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SISTEMA MOTOBOMBA COM ALIMENTAÇÃO FOTOVOLTAICA

Isadora Barbosa Vieira Martins

Projeto de Graduação ao curso de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica Universidade Federal do Rio de Janeiro como parte dos Requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro Eletricista

14 DE SETEMBRO DE 2017 UFRJ - DEE

Orientador: Jorge Luiz do Nascimento. Dr. Eng

ii

Sistema Motobomba com Alimentação Fotovoltaica


PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE

ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS

PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRA ELETRICISTA.

Examinado por:

Prof. Jorge Luiz do Nascimento, Dr. Eng..

Prof. Heloi José Fernandes Moreira, D. Sc.

Prof. Sergio Sami Hazan, Ph. D

Rio de Janeiro, RJ - Brasil

14/09/2017

iii

Martins, Isadora Barbosa Vieira.


Orientador: Jorge Luiz do Nascimento

Projeto de Graduação – UFRJ/POLI/Engenharia Elétrica,

2017

Referências Bibliográficas: p. 47

1. Sistema Motobomba 2. Sistema Fotovoltaico 3. Seguidor

de Máxima Potência 4. Fontes Alternativas 5. Monografia.

(Graduação – UFRJ/Escola Politécnica).

iv

Agradecimentos

Agradeço primeiramente a minha avó e mãe, Marilia de Dirceu, por todo

carinho, apoio e cobrança, por ter sido o meu exemplo de dedicação e caráter

inabalável.

À minha tia, Mônica Paes, por ter me apoiado e me forçado a ser uma

pessoa melhor sempre.

Ao meu tio, Severino Barbosa, por ter sido um exemplo de caráter,

superação e dedicação.

Aos meus amigos, Amanda Mendes, Camila Motta, Nina Brown e Thiago

Fratini, por todo apoio e carinho, por todo apoio e compreensão incondicional.

Por fim, agradeço aos professores que me ensinaram e me motivaram ao

longo da faculdade, Jorge Luiz do Nascimento e Marcos Vicente de Brito Moreira.

v

Resumo do Projeto Final apresentado à Escola Politécnica como parte dos requisitos

necessários para obtenção do grau de Engenheira Eletricista.



Setembro, 2017

Orientador: Prof.: Jorge Luiz do Nascimento, Dr Eng

Curso: Engenharia Elétrica

Esse projeto de Graduação apresenta um estudo da utilização de painéis fotovoltaicos

para alimentação do sistema motobomba para casas e prédios como uma alternativa

de economia na conta de energia no meio da crise financeira atual do país.

Será apresentada a vantagem da combinação entre o sistema motobomba com o

sistema fotovoltaico, uma vez que os dois funcionam por um período de tempo

limitado, podendo ser adaptados para funcionarem em conjunto não necessitando da

compra de banco de baterias, o que torna o projeto fotovoltaico mais barato.

Por fim, serão apresentados as caracteristicas dos casos que atingiram o objetivo do

projeto.

Palavras Chaves: Sistema Motobomba, Sistema Fotovoltaico, Seguidor de Máxima

Potência, Fontes Alternativas.

vi

Abstract of Undergraduate Project presented to Department of Electrical Engineering of

POLI/UFRJ as partial fulfillment of the requirements for the degree of Engineer.

Pump System Powered by Photovoltaic Cell


September, 2017

Supervisor: Prof.: Jorge Luiz do Nascimento, Dr Eng

Course: Electrical Engineering

This project presents the study of the use of photovoltaic cell to power the pump

system of houses and buildings as a alternative to save money in the power bill in the

middle of the financial crisis of the country.

Will be presented the advantages of combining the pump system with the photovoltaic

cell, since both can work in a limited time period, therefore it can be adapted to work

together, not needing a battery to store energy, making the project more affordable.

At the end, will be presented the characteristics of the cases that meet the goals of the

project.

