2006).
O termo “radiação solar” é usado de forma genérica, entretanto quando se refere a fluxo
de potência, é especificamente denominado de irradiância solar, ou em termos de energia por
unidade de área, denominado, então, de irradiação solar (CEPEL – CRESESB, 2014).
42
Figura 17 – Potencial anual médio de energia solar para o período de 10 anos
Fonte: Atlas brasileiro de energia solar, 2006
A relação do movimento aparente do Sol, os raios solares e a superfície da Terra são
descritas através de vários ângulos representados na Figura 18.
Figura 18 – Ilustração dos ângulos θz, α, γs, representando a posição dosol em relação ao plano horizontal
Fonte: Energia Fotovoltaica manual sobre tecnologia, projeto e instalação. 2004
O conhecimento exato da localização do Sol é necessário para determinar os dados de
radiação e a energia produzida pelas instalações solares. A localização do Sol pode ser definida
43
em qualquer local, pela sua altura solar (𝛼) definido como o ângulo que o sol faz com o plano
horizontal, e pelo seu ângulo azimutal (γ𝑠), sendo o ângulo descrito que vai do Norte até a
projeção do raio solar no plano horizontal. O ângulo Zenital (𝜃𝑧) é o ângulo formado entre os
raios solares e a vertical (Zênite momento em que o sol incide verticalmente sobre um lugar).
No campo da energia solar o Sul é referido geralmente como 𝛼 = 0°. O símbolo
negativo é atribuído aos ângulos orientados a Leste (Leste: 𝛼 = − 90°) e o símbolo positivo aos
ângulos orientados a Oeste (Oeste: 𝜶 = 90°) (DGS, 2004).
A radiação solar é sempre maior numa área que se estende perpendicularmente em
relação aos raios solares, do que numa área horizontal das mesmas dimensões. O azimute e a
altura solar mudam ao longo do dia e do ano, o ângulo de incidência da radiação solar varia
constantemente. A análise da radiação anual ajuda a identificar as áreas e saber qual a posição
ideal dos painéis solar para o melhor aproveitamento da radiação. A construção de instalações
solares em telhados inclinados, com orientações diferentes à da posição ótima, traduz-se numa
menor produção de energia devido à redução da radiação (DGS, 2004).
2.7.2 Módulos Fotovoltaicos
Os termos: módulo, placa ou painel são usados indistintamente na literatura para
descrever um conjunto empacotado de células fotovoltaicas disponíveis comercialmente
(VILLABA e GRAZOLI, 2012).
As células fotovoltaicas são responsáveis pela transformação da energia solar em
elétrica. Os semicondutores são mais apropriados à conversão da luz solar, por ser sensíveis a
energia solar (CRESESB, 2004).
São fabricadas, geralmente, tendo o silício como material semicondutor base. Isso se
deve, principalmente, pela sua abundância e pelo avanço da microeletrônica em conjunto com
toda a tecnologia envolvendo o silício (APOLÔNIO ,2014).
As células fotovoltaicas podem ser encontradas na forma de silício monocristalino (c-
Si) ou multicristalino (multi c-Si ou também chamado policristalino, p-Si) e silício amorfo (a-
Si). Existem também as células de Telureto de Cádmio (CdTe), Disseleneto de Cobre-Índio
(CIS), Arsenieto de Gálio (GaAs), e outras tecnologias de fitas e filmes finos, além de outros
casos ainda em estudo como as células de material orgânico (OPV) (este tipo busca substituir o
silício por carbono), translúcidas e de material plástico (APOLÔNIO, 2014).
Células fotovoltaicas são estruturas compostas por duas camadas de material
semicondutor P e N, uma grade de coletores metálicos superior e uma base metálica
inferior. A grade e a base metálica inferior são os terminais elétricos que fazem a
44
coleta da corrente elétrica produzida pela ação da luz. A base inferior é uma película
de alumínio ou prata. A parte superior da célula, que recebe a luz, precisa ser
translúcida, portanto os contatos elétricos são construídos na forma de uma fina grade
metálica impressa na célula. Uma célula comercial ainda possui uma camada de
material anti-reflexivo, necessária para evitar a reflexão e aumentar a absorção de luz
pela célula. (VILLABA e GRAZOLI 2012)
A Figura 19, mostra a estrutura física de uma junção pn de célula fotovoltaica.
Figura 19 - Estrutura básica de uma célula fotovoltaica de silício destacando: (1) região tipo n; (2) região
tipo p, (3)zona de carga espacial, onde se formou a junção pn e o campo elétrico; (4) geração de par elétron-lacuna;
(5) filme antirreflexo; (6) contatos metálicos.
Fonte: Energia Fotovoltaica – manual sobre tecnologias, projetos e instalação, 2004
Os painéis são normalmente fabricados entre 50 a 250 Watts de potência. Módulos de
maiores potências são ideais para aplicações on-grid (conectadas a rede elétrica), ou off-grid
(sistemas isolados com baterias), com controladores de carga tipo MPP (ponto de máxima
potência). A Figura 20, mostra o desempenho para um painel Solar Innova de 72 células,
policristalino para diferentes condições de irradiação solar (W/m²), a tensão atinge a valores
próximo a 30 V (volts), podendo fornecer corrente elétrica de até 8 A (Amperes).
Na parte traseira dos módulos existe uma caixa de conexões elétricas, a qual são
conectados os cabos elétricos que são fornecidos juntos com os painéis. Esses conectores são
padronizados o que facilita a conexão dos painéis em série (VILLABA e GRAZOLI, 2012).
45
Figura 20 - Gráfico de desempenho de painéis da Solar Innova
Fonte: http://www.solarinnova.net/
O ponto de operação do módulo fotovoltaico para o valor da tensão e da corrente nos
terminais depende da carga conectada. Se conectar uma carga que demanda pouca corrente a
tensão do módulo será mais elevada.
Os painéis fotovoltaicos são submetidos a testes de STC (condições padrão de teste)
para determinar as características elétricas, Potência máxima (Pmpp), Tensão à potência
máxima (Vmpp), Corrente na máxima potência (Impp), Tensão de circuito aberto (Voc),
Corrente em curto-circuito (Isc). Com estes dados pode-se dimensionar a quantidade de
módulos fotovoltaicos (arranjos string), controlador de carga, inversor, banco de baterias,
condutores, proteção, etc.
Os módulos apresentam diferentes pontos de operação ao longo das curvas (I- V) e (P –
V) de acordo com a carga acoplada em seus terminais. O módulo somente pode fornecer valores
de tensão, corrente e potência que estejam de acordo com as curvas.
Nas condições de ensaios, onde se aplica uma irradiação solar de 1000W/m² sob uma
temperatura ambiente de 25ºC, e AM igual a 1,5 (espessura de camada de ar), são medidos a
Potência máxima, Pmpp, que o módulo pode entregar, a Corrente de curto-circuito, Isc, a
Tensão de circuito aberto, Voc, a Corrente máxima, Impp,
Outros fatores que alteram as características elétricas dos módulos é a incidência de
quantidade de radiação e a variação da temperatura ambiente. Esses fatores implicam em
variação da temperatura nas células, que compõem os módulos e se apresentarem valores fora
de níveis ideais, consequentemente, tendem a reduzir a eficiência do módulo. Isto se deve ao
46
fato de que a tensão diminui significativamente com o aumento da temperatura enquanto que a
corrente sofre uma elevação muito pequena, quase desprezível (CRESESB, 2004)
A Figura 21 mostra a influência da temperatura nos módulos fotovoltaicos, alterando a
tensão em seus terminais. Para temperaturas mais baixas o módulo apresenta tensões maiores e
para temperaturas maiores tensões menores.
Figura 21 - Influência da temperatura na célula fotovoltaica curva I- V (radiação de 1000Wm²)
Fonte: CRESESB, 2014
Nos módulos fotovoltaicos as células solares encontram-se ligadas na sua maioria em
série até perfazer os níveis de tensão desejado. Este tipo de ligação faz com que a tensão da
célula aumenta enquanto que a intensidade da corrente permanece inalterada. Os sistemas
autônomos foram as primeiras aplicações terrestres de sistemas fotovoltaicos acoplados a
acumuladores convencionais de 12V. Estes eram diretamente carregados pelos módulos e por
esta razão escolheu-se inicialmente uma tensão de 17V para os módulos fotovoltaicos a fim de
garantir uma carga ótima para o acumulador.
O mercado passa a produzir esses módulos com 36 células ligadas em série, conhecidos
como “módulos standard”. Nos módulos de maior potência é estabelecida a ligação em paralelo
entre duas ou mais fileiras de 36 células cada. A alteração percebida nestas formas de ligações
está no comportamento da corrente e tensão que o módulo apresenta. Diferente da configuração
em série, para as ligações em paralelo a tensão permanece inalterada, e a corrente é aumentada.
A Figura 22, mostra a curva de corrente-tensão e a curva de potência-tensão para um
módulo standard típico, resultado da ligação em série de 36 células solares.
47
Figura 22 - Curvas características para um módulo standart com 36 células
Fonte: Energia Fotovoltaica – manual sobre tecnologias, projetos e instalação, 2004
Os sistemas fotovoltaicos podem empregar grande número de painéis conectados em
série, ou em paralelo, para produzir a quantidade de energia elétrica desejada (VILLA, et
al.,2012).
Os módulos são combinados entre si através das ligações série e paralelo, com o objetivo
de criar uma unidade maior do ponto de vista elétrico e mecânico. Entretanto, para minimizar
as perdas de potência no sistema, deve utilizar módulos do mesmo tipo.
A potência dos módulos fotovoltaicos geralmente é fornecida pela potência de pico, o
Watts-pico (Wp), que é medido no MPP (ponto de máxima potência). Este ponto é obtido em
condição padrão, STC, ao se obter as curvas características dos módulos para uma radiação de
1000W/m² (radiação recebida na superfície da Terra em dia claro, ao meio dia), e temperatura
de 25ºC na célula (a eficiência da célula é reduzida com o aumento da temperatura) e AM de
1,5 (espessura de camada de ar).
Em verdade estas condições ocorrem muito raramente, pois quando sol brilha
intensamente a temperatura de cada célula estará acima de 25ºC. Por isso é determinada a
temperatura nominal de funcionamento da célula (NOCT). Esta temperatura é determinada para
um nível de irradiância de 800W/m², para uma temperatura ambiente de 48,4ºC e velocidade
do vento de 1 m/s. A partir desses dados são determinados os coeficientes térmicos da corrente
e da tensão. Outros parâmetros que caracterizam o funcionamento do módulo são apresentados
na Figura 23.
48
Figura 23 - Curva característica I-V e curva de potência P-V para um módulo de potência nominal de 100Wp
Fonte: Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos, 2014
Voltagem de Circuito Aberto (Voc) é a tensão dos terminais do módulo
desconectado, tensão dos terminais em abertos;
Corrente de Curto-circuito (Isc), é a corrente que se mede ao se conectar um
amperímetro nos terminais do módulo;
Potência Máxima (Pmpp) é o valor para o qual o módulo apresenta o maior valor de
potência. Este ponto corresponde a uma corrente e a uma tensão, na curva de I-V. É o produto
de Vmp x Imp e denominado de ponto de máxima potência.
Voltagem de Potência Máxima (Vmp) é o valor de tensão que corresponde a máxima
potência do módulo;
Corrente de Potência Máxima (Imp) é o valor de corrente que corresponde ao
máximo valor de potência do módulo.
A definição do fator de forma (FF) é apresentada na Figura 24, a área hachurada mais
clara é o produto de 𝑉𝑜𝑐 × 𝐼𝑠𝑐 cujo valor está sempre acima da potência que o módulo pode
alcançar. A área hachurada mais escura, representada pelo produto 𝑉𝑚𝑝 × 𝐼𝑚𝑝 é a potência
máxima do módulo. A relação entre as áreas fornece o fator de forma (FF).
Figura 24 - Definição de fator de forma
Fonte: Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos,
49
2.7.3 Reservatório de água
Neste sistema de bombeamento fotovoltaico o acumulador de energia elétrica foi
substituído pelo reservatório elevado, para onde a água é bombeada e é armazenada para uso
diário.
A quantidade total a ser acumulada no reservatório não pode ser inferior ao consumo
diário, além disso, é recomendado que não ultrapasse a três vezes o consumo diário (A.
MACINTYRE, 2010).
A capacidade do reservatório superior deve ser tal que, recebendo a água bombeada,
possa atender ao consumo das peças de utilização3, consumo este que ocorre de uma forma
variável. O reservatório fica como um regulador de distribuição (A. MACINTYRE, 2010)
Macintyre (2010), considera para o dimensionamento do reservatório as seguintes
vazões:
a) Vazões de alimentação: iguais às vazões de dimensionamento das instalações
elevatórias, ou seja, vazão diária igual a 15% do consumo diário;
b) Vazões de distribuição: iguais às vazões de dimensionamento do barrilete4 e colunas
de distribuição5.
A NBR 5626:1998, refere-se à capacidade dos reservatórios e quanto à preocupação
com a qualidade da água armazenada e sua potabilidade:
5.2.5.1 A capacidade dos reservatórios de uma instalação predial de água fria deve ser
estabelecida levando-se em consideração o padrão de consumo de água no edifício e,
[... ]
5.2.4.1. Os reservatórios de água potável constituem uma parte crítica da instalação
predial de água fria no que diz respeito à manutenção do padrão de potabilidade. Por
este motivo, atenção especial deve ser dedicada na fase de projeto para a escolha de
materiais, para a definição da forma e das dimensões e para o estabelecimento do
modo de instalação e operação desses reservatórios [...]
5.2.4.2 Os reservatórios destinados a armazenar água potável devem preservar o
padrão de potabilidade. Em especial não devem transmitir gosto, cor, odor ou
toxicidade à água nem promover ou estimular o crescimento de microorganismos [...]
5.2.4.3 O reservatório deve ser um recipiente estanque que possua tampa ou porta de
acesso opaca, firmemente presa na sua posição, com vedação que impeça a entrada de
líquidos, poeiras, insetos e outros animais no seu interior (NBR5626, 1998).
3 Dispositivo ligado a um subramal (tubulação que liga a peça a tubulação principal chamada de ramal),
para permitir a utilização da água (CREDER 2006). 4Barrilete é o conjunto de tubulações que se originam no reservatório e do qual derivam as colunas de
distribuição (CREDER 2006). 5 Coluna de distribuição – tubulação derivada do barrilete e destinada a alimentar ramais.
50
O consumo de água pode variar muito e depende da disponibilidade de acesso ao
abastecimento e de aspectos culturais da população. Alguns estudos mostram que, por dia, uma
pessoa no Brasil gasta de 50 a 200 litros de água. Portanto, com 200 litros/dia utilizados de
forma racional, vive-se confortavelmente (CARVALHO JÚNIOR, 2011).
Segundo Júnior (2011), para calcular o consumo diário de água de uma edificação é
necessária uma boa coleta de informações: pressão e vazão nos pontos de utilização, quantidade
e frequência de utilização dos aparelhos sanitários, condições socioeconômicas; clima, entre
outros. Na ausência de critérios e informações, verifica-se a taxa de ocupação de acordo com o
tipo de uso do edifício e o consumo per capita (por pessoa). O consumo diário (𝐶𝑑 ) pode ser
calculado pela Equação 1.
𝐶𝑑 = 𝑃 × 𝑞 (1)
Onde:
𝐶𝑑 = consumo diário (litros/dia)
𝑃 = população que ocupará a edificação
q = consumo por pessoa (litros/dia)
A capacidade calculada através da equação 1 refere-se a um dia de consumo e é preciso
adotar o consumo de no mínimo dois dias ou no máximo de três dias como recomendado por
Macintyre, (2010). Segundo a Equação 2, este estudo adotará três dias de reserva prevendo dias
nebulosos e chuvosos onde a radiação solar diminui.
𝐶𝑅 = 3 × 𝐶𝑑 (2)
𝐶𝑅 = capacidade total do reservatório (litros)
𝐶𝑑 = consumo diário (litros/dia)
Para reservatórios domiciliares é recomendo distribuir a reserva total de água em dois
reservatórios. Um superior, com 40% do volume diário e um inferior, de 60% do volume
diário de consumo total. O objetivo é aliviar a carga da estrutura (Júnior, 2011).
2.7.4 Fonte de água: Poço
A fonte de água do sistema de bombeamento sob estudo é originária de poço. É prudente
ressaltar que a NBR 5626 (1998), recomenda que o órgão público responsável pelo
gerenciamento dos recursos hídricos deve ser consultado previamente.
É comum na região norte do Estado de Mato Grosso a construção de poço nas
propriedades. Os poços são perfurados com pequena profundidade, aproximadamente de 18
metros. Sua construção utiliza ferramentas simples e confeccionadas em serralheria. Consiste
51
de um tubo de ferro com diâmetro de 50 mm a 120 mm e nele são feito dentes conforme a
Figura 25.
A Figura 26, mostra como o poço é feito: a peça de ferro denteada é unida a um cano de
PVC (normalmente os usados para esgoto), de bitola compatível, e no seu interior é injetado
água. Faz-se um movimento vertical e gira-se o cano com as mãos até que o cano de PVC fique
quase todo enterrado. A água injetada no tubo de PVC faz com que a terra saia do interior da
tubulação. Quando a tubulação estiver quase toda enterrada no solo emenda-se outro tubo de
PVC e repete-se a operação até que se encontre água e se atinja a profundidade desejada.
Figura 25 - Ferramenta para perfuração
Fonte: Própria
Figura 26 - Utilizando a ferramenta que fabrica o poço
Fonte: Própria
O poço caseiro não atinge grande profundidade porque o tubo de PVC fica cada vez
mais pesado à medida que se aprofunda o poço, tornando difíceis os movimentos verticais e de
giro da ferramenta para perfurar o solo. Como cada tubo de PVC tem seis metros de
comprimento, o que normalmente se faz é introduzir três tubos de PVC, perfazendo 18m de
profundidade.
Após atingir a profundidade desejada, a tubulação e a ferramenta perfurante são
retiradas do poço. Os tubos, antes de serem inseridos novamente, agora sem a ferramenta
perfurante, recebem diversos furos ou cortes em sua parte inferior, a cerca de 1m da base, para
permitir o fluxo da água em seu interior. Pode-se adicionar pedrisco no fundo do poço e ao
52
redor do tubo para auxiliar na limpeza da água, impedindo a sucção de areia quando o poço
estiver em uso.
A bitola do poço depende do tipo de bomba que se pretende utilizar; se de superfície ou
submersa. Como foi apresentado anteriormente existe uma variedade grande de motobombas.
Após o término da construção do poço, e antes do uso normal da água, é preciso fazer a
limpeza do poço. Processo este que consiste em instalar e deixar a bomba ligada por várias
horas para que ela bombeie a água suja. Durante esse prazo o próprio poço faz a decantação de
quaisquer resíduos ou partículas que estavam em suspensão e ao final do processo a água está
limpa, podendo ser bombeada para o reservatório.
Os parâmetros característicos do poço estão identificados na Figura 27, facilitando a
visualização das grandezas que devem ser obtidas para a determinação da vazão máxima do
poço.
Figura 27 – Parâmetros característicos obtidos com a vazão máxima
Fonte: (M. C. FEDRIZZI 2003)
É preciso conhecer os parâmetros da fonte de captação da água não somente para o
dimensionamento do sistema, mas também para sua manutenção.
O teste de capacidade ou de caracterização do poço informa os níveis estático
(𝐻𝑒), dinâmico (𝐻𝑑) do lençol freático e a capacidade de reposição do poço (𝑄𝑟). A não
identificação desses parâmetros pode acarretar em uma sub ou sobre utilização do recurso, ou
até mesmo danificar o equipamento de bombeamento. Se a extração (Q) for muito maior que a
recarga do poço (𝑄𝑟), o nível dinâmico pode rebaixar excessivamente e danificar o equipamento
de bombeamento que não funciona sem água. Pode vir, também, a comprometer a estrutura do
poço (M. C. FEDRIZZI, 2003).
53
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Este capítulo destina-se a caracterizar o sistema de bombeamento estudado e a sua
localização. Em seguida são apresentados os materiais que compõem o sistema a ser estudado
bem como o instrumental utilizado para o monitoramento das grandezas: tensão gerada pelo
painel, a corrente elétrica solicitada pela bomba, temperatura ambiente, temperatura dos painéis
e a vazão bombeada para o reservatório.
Neste capítulo também são contemplados os equacionamentos matemáticos que
auxiliam o dimensionamento e compreensão do sistema como: cálculo da altura manométrica,
dimensionamento do gerador fotovoltaico, cálculo da potência consumida, cálculo da energia
disponível e da energia consumida pelo sistema, eficiência da motobomba e a eficiência do
sistema fotovoltaico de bombeamento.
3.1 Caracterização do sistema
O estudo de caso realizou-se no município de Sinop – MT, onde o sistema fotovoltaico
de bombeamento com bomba, do tipo deslocamento positivo, submersa foi montado e
monitorado.
A finalidade do experimento é a de suprir a necessidade diária de uma família composta
por quatro habitantes de classe média.
O sistema de bombeamento de água é do tipo autônomo e emprega uma motobomba CC
modelo 9325 da Shurflo do tipo submersa, alimentada diretamente pelo painel solar modelo
SP70 da Siemens, sem uso de baterias, com o armazenamento da água em reservatório fechado
com capacidade de 2500 litros de polietileno, da fabricante Fortlev.
O diagrama de blocos representado na Figura 28 identifica o sistema fotovoltaico de
bombeamento adotado. O diagrama também indica os pontos de monitoramento do sistema.
Utilizou-se a placa datalogger, fabricada pela Cerne, para as leituras das grandezas tensão,
corrente, temperatura da placa, e vazão bombeada, em um período de quatro dias de
monitoramento.
54
Figura 28 – Diagrama de blocos do Sistema fotovoltaico de bombeamento adotado e pontos de monitoramento
Fonte: Própria
Sendo:
P-1 – Medição da temperatura do painel, sensor localizado sobre a placa entre as células
P-2 – Medição de V (CC
P-3 – Medição da vazão,
P-4 – Medição de I (CC)
O sensor que mede a temperatura do painel foi instalado sobre o painel entre as células,
a tensão foi medida pelo datalogger interligado ao painel através de um cabo pp de 2,5m²,
distante a 6 metros do painel. O medidor de vazão foi instalado a 2 metros da “boca” do poço
na mangueira de pvc de ½” polegada. A medição de corrente elétrica também foi realizada pelo
datalogger.
3.2 Localização do experimento
O local de realização dos estudos é no município de Sinop-MT, em uma residência de
150m², construída em um lote de 15 metros de frente e 45 metros de fundo, localizado na
latitude sul -12,560, longitude oeste -56,3510, a uma altitude de 370 metros. (EMBRAPA 2016).
3.3 Materiais
Segue a descrição dos equipamentos utilizados no experimento, suas características
físicas e parâmetros elétricos.
55
3.3.1 Dados Solarimétricos da Localidade
O sistema proposto está instalado em uma região, onde não se dispõe de dados relativos
à irradiação solar específicos da localidade. Serão usados os dados apresentados pelo Quadro 1
que foram obtidos através do programa SUNDATA, disponível na página do CRESESB na
internet, e referem-se ao município de Sorriso – MT, que fica próximo a Sinop.
Os três conjuntos de valores mostram as irradiações diárias médias mensais para as três
inclinações: Latitude, Maior Média e Valor Mínimo.
Quadro 1 – Irradiação solar diária média mensal em Sorriso – MT
Fonte: (CEPEL - CRESESB 2014)
A Figura 29, mostra o mapa nacional que identifica a radiação solar global diária, média
mensal no território nacional. Conforme representado no mapa, os valores correspondentes ao
Estado de Mato Grosso nas proximidades do município de Sinop são de 16MJ/m² dia para o
mês de março.
Figura 29 – Insolação radiação solar global diária média mensal (Mj/m²) no território nacional
Fonte: (TIBA et al 2000), adaptado
56
3.3.2 Gerador Fotovoltaico
O gerador fotovoltaico utilizado, composto de 3 placas fotovoltaicas, apresentada na
Figura 30, é do modelo SP70, da Siemens, fixado em estrutura metálica inclinada e instalada
no telhado da edificação, a 6 (seis) metros do solo.