Keywords: Pump, Photovoltaic Cell, Maximum Power Point Tracking, alternative

sources.

vii

Sumário

Legenda .......................................................................................................................... ix

Lista de Figuras .............................................................................................................. x

Lista de Tabelas ............................................................................................................. xi

1 Introdução ................................................................................................................ 1

1.1 Metodologia........................................................................................................ 3

1.2 Motivação 3

1.3 Relevância ......................................................................................................... 4

1.4 Estrutura do Trabalho ........................................................................................ 4

2 Bombas D’água – Revisão Teórica ....................................................................... 5

2.1 Tipos de Poços .................................................................................................. 5

2.1.1 Poço Artesiano ........................................................................................... 5

2.1.2 Poço Tubular ou Semi-Artesiano ............................................................... 5

2.1.3 Poço Raso ou Amazônia ............................................................................ 5

2.1.4 Poço tubular Profundo ................................................................................ 5

2.2 Sistema de Bombeamento e Armazenagem .................................................... 5

2.2.1 Instalações .................................................................................................. 8

2.3 Unidade de bombeamento ................................................................................ 8

2.3.1 Bomba injetora............................................................................................ 9

2.3.2 Bomba Centrifuga ..................................................................................... 10

2.3.3 Bomba submersa ..................................................................................... 10

2.3.4 Bomba Manual.......................................................................................... 11

2.3.5 Compressor .............................................................................................. 12

3 Geração Fotovoltaica ............................................................................................ 13

3.1 Células e Módulos Fotovoltaicos ..................................................................... 13

3.2 Sistemas Fotovoltaicos: OFF GRID e ON GRID ............................................ 14

3.3 Inversores 15

4 Escolha do Sistema Fotovoltaico para Alimentação Elétrica.......................... 17

4.1 Casos a serem estudados ............................................................................... 17

4.1.1 Vazão Mínima ........................................................................................... 18

4.2 Escolha das Bombas ....................................................................................... 22

4.2.1 Cisterna para uma caixa d’água .............................................................. 22

4.2.2 Poço para caixa d’água em uma residência de 3 metros de recalque ... 24

viii

4.2.3 Escolha das bombas para uma residência com um recalque de 6 metros

26

4.2.4 Escolha das bombas de um poço para a cisterna ................................... 27

4.2.5 Levantamento da demanda e do Consumo de Energia .......................... 30

4.2.6 Separação dos Casos que Usaram duas Bombas .................................. 32

4.3 Dimensionamento do Gerador Fotovoltaico .................................................... 34

4.3.1 Dimensionamento de Sistema Fotovoltaico pelo Método do Mês Crítico36

4.4 Estudo Financeiro ............................................................................................ 41

5 Conclusões e Sugestões de Trabalhos Futuros ............................................... 45

Referência ..................................................................................................................... 47

Anexos ........................................................................................................................... 48

ix

LEGENDA

Lista de Abreviaturas

C.A.: Corrente Alternada;

C.C.: Corrente Continua;

HSP: Horas de Sol Pleno

SFV: Sistema Fotovoltaico;

SPPM: Seguidor de Ponto de Potência Máxima;

Lista de Simbolos

: Custo Diário (kWh/mês);

CT:Comprimento da Tubulação (m);

: Número médio de dias de Utilização do equipamento por mês (dias);

Fpc: Fator Percentual de Perda nas Tubulações;

: Altura de Recalque (m);

: Altura de Sucção (m);

: Corrente do Painel Fotovoltaico (A);

L: litros

Lativa: Quantidade de Energia Ativa Necessária (W);

: Quantidade de Energia Consumida Diariamente em Corrente Alternada (W);

: Número Médio de Horas diárias de Utilização do Equipamento;

: Eficiência do Inversor (%);

PC: Perda de Carga;

: Potência Nominal do Equipamento (W);

PM: Padrão Médio de Consumo de Água por Habitante (L);

: Potência do Painel Fotovoltaico (W);

: Vazão da Bomba (m3/h);

Red1: Fator de Redução da Potência dos Módulos Fotovoltaicos (%);

Red2: Fator de Redução da Potência Devido a Perdas do Sistema (%);

: Tensão Nominal do Sistema (V);

x

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 - Evolução do Custo do Modulo Fotovoltaico no mundo ao longo dos anos