Utilizou-se estes módulos por estarem disponíveis, apesar de não serem novos atendiam
as exigências do projeto.
O lugar foi escolhido para que não ocorra sombreamento pelas árvores de grande porte
que se encontram no lote. A instalação reúne as condições ótimas para a recepção da radiação
solar. Os painéis estão suficientemente afastados de qualquer objeto que projete sombra sobre
eles no período de radiação solar.
A Tabela 1 apresenta os parâmetros do painel utilizado para o sistema de bombeamento
projetado.
Apesar de o fabricante informar uma grande quantidade de parâmetros, nem todos são
revelados na placa de identificação.
Tabela 1 – Parâmetros elétricos do painel SP70 monocristalino
Parâmetros elétricos - Modelo SP70
12 V 6V
Potência máxima, Pmax Watts 70 70
Classificação energética mínima, Pmin Watts 65 65
Classificação energética mínima, Pmin
Corrente nominal, Imp Amps 4,25 8,5
Tensão nominal, Vmp Volts 16,5 8,25
Corrente de curto ciucuito, Isc Amps 4.7 9,4
Tensão de circuito aberto, Voc Volts 21,4 10,7
Parâmetros térmicos
Temperatura da célula de operação nominal °C 45
Mudança de Isc com temperatura + 2.06 mA/°C
(0,04% + /K)
Mudança de Voc com a temperatura 0,077 Volts /°C
(-0,34% /K)
Dimensões Comprimento 1200mm Largura 527mm
Fonte: (Siemens Solar Panels direct from Bullnet 2016)
57
Figura 30 – Painel fotovoltaico SP70 da Siemens
Fonte: Própria
Software utilizado
Para a simulação computacional utilizou-se o programa PSIM, e um módulo existente
no próprio simulador, o physical module. Com este programa são determinados os parâmetros
desconhecidos da célula fotovoltaica, tais como: 𝑅𝑠, 𝐼𝑠𝑜 e 𝐾𝑇𝑖. O programa requer um número
maior de variáveis disponíveis no painel e dos dados de temperatura e radiação solar; e o
functional module que necessita de poucas varáveis a serem conhecidas além de não
dependerem dos valores de temperatura e radiação solar.
O software é “alimentado” com o dados do catálogo do painel, o que possibilita calcular
os parâmetros: 𝐸𝑔 , o fator A, 𝑅𝑠, 𝐼𝑠𝑜 e 𝐾𝑇𝑖 e também traça as curvas da corrente x tensão, e da
potência x tensão (REMES 2013).
O software PSIM depende das seguintes variáveis para que possa ser utilizado, conforme
existente em (POWERSIM, Inc 2015):
Number of Cells Ns: É o no número de células solar.
Standart Linght Intensity So: É intensidade de luz que incide sobre o painel (radiação
solar) sob condições normais de ensaio normalmente 1000W/m² dado pelo fabricante.
Ref. Temperature Tref: Temperatura sob as condições de teste padrão, referência de
temperatura dada em [°C] geralmente 25°C.
Series Resistence Rs: resistência em série de cada célula solar, em Ohm [Ω]
Shunt Resistence Rsh: resistência em paralela de cada célula solar, em Ohm [Ω]
Short Circuit Current Isco: Corrente de curto circuito de cada célula do módulo solar
em condições de referência (STC).
Saturation Current Isso: Corrente de saturação do semicondutor de cada célula do
painel solar em temperatura de referência Tref.
Band Energy Eg: energia do campo elétrico da região de depleção de cada célula em
[eV]. Cerca de 12 eV para cada célula de silício cristalino e de 1,75 para silício amorfo.
Ideality Factor A: também chamado de coeficiente de emissão. Isto é cerca de 2 para
58
o silício cristalino, e inferior a 2 para o silício amorfo
Temperature Coeficient CT: Coeficiente de temperatura KTi dada em [A/°C].
Coefficient ks: Coeficente: coeficiente que define como a intensidade de luz afeta a
temperatura da celula solar.
3.3.3 Conjunto Motobomba
O conjunto motobomba utilizado neste estudo é da série 9325 da Shurflo. Esta bomba é
do tipo deslocamento positivo de diafragma, tem capacidade para elevar água até 70 m.c.a e é
submersível para poço de 10 cm de diâmetro, no mínimo.
A motobomba pode ser alimentada diretamente do painel solar em 12Vcc ou 24Vcc,
cuja vazão de bombeamento está diretamente relacionada com a tensão. Sua capacidade de
bombeamento é de 1550 a 2215 litros de água por dia. A Tabela 2, fornecida pelo fabricante,
apresenta a vazão, potência total mínima e corrente para várias alturas manométricas para a
bomba da série 9325, dados que são utilizados nesta pesquisa. Ressaltasse que a linha com
destaque em linha vermelha, refere-se aos dados de interesse para este trabalho.
Tabela 2 – Tabela de fluxo da bomba 9325 para tensão de alimentação de 12 Vcc
Desnível vertical total Taxa de fluxo por hora Tamanho do painel solar potência total
mínima Corrente
PÉS METROS GALÕES LITRO WATTS (A)
20 6,1 56 212 22 1,2
40 12,2 54 204 28 1,5
60 18,3 52 197 33 1,8
80 24,4 50 189 37 2
100 30,5 49 186 40 2,1
120 36,6 47 178 45 2,4
140 42,7 46 174 51 2,7
160 48,8 44 166 56 3
180 54,9 43 163 61 3,3
Fonte: (SHURFLO 1993)
A bomba possui na entrada de água uma tela, em aço inoxidável, com malha de proteção
No. 50, 0,297mm de abertura, para retenção de impurezas. Vem ainda com acessórios que
facilitam a conexão hidráulica e elétrica.
A Figura 34 mostra a bomba da série 9325, e o quadro 2 apresenta os dados técnicos da
bomba.
59
Figura 31 – Bomba Shurflo modelo 9325
Fonte: https://agromoto.com.br
Quadro 2 - Dados técnicos bomba Shurflo modelo 9325
Especificações Técnicas Bomba Shurflo modelo 9325
Bomba de deslocamento positivo de diafragma 3 câmaras
Motor Ímã permanente
Tensão 24 Vcc nominal / 12Vcc
Potência 120W
Corrente máxima 4A
Fusível 7,5 A
Desnível máximo 70 metros
Submersão máxima 30 metros
Porta de saída ½ “ (12,7 mm diâmetro interno)
Entrada Tela de aço inoxidável de malha 50 (0,297mm)
Fonte: (SHURFLO 1993)
3.3.4 Fonte de Água – Poço
O poço do experimento foi construído com tubos de PVC de 120 mm, com profundidade
de 18 metros. Na extremidade mais interna do poço, o tubo recebe vários furos nas laterais, por
onde a água penetra no cano, evitando, desta forma, que terra ou areia seja bombeada,
permanecendo a água mais limpa. Para esta finalidade, o fundo do poço e as laterais, são
preenchidos com pedra brita (pedriscos), não permitindo que a bomba sugue partículas sólidas.
Esse processo de preenchimento com pedrisco é feito após a retirada da broca, é preciso ser
rápida a recolocação dos tubos, para que não ocorra o desmoronamento das paredes do poço.
O pedrisco é despejado quando o tubo é recolocado sendo introduzido pela tubulação,
aproximadamente um metro linear de cascalho. Como durante o processo de perfuração forma
folga entre o cano e a parede do poço, o pedrisco é despejado nas laterais para calçar a tubulação
e ajudar na filtragem da água.
Convém esclarecer que um teste de produção para se identificar a capacidade do poço
segue critérios determinados pelo DNPM – Departamento Nacional de Produção Mineral
60
(LIMA, et al. 2001). A realização do teste de produção depende de equipamentos dos quais não
se dispõe para o experimento; de maneira que não seguimos os critérios do DNPM por não
dispomos dos equipamentos necessários e pelo fato do poço que estamos tratando neste estudo
ser de pequena profundidade e o teste sugerido pelo DNPM é indicado para poços de grande
profundidade.
3.3.5 Reservatório de Água
Neste estudo de caso o reservatório é único, não faz parte da estrutura da edificação e
foi instalado sobre uma estrutura de pilares de madeira, afastado da edificação, não inferindo,
assim, carga da edificação.
O reservatório de polietileno é da marca Fortlev, tem capacidade de 2500 litros e
dimensões conforme mostrado na Figura 32, onde A = 1,21 m, B= 0,60 m e C= 1,80 m.
Figura 32 – Dimensões do reservatório de 2500 Litros
Fonte: http://www.fortlev.com.br/
3.3.6 Hidrômetro
Características técnica:
Hidrômetro unijato DN ½” polegada e saída de pulsos
1 pulso / 1 litro
Vazão nominal: 1,5 m³/h
Vazão máxima temporária: 3,0 m³/h
Diâmetro nominal: 1/2 polegada
Homologação INMETRO
61
3.3.7 Estação Meteorológica Portátil com Sensor Remoto Básica ITWH1280
Estação meteorológica sem fio com sensor de RF ao ar livre alcance de100m de
distância, fornece leituras de temperatura interna e externa, faz previsão do tempo com base nas
leituras barômetro, armazena os dados de temperaturas máximas e mínimas, possui função de
calendário, alarme e relógio.
Características técnicas:
Umidade interna (%RH);
Temperatura externa e interna (°C ou °F);
Armazenamento de umidade mínima e máxima; armazenamento de temperatura mínima e
máxima; tendência de previsão do tempo;
Rádio controlado com tempo e data com opção de ajuste manual;
Ajuste de fuso horário;
Display no formato 12 ou 24 horas;
Calendário permanente; Alarme;
Luz de fundo em LED;
A recepção é transmitida e recepção instantânea e sincronizada;
Especificações - Faixa de Temperatura Interna: -9.9°C a + 80°C;
Faixa de Temperatura Externa: -40°C a + 65°C;
Faixa de medição de Umidade: 20% a 99% UR;
Distância de transmissão (campo aberto): 100 metros;
Frequência: 433MHz; Resolução: 0.1°C;
Intervalo de medição do sensor remoto: 48 segundos;
Nível a prova d'água: IPX3;
Resolução: 1%;
3.3.8 Sensor DS1820
Características técnicas:
O DS1820 é um Termômetro Digital que fornece a temperatura de 9 bits, que indicam
a temperatura do dispositivo. Este sensor utiliza o protocolo digital de apenas um fio (One
Wire), portanto apenas uma porta digital para comunicação. Faixa de medição de -55 a 125 ºC
e exatidão de ± 0,5 ºC, fabricado pela Dallas Semiconductor
62
3.3.9 Placa de aquisição de dados
Características técnica:
Conector de entrada de alimentação ±12V/ 500mA;
Utilize fonte estabilizada de +12V com no mínimo 500 mA de corrente;
Conector entrada de tensão para o painel solar de até 30VDC;
Saída para motor; capacidade de corrente de até 4ª;
Entrada para sensor de temperatura;
A alimentação da placa é feita por meio de uma fonte de alimentação de 24 VDC;
Entrada para sensor hidrômetro do tipo pulso,
Led indicador de STATUS em cada amostragem o LED STATUS acende indicando o
processamento do Datalogger. O intervalo entre cada amostragem é de aproximadamente 15s.
Utiliza um SD CARD de no máximo 2 GB, com formatado FAT16, o arquivo de dados
é do tipo DADOS.TXT. São apresentados os dados mensurados de tensão, corrente,
temperatura e os pulsos emitidos pelo sensor do hidrômetro, além do número de amostra dos
coletadas; os dados são apresentados em formato de tabela.
3.3.10 Equipamentos usados
A Tabela 3 apresenta a relação dos equipamentos utilizados na montagem do
experimento.
Tabela 3 – Material utilizado na montagem do sistema.
Componente Aplicação Especificações Quant
ódulo fotovoltaico Geração de energia SP70 3
Suporte para os painéis
em estrutura metálica
Sustentar os painéis na inclinação necessária 1
Motobomba Bombeamento de água do poço para
reservatório
Shurflo 9325 1
Poço tubular de 120mm
de diâmetro
Fonte de água no subsolo com 18m
profundidade
1
Vara de alumínio
graduada
Medir nível dinâmico 10 metros 1
Reservatório elevado Armazenar água bombeada necessária para 3
dias de uso
Caixa de 2500 litros 1
Sensor de nível tipo boia Controlar o nível do reservatório Sensor tipo boia com um
contato reversível
1
Medidor de vazão Medir a vazão do bombeamento Hidrômetro Unijato de
1/2 polegada ou 15mm,
equipado para saída de
pulsos (01 pulsos/01
litro)
Homologado pelo
INMETRO
1
Equipamento de coleta de
dados (placa de aquisição
de dados)
Recebe os sinais de tensão do PV, I corrente,
sensor de temperatura do painel e sensor de
vazão.
Placa desenvolvida pela
Cerne, registra os dados
e possibilita plotagem de
gráfico.
1
Condutor Ligação elétrica do sistema Cabo do tipo PP 2,5mm² 35m
Quadro de carga Abrigar os equipamentos de comando e
medição
1
Fonte: Própria
63
3.4 Método
No experimento são monitorados: a tensão do painel fotovoltaico, a corrente solicitada
pela bomba CC, a temperatura do painel e a vazão do bombeamento por meio da placa de
aquisição de dados, fabricada pela Cerne. A temperatura ambiente é monitorada com uma
estação meteorológica marca Instrutemp, modelo ITWH-1280 e a temperatura dos PV com o
sensor DS1825 produzido pela Cerne e conectado à placa de aquisição de dados utilizando um
cabo de 10 metros.
A vazão de água alcançada pelo conjunto motobomba é medida com o uso de um
hidrômetro, aferido pelo Inmetro, e equipado com sensor de vazão. Este sensor gera um pulso
por litro bombeado e envia a informação para a placa de aquisição de dados para o devido
registro.
O controle do nível máximo e mínimo da água no reservatório é feito por meio de uma
chave boia elétrica, que comanda o sistema, ligando ou desligando, em função do nível de água
do reservatório.
3.4.1 Dimensionamento do sistema de bombeamento
Para a escolha da bomba do sistema, deve-se, primeiramente, determinar a vazão e a
altura manométrica do sistema de bombeamento, e então, escolher o tipo de bomba hidráulica
mais adequada.
3.4.2 Estimativa do consumo de água
A estimativa do consumo diário de água determina o consumo de energia do projeto.
Conhecendo a potência hidráulica necessária para satisfazer o consumo, pode-se dimensionar
corretamente o consumo de energia elétrica, as dimensões da tubulação, a capacidade do
reservatório e escolher a bomba.
O consumo diário estimado para a residência analisada foi baseado em 100 litros de
água por pessoa ao dia. A edificação é habitada por quatro pessoas.
A demanda diária total de água (Q), é resultado do produto do número de pessoas pelo
consumo diário de água estimado, por dia, por cada pessoa.
A capacidade do reservatório de água deve ser definida considerando-se, além do
consumo diário, possíveis períodos de contingência, face à geração de energia proveniente do
64
sol. Neste experimento foi considerado que a capacidade do reservatório atenda seu objetivo
mesmo se a fonte de energia ficar prejudicada por cerca de três dias.
A capacidade do reservatório é expressa em litros, para compatibilizar com os produtos
disponíveis no mercado. Sua escolha é definida de acordo com a opção mais próxima,
encontrada comercialmente, daquela necessária e auferida neste trabalho.
3.4.3 Determinação da altura manométrica
A Figura 33, identifica as dimensões necessárias para a determinação da altura
manométrica, facilitando a compreensão.
Figura 33 – Detalhes construtivos do sistema de bombeamento
Fonte: Própria
A altura manométrica total (HT) será calculada segundo a Equação3, sugerida pelo
manual do fabricante da (SHURFLO 1993), Equação 4 e Equação 5 para determinar as perdas
de carga segundo (NBR5626 1998).
𝐻M = H1 + H2 + H3 + PCT (3)
65
PCT = DT × J (4)
J = 8,69 × 106 × Q1,75 × d−4,75 (5)
Onde:
HM = altura manométrica total (m)
H1= altura do nível do solo até a entrada de água do reservatório (m)
H2 = nível dinâmico (m) – considera a variação da coluna de água no poço.
H3 = submersão (m) – altura da coluna entre o nível dinâmico e a captação pela bomba.
PCT = perdas de carga em (m.c.a);
DT =comprimento total da tubulação (m);
J = perda de carga unitária (m/m)
d = diâmetro interno da tubulação (mm)
Q = vazão (m³/s)
Para o cálculo da perda total da tubulação em m.c.a é necessário conhecer os detalhes
isométrico da instalação. A Figura 34, apresenta os componentes usados para a conexão da
tubulação de água, 3 joelhos de 90°, 25,65 metros tubo flexível l ½”, 7 metros de tubo PVC ½”,
1 hidrômetro.
Figura 34 - Detalhe isométrico do sistema de bombeamento
Fonte: Própria
66
3.4.4 Cálculo da potência consumida
Potência elétrica consumida é o produto da tensão pela corrente. Refere-se a corrente
contínua gerada pelos painéis e consumida pela bomba, conforme Equação 6.
PC = V × I (6)
Sendo:
PC = potência consumida (W);
V = tensão (V);
I = corrente (A).
3.4.5 Cálculo da energia disponível e da energia consumida pelo sistema
A irradiação total foi calculada segundo a Equação 7 e a energia disponível pela Equação
8, a energia consumida pelos painéis calculada pela equação 9. (VICENTIN 2014).
R𝑡 = Rs × A (7)
Ed = R𝑡 × t (8)
Ec = P × t (9)
Onde:
Ed= energia média disponível (Wh);
Ec = energia consumida (Wh)
Rt = irradiação solar média (Wh);
t = tempo, HSP- hora de sol pleno;
Rs= Irradiação solar global média, obtida no Quadro1 p.57, em kWh/m²dia;
P= a potência demandada pelo painel (W)
A = área útil do módulo em m².
A irradiação solar pode variar em pequenos intervalos de tempo, na estimativa de
produção de energia elétrica pelo painel, convenientemente estamos ignorando essas variações
e considerando a totalidade da energia elétrica convertida em intervalo de uma hora. Devido à
linearidade entre a produção de energia e a irradiação horaria, pode-se expressar o valor
acumulado de energia solar ao longo do dia em número de Horas de Sol Pleno (HSP). Essa
grandeza reflete o número de horas em que a irradiância solar deve permanecer constante e
67
igual a 1kW/m², de forma que a energia resultante seja equivalente à disponibilizada pelo Sol
acumulada ao longo do dia para o local do experimento (CEPEL – CRESESB, 2014).
3.4.6 Cálculo da potência hidráulica diária
O cálculo da potência hidráulica, segundo Fedrizzi, (2003) é efetuado pela Equação 10.
Ph = 2,725 × 𝑄 × HT (10)
Onde:
Q= vazão em m³/h
HT = altura manométrica total (m)
2,725- Representa a constante hidráulica calculada em função da densidade da água e
aceleração da gravidade.
Ph = potência hidráulica do sistema (W)
3.4.7 Cálculo da eficiência dos componentes
Eficiência do painel:
A eficiência do painel fotovoltaico é obtida por meio da Equação 11 segundos
(MOREIRA 2009).
Ƞ𝑝 =E𝑐
Ed × 100 (9)
Onde:
Ƞ𝑝 = eficiência do painel em %;
E𝑐 = energia média consumida pela carga alimentada pelo arranjo (Wh);
E𝑑 = energia média disponibilizada pelo arranjo (Wh)
Eficiência da motobomba:
A eficiência da motobomba é calculada por meio da Equação 12,
68
Ƞ𝑏 =Ph
PC (10)
Onde:
Ph = potência hidráulica diária (W)
PC = potência consumida pela motobomba (W)
Eficiência global do sistema fotovoltaico de bombeamento:
A eficiência global do sistema fotovoltaico de bombeamento é obtida com auxílio da
Equação13, que é dada pelo produto da eficiência do módulo fotovoltaico pela eficiência da
motobomba.
ȠG =ȠP × Ƞ𝑏
100 (11)
Onde:
ƞg = eficiência do sistema (%)
ƞp = eficiência do painel em %,
ƞb = eficiência da motobomba em %.
3.4.8 Dimensionamento do gerador fotovoltaico
Para efetuar o dimensionamento do gerador fotovoltaico seguiu-se as orientações dadas
de OMER, DAFFALLAH e FADL ALLAH 2010. Este autor levanta a questão de que para
obter o valor da potência solicitada pela carga, o processo de dimensionamento costuma
acontecer em um ambiente de muita incerteza, tanto da demanda de água, quanto das
características do poço e da irradiância solar. Desta forma, estabelecem um método
simplificado, que propõe uma simples fórmula aritmética que pode ser usada para determinar o
valor aproximado da potência nominal do Painel fotovoltaico, conforme Equação 14.
PNOM =(11,6× HT× 𝑄𝐷𝐼𝐴 )
𝐼
(12)
Onde:
PNOM = potência nominal do arranjo fotovoltaico Wp
𝑄𝐷𝐼𝐴 = vazão diária m³/dia
HT = altura manométrica total em m
69
I = Irradiação solar diária média KWh/m².dia
O painel fotovoltaico é formado de módulos de Silício monocristalino de 70 Wp. Esta é
a potência que o fabricante estabelece sob condições de irradiância de 1kW/m², a uma
temperatura de 25°C, AM = 1,5. Para efeito de cálculo utilizou-se 80% do valor nominal da
potência do painel. O número total de painéis necessários para o arranjo é obtido por meio pela
Equação 15.
N = PNOM
PPAINEL
(13)
Onde:
PNOM = potência nominal do arranjo fotovoltaico Wp
Ppainel = potência do painel Wp
N = número de painéis
3.4.9 Montagem do experimento
Neste item são descritos e ilustrados os componentes do experimento montado conforme
apresenta a Figura 35, gerador fotovoltaico, a saber: Caixa d’água, poço, motobomba, painel e
acessórios de cada um destes itens, bem como os dispositivos de medição e registro.
Figura 35 – Montagem dos equipamentos do experimento
Fonte: Própria
70
a) Caixa d´água
Reservatório de polietileno, marca Fortlev, com capacidade de 2500 litros é suportada
por uma estrutura de madeira instalada a 5 metros de altura, como pode se ver na Figura 36. A
água proveniente da motobomba abastece a caixa d´água por meio de um tubo de PVC de ½
(12,7mm). A altura do solo até o ponto de entrada da água é de 6 m.
Figura 36 – Caixa d’agua sobre estrutura de madeira
Fonte: Própria
71
b) Poço
Localizado embaixo da caixa d´água, com profundidade de 18m. Apresenta em
Janeiro/2016, o nível estático do lençol d´água a 7,60 metros de profundidade. A Figura 37,
identifica o cabo de energia, a corda de segurança e a mangueira flexível, itens que ligam a
motobomba a demais partes do sistema.
Figura 37- O poço com o cabo de alimentação de energia, mangueira flexível de ½” e corda de segurança
Fonte: Própria
Com a finalidade de aferir a capacidade de produção de água do poço, realizou-se um
pré-teste de produção de curta duração (6 horas), já que não existiam dados anteriores com
respeito da capacidade do mini poço. O pré-teste foi realizado utilizando uma bomba de
capacidade de bombeamento muito maior que a bomba do experimento. Os resultados
permitiram constatar que, apesar do maior volume de água retirado, não se observou
esgotamento ou mesmo redução da água retirada, o que leva a concluir, que no período do teste,
o poço comporta o bombeamento com o sistema sob estudo.
c) Motobomba
Foi instalada em conformidade com as orientações do fabricante, a 17m de profundidade
(distante a 1m do fundo do poço), suspensa e estabilizada por uma corda de segurança de nylon,
amarrada, na outra ponta, a um suporte na superfície. A alimentação elétrica é feita por meio
de cabos tipo PP, bitola 2,5mm², indicação do fabricante. Vale destacar, que a bitola utilizada
72
para os cabos, tem capacidade bem superior à corrente a ser transportada, já considerado
comprimento total dos condutores. Portanto, estando em conformidade com o estabelecido na
NBR 5410-2004. A água bombeada é elevada ao reservatório por meio de uma mangueira de
½ polegada (12,7mm), passando, antes, pelo hidrômetro para medição da vazão. O cabo de
energia PP, a mangueira e a corda foram unidos por várias abraçadeiras, distanciadas a 1m uma
da outra, para facilitar a eventual retirada da motobomba em caso de manutenção.
d) Boia de nível
A chave boia reguladora de nível é instalada no reservatório, junto ao ponto de entrada
da água. Sua regulagem foi ajustada para acionar a motobomba quando da ocorrência da menor
variação do nível do reservatório for percebida. Isso significa que se não houver radiação
suficiente o reservatório estará cheio para suprir a necessidade de consumo da edificação. Na
Figura 38, estão identificados os componentes da chave-boia.