(EVOLUÇÃO DA GERAÇÃO FOTOVOLTAICA, 2017) .................................................. 2

Figura 2.1 - Ilustração do Poço (CPRM, 1998) ................................................................ 6

Figura 2.2 - ilustração da instalação de uma bomba em uma residência (Schneider,

2017) ................................................................................................................................. 7

Figura 2.3– Exemplo do Sistema Motobomba (CPRM, 1998) ........................................ 8

Figura 2.4 - Bomba Injetora (Schneider, 2017) ............................................................... 9

Figura 2.5 - Bomba Centrifuga (CPRM, 1998) .............................................................. 10

Figura 2.6 - Bomba submersa (CPRM, 1998) .............................................................. 11

Figura 2.7 - Bomba Manual (CPRM, 1998) ................................................................... 11

Figura 2.8 - Motor Compressor (CPRM, 1998) .............................................................. 12

Figura 3.1 - Célula Fotovoltaica (Cepel, 2014) .............................................................. 13

Figura 3.2 - Curva I x V para Módulos em Paralelo e em Série (Cepel, 2014) ............ 14

Figura 3.3 - Curva I-V e P-V de um módulo submetido a um fator de sombreamento de

50% (Cepel, 2014) ......................................................................................................... 16

Figura 4.1 - Diagrama do sistema Fotovoltaico de Bombeamento (Cepel, 2014) ........ 17

Figura 4.2 – Diagrama de blocos do sistema fotovoltaico alimentando a bomba d’água

........................................................................................................................................ 35

Figura 4.3 - Cálculo da grandeza de Sol pleno ............................................................ 36

xi

LISTA DE TABELAS

Tabela 4.1 - Casos estudados ....................................................................................... 18

Tabela 4.2 - Cálculo da capacidade dos reservatórios (superior e inferior) ................. 20

Tabela 4.3 -Cálculo da vazão mínima ........................................................................... 21

Tabela 4.4 – Cálculo da capacidade do reservatório de uma casa .............................. 21

Tabela 4.5 - Cálculo da Vazão Mínima .......................................................................... 22

Tabela 4.6 – Tempo diário de Utilização da Bomba ...................................................... 29

Tabela 4.7 – Resultados de Todos os Casos ................................................................ 30

Tabela 4.8 - Consumo diário das bombas escolhidas ................................................... 31

Tabela 4.9 – Consumo Diário do Caso 12 ..................................................................... 32

Tabela 4.10 -– Consumo Diário do Caso 13 ................................................................. 33



Tabela 4.13 – Consumo Diário para Todos os Casos ................................................... 34

Tabela 4.14 – Energia Ativa necessária diária .............................................................. 37

Tabela 4.15 - Potência do Painel Fotovoltaico .............................................................. 39

Tabela 4.16 – Potência mínima dos inversores ............................................................. 40

Tabela 4.17 - Número de Painéis em Paralelo .............................................................. 41

Tabela 4.18 - Tabela de Preços ..................................................................................... 42

Tabela 4.19 – Investimento ............................................................................................ 43

Tabela 4.20 – Prazo de Retorno .................................................................................... 44

Tabela 0.1 - Anexo da Tabela de Seleção da Schneider disponível na tabela de

Seleção da Schneider (Schneider, 2017). ..................................................................... 48

Tabela 0.2 - Anexo da Tabela Perda de Carga em tubulações disponível na tabela de

Seleção da Schneider ( Schneider, 2017). .................................................................... 49

1

1 INTRODUÇÃO

A crise econômica do país atual leva a procura de corte de recursos e de

investimentos mais eficientes. Uma das maneiras de reduzir a demanda de recursos

financeiros é a diminuição do consumo de energia fornecida pela concessionária, que

cada vez fica mais cara.

A procura por maneiras de diminuir o consumo da concessionária de forma

simples leva o sistema de bombeamento d’água em prédios e casas ter um grande

potencial para essa economia uma vez que é um sistema que funciona durante curtos

períodos durante o dia e não precisa ficar completamente separado da rede elétrica.