Figura 38- Chave boia
Fonte: http://www.fame.com.br
e) Painel solar
Segundo Villaba & Grazoli (2012), para o melhor aproveitamento da radiação solar,
procurou-se ajustar o ângulo de inclinação do módulo em relação ao solo, calculando a altura
de fixação (Z) em função do ângulo calculado (α), do comprimento do módulo (L), ou a
distância (X), indicado na Figura 39, este método é apresentado por.
73
Para o painel SP70 L=120cm, localizado na latitude sul -12,560°, assim α = 12°,
conforme apresentado na Tabela 4.
Tabela 4 - Ângulo de inclinação para diversas faixas de latitude geográfica
Latitude Geográfica do local Angulo de Inclinação recomendado
0° a 10° α = 10° 11° a 20° α = latitude
21° a 30° α = latitude +5°
31° a 40° α = latitude + 10°
41° α = latitude + 15°
Fonte: (VILLABA e GRAZOLI 2012)
Tem-se que a altura do painel é dada pelo seno do ângulo de inclinação do painel (Z =
L. sin 𝛼), e (X= L.cos 𝛼) o cosseno.
Figura 39: Dimensões e módulo de instalação do módulo
Fonte: (VILLABA e GRAZOLI 2012)
Foram instalados 3 módulos fotovoltaicos no alto da edificação, na laje da sacada, sobre
uma estrutura metálica, orientados para o Norte, inclinados a um ângulo de 12º graus,
apresentado pela Figura 40.
Para efeito de instalação adotamos o Norte Geográfico, admitindo o erro de direção.
Para cada região existe um ângulo de correção, que depende da localização geográfica, com o
tempo as linhas magnéticas da terra vão mudando de posição (VILLABA e GRAZOLI 2012).
Figura 40 – Painel solar instalado sobre a lage da sacada
Fonte: Própria
74
Os painéis ligados em paralelo, a 12 V, então distantes 17 metros da motobomba e sua
ligação seguiu as instruções do fabricante da motobomba.
O quadro de medição está localizado a 10 metros dos painéis, e a ligação elétrica foi
realizada com cabo PP de duas vias e bitola 2,5mm².
f) Medição da temperatura dos módulos
Sobre um dos painéis fotovoltaicos foram instalados 2 sensores de temperatura,
apresentados pelas Figura 41 e Figura 42.
A Figura 4141 mostra a estação meteorológica e o sensor remoto da estação, da marca
Instrutemp, modelo ITWH-1280.
Figura 41 - Estação meteorológica e o sensor de temperatura ambiente
Fonte: Própria
A Figura 42 mostras, o sensor de temperatura (DS1820) aferido pelo fabricante, ligado
por meio de um cabo de telecomunicações, de 2 pares de fios, diretamente à placa de aquisição
de dados instalada no quadro de medições.
Figura 42 – Sensor de temperatura DS1820
Fonte: Própria
75
g) Medição da vazão da água
Foi instalado o hidrômetro, mostrado na Figura 43 no quadro de medições e seu sensor
de vazão ligado à placa de aquisição de dados.
Figura 43 - Hidrômetro com sensor
Fonte: Própria
h) Quadro de medições
É o ponto de convergência de todas as variáveis a serem mensuradas no experimento.
Consiste de um disjuntor monopolar de 10A, ligado na entrada do polo positivo do cabo de
alimentação dos painéis fotovoltaicos, e objetiva a proteção do sistema bem como seu
acionamento. Registra-se, que nos estudos aqui apresentados não foi utilizado um disjuntor
especifico DC, para uso em sistemas fotovoltaicos, devido à inexistência deste item na cidade
e o tempo necessário para que seja adquirido de outros centros urbanos. Todavia, esta medida
deverá ser implementada, de maneira a assegurar a devida proteção ao sistema de
bombeamento. Presentes também no quadro de medições o hidrômetro, conectores e cabos
elétricos e a placa de aquisição de dados a
Figura 44 mostra a disposição dos equipamentos no quadro.
Figura 44 - Quadro com equipamentos de medições.
Fonte: Própria
76
3.4.10 Medição
As medições das grandezas monitoradas foram feitas com auxílio de uma placa de
aquisição, conforme ilustra a Figura 45.
Figura 45 - Placa de aquisição de dados
Fonte: Cerne- www.cerne-tec.com.br
Nesta placa estão identificadas as diversas portas de entrada e saída de dados e
alimentação.
A placa de aquisição de dados é composta de uma entrada DC para medir a tensão de 0
a 30V, uma entrada de corrente de 0 a 5 A, um sensor de temperatura e uma entrada digital para
um sensor do hidrômetro. Os dados mensurados serão armazenados em um cartão de memória,
em arquivo texto (.txt) com os dados referentes a tensão, corrente, temperatura e vazão.
Os dados coletados foram posteriormente transportados para softwares como Excel.
As leituras realizadas de 15 em 15 segundos, reduzidas a intervalos de 15 minutos por
m média simples, para plotagem dos gráficos.
Os gráficos levantados foram da tensão, corrente, temperatura da placa, vazão, potência
consumida em função do tempo em que houve bombeamento, e o gráfico da potência
consumida em função da vazão.
77
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Este Capítulo apresenta os resultados e as análises alcançados nos estudos, das
grandezas monitoradas de forma a avaliar o desempenho do sistema implantado.
As leituras das grandezas monitoradas tensão, corrente, vazão e temperatura do painel e
temperatura ambiente durante os quatros dias de monitoramento do sistema, escolhidos para
análise, estão disponíveis no APÊNDICE A.
Os dias monitorados mantiveram condições climáticas semelhantes: dias encobertos,
muito nebulosos, com chuvas ocasionais e com o sol aparecendo no final da tarde.
Estas condições, apesar de parecerem adversas, favoreceram a observação do sistema
de bombeamento em situações críticas, quando há baixa disponibilidade de radiação.
4.1 Determinação dos dados do sistema de bombeamento
Utilizamos os dados coletados e os da irradiação solar que foi obtido do programa
SUNDATA, apresentada anteriormente no Quadro 1 na página 57, para analisar os fatores
observados no experimento.
4.1.1 Dimensionamento do sistema de bombeamento
a) Calculo do consumo diário (Cd) (litros/dia)
𝐶𝑑 = 𝑃 × 𝑞
𝑞 = 100
𝑃 = 4
𝐶𝑑 = 400 l/𝑑𝑖𝑎
b) Altura manométrica (HM) (m)
𝐻M = H1 + H2 + H3 + PCT
𝐻M = 31,686 (m. c. a)
PCT = DT × J
PCT = 0,03674(m)
78
J = 8,69 × 106 × Q1,75 × d−4,75
Δh = (36 x Q)2/ (Qmax) 2(kPa);
Seguindo o detalhe simétrico apresentado no item 3.4.3, o comprimento da tubulação
será determinado calculando as perdas nos 3 cotovelos de 90°, no hidrômetro e no total
comprimento da tubulação. As perdas calculadas para as conexões e hidrômetro seguiram os
critérios da NBR5626:1998 (tabela A.3, item A.2 e item A.2.4 da referida norma).
H1= 6(m)
H2 = 7,65(m)
H3 = 18 (m)
DT =35,989 (m);
J = 1,0209 x 10−3 (m/m)
d = 17(mm) diâmetro interno da tubulação de ½”
Q = 400 (l/dia) = 0,4 (m³/dia) = 16,66(l/h) = 0,016m³/h
Δh = 0,0399(m)
c) Cálculo da potência hidráulica (Ph)
Ph = 2,725 × 𝑄 × HT
Ph = 1006,775 𝑊
Q = 0,4 m³/dia
HT = 31,686 (m)
d) Dimensionamento do gerador fotovoltaico (PNOM)
PNOM =(11,6× HT× 𝑄𝐷𝐼𝐴 )
𝐼
PNOM = 30,629 Wp
𝑄𝐷𝐼𝐴 = 0,4 m³/dia
HT= 31,686 m
I = 4,8 kWh/m².dia
N° paineis = 30,629 Wp
56Wp= 0,54
79
Devido à painel não ser novo, no dimensionamento anterior, foi considerada apenas
80% da sua potência nominal (70 × 0,8 = 56Wp).
De acordo com os cálculos apresentados, constatou-se que apenas um painel de 1 70
Wp seria necessário para atender a demanda de 4 pessoas, conforme estabelecido neste trabalho.
Todavia, considerando que: recomendações sobre este tipo de bombeamento indicam ser
interessante prever pelo menos o suprimento para três dias; que encontravam-se disponíveis
para instalação 03 painéis fotovoltaicos e ainda, que a bomba existente possui capacidade de
bombeamento superior, optou-se por dimensionar o sistema utilizando todos estes materiais e
inclusive a previsão de demanda maior de água para uso em irrigação no próprio local.
Com o objetivo de aproveitar melhor a capacidade da motobomba o sistema foi
dimensionado para uma vazão de 2000 l/dia. Desta forma a potência nominal do arranjo
instalado na edificação passa para:
PNOM = 153,15 Wp
𝑄𝐷𝐼𝐴 = 2,0 m³/dia
HT = 31,686 m
I = 4,8 kWh/m².dia
N° paineis = 153,15 Wp
56Wp= 2,74
O que significa que para bombear 2000l/dia o sistema necessita de 3 painéis solares,
mantendo a mesma altura manométrica e mesma motobomba.
e) Cálculo da energia disponível (Ed) e da energia consumida ( Ec) pelo sistema com três
painéis
Os dimensionamentos a seguir são realizados em consonância com a formulação
matemática estabelecido no capítulo 3.
Ed = R𝑡 × t
E𝐝 = 43,545 kWh
R𝑡 = Rs × A
R𝒕 = 9,072 kWh
A=1,89 m² (três painéis)
80
t = (HSP) 4,8 (h);
HSP = 4,8kWh/m²dia
1kW/m²dia = 4,8h
R𝑠 = 4,8 kWh/m².dia;(irradiação solar diária média mensal obtida do Quadro 1 p.56)
f) Eficiência do painel (ƞp) calculado para as condições do dia 01-03-2016:
A potência consumida pela carga tem o comportamento da Figura 46, traço sólido.
Tendo em vista a necessidade de integralização da energia no período, foi determinada uma
curva que represente a mesma - linha de tendência, apresentada pontilhada na mesma figura. A
integral desta curva expressa o valor consumido pela carga.
Figura 46 – Potência demandada pela carga em 01-03-2016
Fonte: Própria
A energia consumida é dada pela integral da equação, gerada pela curva de tendência
apresentada na Figura 46. Para o intervalo de tempo 6,75 horas a 16,25 horas, no dia 01-03-
2016 é igual a 349,941Wh.
Ƞ𝑝 =E𝑐
Ed × 100
Ƞ𝑝 = 0,38 %
E𝑐 = 349,941 x 4,8
Ec =1678,72 Wh
y = -0,0309x2 + 0,9697x + 21,257
R² = 0,760
5
10
15
20
25
30
35
6:4
5:0
0
7:1
5:0
0
7:4
5:0
0
8:1
5:0
0
8:4
5:0
0
9:1
5:0
0
9:4
5:0
0
10
:15
:00
10
:45
:00
11
:15
:00
11
:45
:00
12
:15
:00
12
:45
:00
13
:15
:00
13
:45
:00
14
:15
:00
14
:45
:00
15
:15
:00
15
:45
:00
16
:15
:00
16
:45
:00
Po
tên
cia
(W)
hora
Potência demandada01-03-2016
81
E𝑑 = 43,545 kWh
g) Eficiência da motobomba (ƞb) calculado para os dados obtidos no dia 01-03-2016:
Ƞ𝑏 =Ph
PC × 100
Ƞ𝑏 = 2,24 %
Ph = 7,840 W
PC = 349,941 W
Ph = 2,725 × 𝑄 × HT
Q= 2210 l/dia = 0,0908m³/h
HT = 31,686 (m)
h) Eficiência global do sistema (ƞG) fotovoltaico de bombeamento calculado para o dia
01-03-2016
ȠG =ȠP × Ƞ𝑏
100
ȠG = 0.85 % Ƞ𝑏 = 2,24 %
Ƞ𝑝 = 0,38 %
4.1.2 Simulação do painel fotovoltaico
Os gráficos obtidos através do PSIM mostram o comportamento do painel utilizado no
experimento, sob uma radiação de 1000W/m² e temperatura de 25°C, valores padrão de ensaio,
assim podemos obter o comportamento da corrente em função da tensão e potência em função
tensão, para painel SP70, como mostra a
A Tabela 7, apresenta os dados fornecidos pelo fabricante do painel com os resultados
obtidos com a simulação. Nota-se que os dados obtidos via simulação apresentam-se com
pequena diferença em relação aos dados do fabricante, notadamente da tensão elétrica.
82
Figura 47 – Simulação do painel SP70 no PSIM physical mode utility
Fonte: Própria
Tabela 5: Tabela comparativa entre valores fornecido pelo fabricante do painel SP70 e simulação no PSIM
Fonte: Própria
4.1.3 Tensão em função do tempo
A Figura 47,48,49, e 50 mostram, a geração de tensão pelo painel no decorrer do dia.
Parâmetros Dados fornecido pelo
fabricante
Dados resultantes da
simulação
Pmax 70 (W) 72,52 (W)
Vmax 21,4 (V) 16,52 (V)
Imax 4,7 (A) 4,37(A)
83
A geração começa às 6:45 da manhã e começa a declinar por volta 16:45, percebe-se
que no horário onde ocorreu chuva houve um afundamento no gráfico, a tensão praticamente
zera. A tensão só se estabelece com mais regularidade a partir das 7:00 h e seu declínio acontece
cerca das 16:00h quando a sombra da edificação ao lado atinge os painéis.
Figura 48 – Gráfico da tensão em função do tempo no dia 01-03-2016
Fonte: Própria
Figura 49 - Gráfico da tensão em função do tempo no dia 02-03-2016
Fonte: Própria
84
Figura 50 - Gráfico da tensão em função do tempo no dia 03-03-2016
Fonte: Própria
Figura 51 - Gráfico da tensão em função do tempo no dia 04-03-2016
Fonte: Própria
4.1.4 Teste de capacidade do poço
Para verificar a capacidade de suprimento do poço, foi feito um teste de capacidade
realizado no período de seca – mais crítico, no dia 22 – 09 – 2015. Para tanto, utilizou-se uma
bomba injetora de 1,5cv, e a vazão aferida por meio do manômetro que já vem acoplada,
ajustando em 20 m.c.a,. Com este ajuste obteve-se uma vazão bombeada de 1.176 L/h.
A seguir, com essa condição operativa da bomba, foi efetuada a medição do nível do
poço a cada 60 minutos, registrando a altura na lamina de agua. Para estas medições do estático
e dinâmico do mini poço utilizou-se uma vara de alumínio graduada.
85
O nível estático do poço, no início do teste, apresentava-se em 7,66 metros e durante as
6 horas de bombeamento, conforme mostra a Tabela 6, alcançou-se seu nível dinâmico de
0,05m por hora. Ao desligar o equipamento o nível volta imediatamente à posição inicial.
Tabela 6 - Leituras do nível dinâmico do teste realizado no mini poço
Nº de Leituras Hora Nível dinâmico (Metros)
1 11:00 a 12:00 7,70
2 12:00 a 13:00 7,71
3 13:00 a 14:00 7,70
4 14:00 a 15:00 7,66
5 15:00 a 16:00 7,63
6 16:00 a 17:00 7,61
Fonte: Própria
Com o teste realizado, cuja vazão adotada é superior ao que será utilizada na pesquisa,
constatou-se que a variação do nível da água do poço sofreu uma redução pouco representativa,
além do fato de que a disponibilidade de água não sofreu alteração. Desta forma, pode-se
concluir que o poço em questão tem capacidade de suprir água nas condições estabelecidas.
4.1.5 Volume bombeado
Os gráficos das Figuras 51,52,53, e 54 apresentam o bombeamento acumulado a cada
15 minutos pela motobomba durante o dia.
A chuva típica do verão na região, que ocorreu no meio do dia, ocasionou a interrupção
do bombeamento, apresentado no gráfico do dia 02-03-2016.
Figura 52 - Gráfico da vazão integralizada a cada 15minutos em função do tempo no dia 01-03-2016
Fonte: Própria
86
Figura 53 - Gráfico da vazão integralizada a cada 15minutos em função do tempo no dia 02-03-2016
Fonte: Própria
Figura 54 - Gráfico da vazão integralizada a cada 15minutos em função do tempo no dia 03-03-2016
Fonte: Própria
Figura 55 - Gráfico da vazão integralizada a cada 15minutos em função do tempo no dia 04-03-2016
Fonte: Própria
87
4.1.6 Temperatura do painel
A temperatura permaneceu relativamente entre 30°C e 70°C, atribui-se a esse
comportamento ao dado climático do dia, encoberto e com pancadas de chuvas, como mostra
as Figuras 56. 57, 58 e 59.
Figura 56- Gráfico da temperatura no painel FV em função da hora do dia 01-03-2016
Fonte: Própria
Figura 57- Gráfico da Temperatura no painel FV em função da hora do dia 02-03-2016
Fonte: Própria
88
Figura 58- Gráfico da temperatura no painel FV em função da hora do dia 03-03-2016
Fonte: Própria
Figura 59- Gráfico da temperatura no painel FV em função da hora do dia 04-03-2016
Fonte: Própria
4.1.7 Potência demandada em função do volume bombeado
A Figura 61, 60, 61 e 62 apresentam a potência consumida em Watts (W) em função da
Vazão em litros (l), para os dias de monitoramento escolhidos para análise. As grandezas
Potência e vazão são representadas segue a tendência de linearidade para mais de 99% dos
pontos levantados
89
Figura 60– Gráfico da Potência demandada em função da Vazão no dia 01-03-2016
Fonte: Própria
Figura 61 – Gráfico da Potência demandada em função da Vazão no dia 02-03-2016
Fonte: Própria
Figura 62– Gráfico da Potência demandada em função da Vazão no dia 03-03-2016
Fonte: Própria
90
Figura 63 - Gráfico da Potência demandada em função da Vazão no dia 04-03-2016
Fonte: Própria
4.1.8 Temperatura ambiente
O monitoramento da temperatura ambiente foi efetuado com é o sensor remoto da
estação meteorológica sem fio, marca Instrutemp, modelo ITWH-128, para o dia 02-04-2016,
das 7:30 às 17:30h conforme apresenta a Tabela 7.
Tabela 7 – Temperatura ambiente do dia 02-03-2016
Hora Temperatura ambiente °C
7:30 27,0
8:00 27,6
8:30 28,1
9:00 28,7
9:30 29,1
10:00 29,5
10:30 29,6
11:00 30,1
11:30 30,3
12:00 30,5
12:30 30,6
13:00 30,5
13:30 30,5
14:00 30,8
14:30 11:30
15:00 30,8
15:30 30,7
16:00 30,8
16:30 30,9
17:00 30,9
17:30 31,0
Fonte: Própria
91
4.1.9 Relação Custo x Benefíco – Payback
O sistema implantado na residência, com suprimento da concessionaria local, consistia
de uma bomba CA, 1,5 CV, do tipo centrífuga injetora, com uma capacidade de bombeamento
de 2,2 m³/h.
O novo sistema implantado, não tem custo operacional, em termos de consumo de
energia elétrica, no entanto, tem o custo inicial para sua implantação.
A Tabela 8 apresenta os custos com energia elétrica para duas situações: consumo de
água de 400 litros e consumo de água de 2000 litros. Nas condições de operação, para a primeira
situação o custo anual é de R$50,05 e para 2000 litros, R$ 250,26.
Tabela 8 – Valores relativo ao sistema convencional, utilizando bomba injetora de 1,5CV
Custo do consumo de água com o sistema convencional
- Volume diário bombeado a ser analisado 400 2.000 Litros
- Preço da Energia (R$/KW/h) com impostos R$ 0,69 R$ 0,69 R$/KWh
- Capacidade de Sucção (a 18m profundidade) 2.220 2.220 L/h
- Consumo, em W, da Bomba Centrífuga (1,5 CV) 1,103 1,103 KW
- Tempo necessário para bombear o volume d´água necessário... 0,18 0,90 h
Custo de Energia para bombear o volume necessário R$ 50,05 R$ 250,26 Anual
Fonte: Própria
O tempo para que a economia proporcionada pelo sistema fotovoltaico compense o
investimento é determinado pelo denominado “Payback Simples” (PB), determinada conforme
Equação 1514. Para isto calcularam-se os valores aproximados do investimento dos dois
sistemas: o que utilizava bomba injetora centrífuga CA e o atual, com bomba CC alimentada
diretamente pelo painel solar. Os valores podem ser vistos na Tabela 9 e Tabela 10.
Tabela 9 – Investimentos com o sistema dotado de bomba centrífuga - concessionária
Investimento bomba Centrífuga, injetora R$/Und Qtd Total R$
- 01 Bomba Centrífuga, injetora, 1.5CV 1500,00 1 1500,00
- Cano PVC 1 1/4" (entrada / sucção) (barra de 6 m) 25,00 3 75,00
- Cano PVC 1" (saída da bomba até o reservatório) (Barra de 6m) 20,00 1 20,00
- Cano PVC 1" (retorno / injetor) (Barra de 6m) 20,00 3 60,00
- Conexões e materiais diversos 5,00 4 20,00
Total R$ 1.675,00
Fonte: Própria
PB =Investimento
ganho no período
(14)
92
Tabela 10 - Investimentos com o sistema dotado de bomba volumétrica CC – mercado local
Investimento bomba CC (fotovoltaica): R$ /Und Qtd Total R$
- 01 Bomba cc 12V/24V 1900,00 1 1900,00
- Cabo PP 2x1,5mm 2,50 20 50,00
- Mangueira silicone 1/2" 4,00 18 72,00
- Cano PVC 1/2" (boca do poço até entrada reservatório) 10,00 1 10,00
- Conexões e materiais diversos 5,00 2 10,00
- Corda nylon 8mm 1,90 20 38,00
- Conector par 29,00 2 58,00
- Painel Fotovoltaico 250 Wp (o mais próximo do utilizado encontrado no mercado)
1.069,00 1 1069,00
- Estrutura de instalação dos Painéis 250,00 1 250,00
Total R$ 3.457,00
Fonte: Própria
Os materiais mostrados na tabela anterior podem ser adquiridos por importação direta,
com um custo final de cerca de 50% do valor considerado neste projeto, implicando numa
redução direta do prazo de retorno do investimento. Nesta pesquisa não foi adotada esta
alternativa devido ao tempo necessário para concretizar a importação. Apesar disso, e
considerando que o objetivo é oferecer para as comunidades que precisam deste tipo de sistemas
alternativos, para os cálculos de Pay Back, foram utilizados valores correspondentes a
equipamentos e materiais importados.
Na Tabela 11, apresentamos o custo do sistema para o sistema CC com a mesma bomba
importada, considerando um valor aproximado de R$ 1.000,00 reais, incluindo valor de frete e
impostos para uma unidade.