O uso de fontes renováveis para a microgeração elétrica como forma de

economia tem sido muito estudado, como uso de energia fotovoltaica, eólica e

biomassa, porém para o pequeno consumidor o uso de algumas fontes alternativas

pode não ser possível por limitações de espaço, por restrições legais ou até mesmo

por aspectos estéticos. Biomassa, em geral, é mais apropriado para áreas de

produção rural, proximidade de matas ou florestas, ou com uso de resíduos de esgoto,

que são difíceis para o empreendimento individualizado. A eólica para uma geração

substancial de energia precisa da existência de vento capaz de gerar, razoável espaço

de instalação e atender a questões de interferência com a vizinhança, ficando mais

apropriada para geração de grandes blocos de energia, em áreas não habitadas e

interligadas ao sistema de transmissão nacional. Nesta análise, a energia fotovoltaica

se apresenta como uma alternativa mais adaptável, pois em nada perturba os

vizinhos, pode ser instalada nos próprios telhados das edificações beneficiadas, pode

gerar desde pequenas quantidades de energia e ser expandida ao longo do tempo,

além do Sol, que só não pode contribuir de forma significativa durante todo o ano nas

regiões muito próximas dos pólos da Terra.

A energia fotovoltaica está cada vez mais atrativa, o preço do modulo e

das células fotovoltaicas vem caindo exponencialmente ao longo dos anos (Figura 1.1)

e quando usada para microgeração em cidades pode ser incorporada nos telhados

dos prédios e casas sem interferir muito na estética e em espaço, sendo seu uso mais

atraente que as outras fontes alternativas.

2

Figura 1.1 - Evolução do Custo do Modulo Fotovoltaico no mundo ao longo dos anos (EVOLUÇÃO DA GERAÇÃO FOTOVOLTAICA, 2017)

Os preços dos painéis solares variam de acordo com a empresa

importadora, mas, atualmente, estão em torno de R$ 3,10 a 4,50 por watt para o

consumidor final.

A geração própria através de módulos fotovoltaicos está cada vez mais

barata. O investimento nesse tipo de energia leva a pagar uma energia mais barata

que a entregue pela concessionária, ela fica R$ 0,59/kWh considerando-se o

investimento e a manutenção ao longo de 25 anos.

A utilização do seguidor de ponto de máxima potência, que procura captar

a máxima potência do painel fotovoltaico, caso haja disponibilidade para sua

instalação, deixa o sistema fotovoltaico mais eficiente.

Neste trabalho estudar-se-á a aplicação da energia fotovoltaica para

alimentação de bombas d’água, que são cargas significantes no consumo de

condomínios, comércios, clubes, áreas rurais e residências, que dependem da retirada

de água de poços profundos. Mesmo nas residências em áreas urbanas, quando há a

alternativa de uso de poços, profundos ou não, cisternas de acumulação de água de

chuva, o uso do suprimento de energia elétrica por energia solar pode representar

também a economia no consumo de água fornecida pela companhia responsável.

O curto período de funcionamento do sistema motobomba torna vantajoso

alimentá-lo por energia fotovoltaica uma vez que é um sistema que não funciona o dia

inteiro, podendo esperar a radiação do dia seguinte para voltar a funcionar e completar

o sistema, não necessitando do uso de um banco de baterias.

3

Dessa forma, o objetivo desse trabalho é estudar alguns sistemas de

bombeamento d’água mais comuns, em seus vários casos, com a alimentação por

energia solar fotovoltaica.

1.1 METODOLOGIA

Trata-se de um estudo de viabilidade do uso de painéis fotovoltaicos na

alimentação do sistema motobomba com aplicação residencial onde a finalidade é a

diminuição do consumo de energia da concessionária, com o objetivo da economia

financeira a longo prazo.

Primeiramente é necessário um estudo nos tipos de reservatórios e suas

dimensões para que seja possível dimensionar o tipo de bomba aplicado para cada

tipo de caso e assim ter conhecimento do tipo de carga.