Tabela 11 - Investimentos dos sistemas com bomba volumétrica CC - via importação, (custo aproximado)
Investimento bomba CC (fotovoltaica): R$ unit Qtd Total R$
- 01 Bomba cc 12V/24V 1.000,00 1 1.000,00
- Cabo PP 2x1,5mm 2,50 20 50,00
- Mangueira silicone 1/2" 4,00 18 72,00
- Cano PVC 1/2" (boca do poço até entrada reservatório) 10,00 1 10,00
- Conexões e materiais diversos 5,00 2 10,00
- Corda nylon 8mm 1,90 20 38,00
- Conector par 29,00 2 58,00
- Painel Fotovoltaico 250 Wp 1.069,00 1 1.069,00
- Estrutura de instalação dos Painéis 250,00 1 250,00
Total R$ 2.557,00
Fonte: Própria
A seguir, apresentam-se os cálculos do Pay Back para as três alternativas anteriormente
apresentadas. Ressalta-se, que a alternativa de bombeamento de 400 litros/dia é apresentada
93
apenas para fins de comparação, mas que não foi objeto de implantação no estudo apresentado
neste documento.
a) Análise para volume bombeado de 400 l/dia, motobomba adquirida no mercado
local
Diferença entre os investimentos R$ 2.713,00 (Bomba CC a maior)
Investimento R$ 2.713,00
Ganho período R$ 50,05
PB = 54 anos
b) Análise para volume bombeado de 2000 l/dia, motobomba adquirida no mercado
local
Diferença entre os investimentos R$ 1.782,00 (Bomba CC a maior)
Investimento R$ 1.782,00
Ganho período R$ 250,26
PB = 7 anos
c) Análise para volume bombeado de 2000 l/dia, motobomba importada
Diferença entre os investimentos R$ 882,00 (Bomba CC a maior)
Investimento R$ 882,00
Ganho período R$ 250,26
PB = 4 anos
Os resultados encontrados, de per si, indicam a viabilidade ou não de cada uma das
opções mostradas. Vale também destacar, a aquisição da motobomba, que representa o maior
valor do investimento, foi adquirido no mercado local em um período com a cotação do dólar
bastante elevado (aproximadamente R$3,8/$US). Desta forma, com a realidade atual e
tendência de queda da moeda estrangeira, a importação da bomba e acessórios tornar-se-á ainda
mais atrativa.
Quando analisamos o sistema implantado com um volume bombeado maior (2000 l/dia)
e motobomba importada (R$ 1000,00) temos um retorno de capital em 4 anos, o que torna o
investimento bastante atrativo.
À luz dos resultados alcançados, é importante registrar que em se tratando de um insumo
indispensável para o ser humano, o importante mesmo é assegurar o suprimento de água.
94
Evidentemente, quanto menor for o custo de implantação para assegurar o abastecimento, maior
o atrativo para a população.
95
5 CONCLUSÃO
O município de Sinop ainda possui um grande número de pessoas que usam da água de
poços para o abastecimento de suas residências. É notório que muito já se fez, mas muito ainda
precisa ser feito para que a população que não tem acesso a água tratada possa ter a comodidade,
o conforto e a saúde provida por este bem natural. Foi com intuito de oportunizar uma solução
que foi estudado este sistema de bombeamento fotovoltaico autônomo.
A implantação do sistema fotovoltaico autônomo de bombeamento dotado de uma
bomba CC, ligada diretamente ao painel solar, apresentou um volume de água bombeada
satisfatório para a finalidade pretendida, ou seja, o abastecimento de uma casa com quatro
moradores, eliminando assim a dependência da concessionária de abastecimento de água e de
energia elétrica.
O estudo foi realizado no verão, onde o céu está, em grande parte do dia, coberto por
nuvens e com índices de irradiação solar baixo. Em um único dia de bombeamento obteve-se o
necessário para mais de três dias de suprimento de água estimado para a edificação.
O dia 01-03-2016 escolhido para ser analisado, dia de céu encoberto e com chuvas
ocasionais, vazão de 2210 (l/dia), apresentou rendimento: do sistema de 0,85%, dos painéis de
0,38%, e para a motobomba de 2,24%.
Observa-se que o sistema trabalhou fora da faixa de máxima potência uma vez que não
se utilizou nenhum equipamento que otimiza-se a utilização da energia produzida pelos painéis,
o que pode justificar o baixo rendimento. O uso de equipamentos como controlador e bateria
elevaria o custo da instalação fugindo do objetivo de buscar o menor custo de implantação.
O retorno apurado de 54 anos em relação ao sistema que utilizava a rede de energia
convencional, levando em consideração a energia elétrica, entende-se torna inviável
economicamente a implantação do sistema, isto, sob o ponto de vista financeiro.
Entretanto, e conforme apresentado, se a motobomba fosse adquirida do mercado
externo e se trabalharmos um bombeamento de 2000 l/dia o retorno passaria a 4 anos, aceitável
para esta tecnologia.
A busca de economia de energia elétrica e a facilidade de abastecimento da água por
meio do sistema estudado, contudo, não dispensa o uso consciente e racional deste recurso
natural finito.
96
Pensando em melhorias futuras para este tipo de sistema, sugere-se estudar o uso de um
controlador de carga e bateria para conhecer o comportamento do conjunto e verificar a melhora
do rendimento do sistema.
Por se tratar de uso doméstico estudar um sistema de tratamento da água buscando uma
melhoria da qualidade da água é relevante, uma vez que o município não possui rede de esgoto.
97
REFERÊNCIA
ANDRADE, Eduardo Henrique Pereira de [et al] “Sistema de bombeamento de água com
energia solar fotovoltaca utilizando motor de indução trifásico.” 2008.
ANEEL. Disponível em:<http://www.aneel.gov.br/cedoc/ren2012493.pdf>.Acesso em: jul.
2015.
ANEEL. Disponível em:
<http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/noticias/Output_Noticias.cfm?Identidade=8316&id_area
=90. 2014. http://www.aneel.gov.br>. Acesso em: jul.2015.
APOLÔNIO, Daniel Moussalem. “Energia Solar Fotovoltaica Conectada á Rede de
Energia Eletrica em Cuiabá:Estudo de Caso.” Dissertação (Mestrado) - Universidade
Federal de Mato Grosso - Faculdade de Arquitetura, Engenharia e Tecnologia Program de Pós
-Graduação de Edificaçãoes e Ambientais, 2014: 148.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS.NBR5626. Instalação predial de
água fria. 1998.
BELUCO, Alexandre, Paulo SOUZA, e Arno KRENZINGER. “PV hydro hybrid systems.”
IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, DECEMBER de 2008.
BRASIL, Alex Nogueira. TEORIA GERAL DAS MÁQUINAS DE FLUXO. . 2006.
Disponível em:<http: //alexbrasil.com.br/_upload/520f93c66bc16bbe48256d838ce7fed3.pdf.>
Acesso em: jul 2015.
CARARO I, Denis C., Flavio A. DAMASCENO II, Greta GRIFFANTE II, e Lívia A.
ALVARENGA. “Características construtivas de um carneiro hidraúlico com materiais
alternativos.” Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, Rev. bras. eng. agríc.
ambient. vol. no. July/Aug. de 2007.
CARVALHO JÚNIOR, Roberto de, Instalações Hidraulicas e o Projeto de Arquitetura. São
Paulo: Blucher, 2011.
CEPEL - CRESESB. Manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos. Vers. Edição
Revisada e Atualizada. ed. Rio de Janeiro: [s.n.]. CEPEL - CRESESB. 2014. Disponível em:<
http://www.cresesb.cepel.br/> Acesso em:18 dez. 2015.
CEPEL SISTEMA ELETROBRAS. “Energia Solar Princípios e Aplicações.” Centro de
referência para energia solar e eólica Sergio Brito, 2006.
CLOVER, IAN . EPIA rebrands como Solarpower Europa. Disponível
em:<https://translate.google.com.br/translate?hl=pt-BR&sl=en&u=http://www.pv-
magazine.com/news/details/beitrag/epia-rebrands-as-solarpower-
europe_100019611/&prev=search. PV MAGAZINE: Photovoltaic, Marketing &
Technology>.Acesso em: jul. 2015.
CREDER, Hélio. Instalações Hidraúlicas e Sanitárias. Vol. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2006.
98
CRESESB. Manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos. Rio de Janeiro, 2004.
DGS. “Energia Fotovoltaica manual sobre tecnologia, projecto e instalação.” Greenpro.
2004. Disponível em:<http://www.greenpro.de/po/index.html> Acesso:jan. 2016.
DHERE, NEELKANTH G. The Development of Solar Photovoltaic Energy in Brazil. EUA.
1989.
EMBRAPA. Estação meteorológica. Disponível em:<
https://www.embrapa.br/agrossilvipastoril/estacao-meteorologica. Agrossilvipastoril.
Sinop>.Acesso em: fev. 2016.
FEDRIZZI, Maria Cristina. Sistema fotovoltaico de abastecimento de água para uso
comunitário: lições apreendidas e procedimentos para potencializar sua difusão. São
Paulo: USP, 2003.
FEDRIZZI, Maria Cristina, e Ildo Luiz SAUER. “Bombeamento Solar Fotovoltaico,
Histórico, Caracteristicas e Projetos.” 4º Encontro de Energia no Meio Rural AGRENER,
Outubro de 2002.
FRAIDENRAICH, Naum, e Olga de Castro VILELA. “Avanços em sistemas de
abastecimento de água com bombeamento fotovoltaico para comunidades rurais.” Revista
Brasileira de Recursos Hídricos ,v. 4,n.3, p. 69-81, nº Jul/Set 1999.
GLOBAL MARKET OUTLOOK. For Solar Power / 2015 - 2019. Global Power Eope.
GLOBAL MARKET OUTLOOK. Janeiro de 2015. Disponível
em:<http://www.solarpowereurope.org/insights/global-market-outlook/>. Acesso em: 7 jan.
2016.
GREENPRO. Energia Fotovoltaica: manual sobre tecnologias, projecto e instalação. União
Europeia. janeiro de 2004.
LIMA, Alípio Agra, Jose Augusto VIEIRA FILHO, Florísio Tabosa dos ANJOS, e Marcos
Antônio de Holanda TAVARES. “Teste de Bombeamento objetivando o Aproveitamento
de Águas Minerais em Meio Poroso.” IV Simpósio de Hidrogeologia do Nordeste, 2001: 567.
LOPES, Luiz Carlos Nascimento. “Avaliação eólico-elétrico de bombeamento de água.”
Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal do Ceará - Centro de Tecnologia, Agosto 2011:
150.
MACINTYRE, Alasdair Chalmers. Bombas e instalação de bombeamento. Vol. 2. ed. Rio de
Janeiro: LTC, 1997.
MACINTYRE, Archibald Joseph. Instalacoes Hidraulicas - Prediais e Industrias. Vol. 4. ed.
Rio de Janeiro: LTC, 2010.
MOREIRA, Carlos Alberto Machado. “Avaliação do desempenho hidro-energético de
sistemas fotovoltaicos utilizados no bombeamento de água.” Edição: UNESP. Dissertação
(Mestrado) – Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Ciências Agronômicas
(Dissertação), Dezembro 2009: 129.
99
NASCIMENTO, Leandro J. “Descoberta nova sabotagem para causar blecaute no nortão.”
Sónoticias, jul. 2008.
OMER, Abdu I. , Khalid O. DAFFALLAH, e Mutaz M. FADL ALLAH . “Design and
Development of a Photovoltaic Water Pumping.” Journals Of University Of Gezira 15, nº 1
2010.
PEREIRA, E. B., F. R. MARTINS, e S. L. D. A. E. R. RÜTHER. Vers. 1º. ed. São José dos
Campos. Atlas brasileiro de energia solar. 2006. Disponível em:
<http://sonda.ccst.inpe.br/publicacoes/atlas_solar.html>. Acesso em 18 jan. 2016.
POWERSIM, Inc. “PSIM User’s Guide.” 2015.
REMES, Chrystian Lenon. “Caracterização por simulação numérica de painéis
fotovoltaicos e método de rastreamento do máximo ponto de potência baseado em redes
neurais artificiais.” Trabalho de Conclusão de Curso - Universidade Estadual de Santa
Catarina, 2013.
RUIZA, B.J., V. RODRIGUEZA, e C. BERNANNB. “Analysis and perspectives of the
government programs to promote the renewable electricity generation in Brazil.” Energy
Policy, 31 de maio de 2007: 2989-2994.