Depois, é necessário um estudo dos tipos de bombas de forma que as

bombas escolhidas sejam capazes de alimentar os reservatórios, sendo a vazão delas

o suficiente para funcionar apenas no período de HSP. Para essa escolha foi usado a

tabela de seleção da Schneider , onde continha dados de vazão, potência e perdas em

tubulações em função da Altura Manométrica Total, além das especificações técnicas

das bombas.

A partir da estimativa de carga é possível dimensionar o sistema

fotovoltaico seguindo os paços do Manual de Engenharia FV do CEPEL .

1.2 MOTIVAÇÃO

O uso de energia solar fotovoltaica para o bombeamento de água devido a

não necessidade do uso de um banco de bateria e a diminuição do preço dos módulos

fotovoltaicos pode representar uma economia financeira para a economia familiar e

empresarial combatendo a crise atual brasileira.

Além da economia financeira esse tipo de energia leva a uma redução das

emissão de gases do efeito estufa, além de um consumo menor da energia das

concessionárias que leva, ainda que pouco, uma redução da utilização das

termoelétricas que são umas das responsáveis pelas altas tarifas de energia das

concessionárias.

4

1.3 RELEVÂNCIA

Esse projeto tem como base uma economia financeira com a aplicação de

um sistema de energia renovável financeiramente e fisicamente viável, apresentando

uma aplicação simples, mas importante do uso da energia fotovoltaica, que pode ter

uma aplicação individual ou coletiva, representando uma solução prática, rápida, fácil

e de custo reduzido para uma redução do consumo de energia.

1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO

No Capítulo 2, é apresentado uma introdução teórica sobre poços,

dimensionamento de reservatório e tipos de bombas a partir dessas informações é

possível dimensionar qual tipo de bomba é mais adequada para cada situação.

O Capítulo 3 aborda uma revisão teórica sobre sistemas fotovoltaicos e a

metodologia para que o sistema fotovoltaico seja mais eficiente.

O Capítulo 4 trata sobre o dimensionamento do sistema fotovoltaico para

alimentação da motobomba, analisando a viabilidade de cada caso.

No Capítulo 5 é feito a conclusão sobre o trabalho e as sugestões para

trabalhos futuros são apresentadas.

5

2 BOMBAS D’ÁGUA – REVISÃO TEÓRICA

2.1 TIPOS DE POÇOS

2.1.1 POÇO ARTESIANO

É um tipo de poço com a finalidade de retirar água do subsolo, mas sem a

necessidade do uso de motores uma vez que a pressão libera naturalmente a água.

Ele também é conhecido como poço no Aquífero Guarani, podendo atingir

profundidades de até 1.500 metros.

2.1.2 POÇO TUBULAR OU SEMI-ARTESIANO

É um tipo de poço perfurado com a finalidade de retirar água do subsolo,

mas diferentemente do poço artesiano o poço tubular precisa de uma bomba para

trazer a água para a superfície. Ele é um tipo de poço onde sua perfuração é feita por

meio de máquinas perfuratrizes à percussão, rotativas e rotopneumáticas. Ele é

revestido com canos de ferro ou plástico.

O custo de perfuração de um poço artesiano é alto, trazendo

compensações em longo prazo. É possível se desvincular parcialmente ou totalmente

da companhia de fornecimento total só precisando pagar pela taxa de esgoto quando

ela estiver presente. Para áreas onde o abastecimento é precário é uma excelente

solução.

2.1.3 POÇO RASO OU AMAZÔNIA

É um tipo de poço que é construído manualmente. Não necessita de

licença do governo para sua construção.

2.1.4 POÇO TUBULAR PROFUNDO

É feito a partir de uma obra de engenharia para captação de águas

subterrâneas podendo atingir profundidades de até 2.000 metros.

2.2 SISTEMA DE BOMBEAMENTO E ARMAZENAGEM

O sistema de bombeamento é responsável por retirar a água de um

reservatório (poço ou um reservatório inferior) e levar para outro reservatório para

distribuição ou armazenamento de água (Figura 2.1 e 2.2).

6

Figura 2.1 - Ilustração do Poço (CPRM, 1998)

Vazão (Q): é a medida de volume de água que sai do poço em um

determinado tempo (m3/h).