SHURFLO. “Bomba submersível alimentação em corrente contínua, Série 9300. Manual
do proprietário.” Bomba submersível alimentação em corrente contínua. nº Manual do
proprietário. 1993.
Siemens Solar Panels direct from Bullnet. Siemens Solar Panels direct from Bullnet.
http://www.siemen.co.uk/sp75_sp70.html. Siemens Solar Panels direct from Bullnet. 2016.
SILVA, Rutelly Marques da. “Energia Solar no Brasil:dos incentivos aos desafios.” Núcleo
de Estudos e Pesquisas da Consultoria Legislativa, Fevereiro de 2015.
TIBA et al, Chigureu. Atlas solarimétrico do Brasil: banco de dados terrestres. Recife:
Universitária da UFPE, 2000.
URBANETZ JUNIOR, Jair. “Sistemas fotovoltaicos conectados a redes de distribuição
urbanas: sua influência na qualidade da energia elétrica e análise dos parâmetros que
possam afetar a conectividade de parâmetros que possam afetar a conectividade.” Tese
(doutorado) - Universidade de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-
Graduação em Engenharia Civil, 2010: 189.
VICENTIN, Tiago Aparecido. “Acionamento de dois sistemas de bombeamento
alimentados por uma central de microgeação fotovoltaica.” dissertação ( Mestrado)
universidade Estadual Paulista, Faculdade de Ciências Agronômicas, Setembro de 2014.
VILLABA, Marcelo Gradell, e Jonas Rafael GRAZOLI. Energia Solar Fotovoltaica:
conceitos e aplicações. 1. São Paulo: Érica LTDA, 2012.
100
APÊNDICE A
101
APÊNDICE A – Leituras dos quatro dias de monitoramento do sistema de
bombeamento fotovoltaico
Datalogger - Registro do dia 01/03/2016
Dados Climáticos: Dia ensolarado, não choveu, depois das 16h00 o céu ficou encoberto
Hora Inic.: 6:30:00 Hidrômetro Inicial.: 14.966
Hora Fim: 17:00:00 Hidrômetro Final.: 17.179
Total Horas: 10:30:00 Vazão Hidrômetro (L): 2.213
Amostras com Leituras a cada 15 minutos (Média) Vazão integralizada
Hora Tensão (V) Corrente (A) Temp.Placa (°C) Potência (W) a cada 15min
6:45:00 11,13 1,56 32,15 17,55 38,00
7:00:00 14,57 1,69 42,40 24,64 54,00
7:15:00 15,80 1,70 44,37 26,93 61,00
7:30:00 16,25 1,68 41,32 27,26 61,00
7:45:00 16,35 1,70 42,22 27,72 63,00
8:00:00 16,69 1,74 43,83 29,09 63,00
8:15:00 16,71 1,70 47,10 28,47 64,00
8:30:00 16,81 1,71 47,29 28,78 64,00
8:45:00 16,92 1,66 56,56 28,06 64,00
9:00:00 16,59 1,65 60,10 27,41 63,00
9:15:00 16,50 1,62 62,80 26,78 62,00
9:30:00 16,47 1,69 64,29 27,82 62,00
9:45:00 16,39 1,64 66,20 26,82 62,00
10:00:00 16,36 1,68 67,16 27,42 61,00
10:15:00 16,37 1,64 68,98 26,92 61,00
10:30:00 15,84 1,67 68,56 26,46 59,00
10:45:00 15,04 1,61 58,28 24,26 56,00
11:00:00 15,67 1,63 58,21 25,49 57,00
11:15:00 14,48 1,63 51,57 23,58 53,00
11:30:00 15,65 1,65 58,30 25,84 58,00
11:45:00 16,15 1,63 70,07 26,39 60,00
12:00:00 16,01 1,61 75,41 25,80 59,00
12:15:00 15,82 1,63 73,66 25,79 59,00
12:30:00 15,74 1,64 75,51 25,88 59,00
12:45:00 15,70 1,63 68,62 25,53 59,00
13:00:00 15,83 1,69 67,16 26,77 59,00
13:15:00 16,05 1,66 68,70 26,60 60,00
13:30:00 16,14 1,59 66,84 25,70 60,00
13:45:00 16,00 1,63 68,63 26,04 60,00
14:00:00 14,84 1,60 59,74 23,86 55,00
14:15:00 15,99 1,65 64,10 26,35 60,00
14:30:00 15,35 1,61 64,01 24,83 57,00
14:45:00 13,86 1,61 52,49 22,57 51,00
15:00:00 15,49 1,62 56,03 25,09 58,00
15:15:00 13,44 1,59 46,65 21,41 48,00
15:30:00 11,15 1,51 41,92 16,79 39,00
15:45:00 10,08 1,48 39,96 14,92 34,00
16:00:00 11,58 1,53 39,87 17,76 40,00
16:15:00 11,05 1,51 39,41 16,73 39,00
16:30:00 3,78 1,28 37,97 5,13 8,00
16:45:00 1,08 0,66 35,53 0,73 0,00
17:00:00 0,97 0,58 33,95 0,57 0,00
Vazão Acumulada no dia (l): 2210
102
Datalogger - Registro do dia 02/03/2016
Dados Climáticos: Dia encoberto, chuvoso, depois das 16h 00 o sol apareceu.
Hora Inic.: 6:30:00 Hidrômetro Inicial.: 17.179
Hora Fim: 17:30:00 Hidrômetro Final..: 18.502
Total Horas: 11:00:00 Vazão Hidrômetro (L): 1.323
Amostras com Leituras a cada 15 minutos (Média) Vazão integralizada
Hora 15min Corrente (A) Temp.Placa (°C) Potência (W) a cada 15min
6:45:00 0,79 0,37 23,50 0,30 0,00
7:00:00 1,04 0,55 23,94 0,58 0,00
7:15:00 1,40 0,78 24,42 1,09 0,00
7:30:00 1,61 0,96 24,89 1,58 0,00
7:45:00 2,28 1,49 25,74 3,45 0,00
8:00:00 14,63 1,69 27,31 24,49 53,00
8:15:00 15,90 1,69 28,86 26,97 58,00
8:30:00 15,96 1,62 29,43 25,80 60,00
8:45:00 16,55 1,63 30,38 27,01 62,00
9:00:00 16,76 1,68 32,74 28,16 63,00
9:15:00 16,61 1,66 33,43 27,64 63,00
9:30:00 15,84 1,64 32,96 25,90 60,00
9:45:00 6,16 1,19 29,21 9,20 20,00
10:00:00 1,48 0,90 25,71 1,35 0,00
10:15:00 1,75 1,18 24,71 2,10 0,00
10:30:00 1,59 1,13 24,51 1,85 0,00
10:45:00 0,91 0,63 23,53 0,58 0,00
11:00:00 0,83 0,55 23,54 0,45 0,00
11:15:00 0,93 0,62 23,39 0,57 0,00
11:30:00 0,85 0,56 23,48 0,48 0,00
11:45:00 1,11 0,74 23,80 0,83 0,00
12:00:00 1,52 1,06 24,15 1,62 0,00
12:15:00 3,40 1,56 24,71 5,39 4,00
12:30:00 15,50 1,69 25,82 26,23 57,00
12:45:00 16,19 1,63 26,69 26,33 60,00
13:00:00 16,09 1,66 27,18 26,65 61,00
13:15:00 16,21 1,62 27,72 26,30 61,00
13:30:00 16,40 1,67 28,07 27,38 62,00
13:45:00 16,59 1,65 28,95 27,36 63,00
14:00:00 16,61 1,63 30,86 27,15 63,00
14:15:00 16,69 1,65 33,97 27,63 63,00
14:30:00 16,49 1,62 36,51 26,67 63,00
14:45:00 16,54 1,61 37,88 26,69 63,00
15:00:00 16,24 1,62 36,98 26,33 62,00
15:15:00 16,39 1,66 37,45 27,24 62,00
15:30:00 16,30 1,70 38,67 27,62 62,00
15:45:00 11,06 1,50 38,99 17,04 40,00
16:00:00 6,82 1,38 36,64 9,40 21,00
16:15:00 5,70 1,35 34,94 7,69 16,00
16:30:00 1,62 1,06 32,47 1,74 0,00
16:45:00 1,31 0,81 29,71 1,07 0,00
17:00:00 1,25 0,76 28,45 0,96 0,00
Vazão Acumulada no dia (l): 1322
103
Datalogger - Registro do dia 03/03/2016
Dados Climáticos: Dia encoberto, chuvoso, depois das 12h 00 o sol apareceu.
Hora Inic.: 6:30:00 Hidrômetro Inicial.: 18.502
Hora Fim: 17:00:00 Hidrômetro Final..: 20.815
Total Horas: 10:30:00 Vazão Hidrômetro (L): 2.313
Amostras com Leituras a cada 15 minutos (Média) Vazão integralizada
Hora 15min Corrente (A) Temp.Placa (°C) Potência (W) a cada 15min
6:45:00 1,72 1,05 24,18 1,84 0
7:00:00 2,01 1,26 25,79 2,54 0
7:15:00 6,18 1,74 27,33 10,54 15
7:30:00 15,53 1,69 29,57 26,25 60
7:45:00 16,02 1,70 31,49 27,21 61
8:00:00 16,15 1,66 32,31 26,76 63
8:15:00 16,38 1,65 33,72 27,02 64
8:30:00 16,54 1,65 35,19 27,30 63
8:45:00 16,64 1,67 36,19 27,79 64
9:00:00 16,70 1,68 37,55 28,02 64
9:15:00 16,90 1,69 40,72 28,61 65
9:30:00 16,93 1,69 49,54 28,64 65
9:45:00 16,61 1,71 61,54 28,44 63
10:00:00 16,20 1,60 66,41 25,91 62
10:15:00 16,40 1,64 61,81 26,95 63
10:30:00 16,20 1,62 58,92 26,24 62
10:45:00 16,26 1,65 52,10 26,77 62
11:00:00 16,30 1,60 48,20 26,09 63
11:15:00 16,61 1,69 46,88 28,05 64
11:30:00 16,59 1,64 48,49 27,17 64
11:45:00 16,52 1,64 47,59 27,07 64
12:00:00 16,64 1,67 48,36 27,79 64
12:15:00 16,68 1,66 51,32 27,61 65
12:30:00 16,49 1,66 53,66 27,35 63
12:45:00 16,32 1,61 51,55 26,29 63
13:00:00 16,37 1,66 50,94 27,14 64
13:15:00 16,43 1,65 53,43 27,17 63
13:30:00 16,36 1,67 60,54 27,33 63
13:45:00 15,42 1,64 65,05 25,25 60
14:00:00 16,14 1,65 62,51 26,64 62
14:15:00 16,06 1,67 60,76 26,79 61
14:30:00 16,20 1,63 60,42 26,47 62
14:45:00 15,39 1,62 58,66 24,93 59
15:00:00 15,13 1,57 49,71 23,70 58
15:15:00 15,56 1,65 46,13 25,78 59
15:30:00 14,13 1,59 47,31 22,68 54
15:45:00 12,18 1,55 39,48 18,97 44
16:00:00 14,67 1,64 40,30 24,16 55
16:15:00 13,93 1,60 41,31 22,33 53
16:30:00 11,18 1,52 34,73 17,04 40
16:45:00 11,94 1,54 29,93 18,41 42
17:00:00 3,60 1,19 30,25 4,69 7
Vazão Acumulada no dia (l): 2312
104
Datalogger - Registro do dia 04/03/2016
Dados Climáticos: Dia com sol, com nuvens, chove no final da tarde pancada de curta duração
Hora Inc.: 6:30:00 Hidrômetro Inicial. 20.815
Hora Fim: 17:00:00 Hidrômetro Final. 23.128
Total Horas: 10:30:00 Vazão Hidrômetro (L): 2.313
Amostras com Leituras a cada 15 minutos (Média) Vazão integralizada
Hora a cada 15min Corrente (A) Temp.Placa (°C) Potência (W) a cada 15min
6:45:00 6,88 1,56 28,20 10,79 20
7:00:00 15,79 1,71 36,58 27,04 59
7:15:00 16,36 1,66 42,19 27,08 61
7:30:00 16,72 1,76 45,05 29,49 64
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Vazão Acumulada no dia (l): 2310