Nível estático (NE): é a profundidade da água quando a bomba

não está funcionando por um longo período de tempo, medido em

metros em relação à boca do poço.

Nível Dinâmico (ND): é a profundidade do nível da água quando a

bomba está funcionando, medido em metros em relação à boca do

poço.

Rebaixamento (Sw): é a diferença entre o nível estático e o

dinâmico, ou seja, o quanto a água abaixou quando a bomba

entrou em funcionamento.

Altura da boca do poço: é o tamanho do cano exposto na

superfície do terreno, medido em metros.

7

Figura 2.2 - ilustração da instalação de uma bomba em uma residência (Schneider, 2017)

Altura de sucção: desnível entre a bomba e a lâmina d’água do

reservatório inferior.

Altura de Recalque: desnível entre a bomba e o ponto mais alto da

instalação.

Comprimento da Tubulação (CT): comprimento da tubulação de

sucção mais a de recalque.

Determinação de perda de carga (PC):

2.1

A perda de carga é calculada a partir do comprimento da tubulação

multiplicado pelo fator de perda no qual depende do tipo de material e espessura do

tubo.

Altura Manométrica Total: Segundo a tabela de seleção

Schneider a altura manométrica total é calculada pela soma da

Altura de Sucção + Altura de Recalque + Perdas de Carga (PC) e

soma-se 5% do valor total, para considerar as perdas de carga nas

conexões.

2.2

8

2.2.1 INSTALAÇÕES

O sistema motobomba é constituído de um sistema de acúmulo de água,

podendo ser um ou mais reservatórios, equipamentos de bombeamento, tubulações e

um sistema de distribuição (Figura 2.3).

O sistema de acúmulo de água pode ser composto por um reservatório

inferior, mais conhecido como cisterna e/ou um reservatório superior, mais conhecido

como caixa d’água. O dimensionamento do reservatório depende do consumo,

podendo ter sua capacidade aumentada caso haja uma necessidade de uma maior

autonomia.

O tipo de tubulação usada na distribuição e captação de água mais usada

atualmente é o tubo PVC, uma vez que apresenta uma perda menor que os tubos de

ferro, que apresentam mais problemas com ferrugem, apresentando uma vida útil

menor, podendo variar o diâmetro dependendo da vazão e potência do sistema.

Os equipamentos de bombeamento, podem funcionar manualmente ou por

meio de energia animal, eólica ou motor elétrico. O dimensionamento e a finalidade do

sistema motobomba leva à escolha do tipo de alimentação desse sistema. Nesse

projeto será feita a alimentação proveniente de painéis solares.

Figura 2.3– Exemplo do Sistema Motobomba (CPRM, 1998)

2.3 UNIDADE DE BOMBEAMENTO

Diz respeito ao tipo de equipamento a ser utilizado para captação e

distribuição de água.

9

2.3.1 BOMBA INJETORA

Para vazões de pequeno a médio porte, com profundidades variadas. Sua

instalação é feita com o bico injetor dentro do poço mediante dois canos (tubo injetor

fino e edutor grosso), que liga o bico injetor a bomba que fica fora em uma casa de

máquinas. Da bomba sairá um cano que conduzirá ao reservatório.

Figura 2.4 - Bomba Injetora (Schneider, 2017)

10

2.3.2 BOMBA CENTRIFUGA

Para vazões de pequeno porte, com baixa profundidade. Sua instalação é

feita fora do poço mediante apenas um cano edutor fino que sai do poço diretamente

para a bomba que fica na casa de bomba.

Figura 2.5 - Bomba Centrifuga (CPRM, 1998)

Para as bombas usadas nesse projeto foi usado o catálogo da Schneider

no qual a escolha da bomba depende da altura manométrica total (altura de

sucção+altura de recalque+perdas de carga). As perdas podem ser calculas por uma

tabela de perdas presente na Tabela de Seleção da Schneider .

2.3.3 BOMBA SUBMERSA

Para vazões de médio a grande porte com profundidades variadas. Sua

instalação é feita dentro do poço mediante um cano que liga a bomba ao reservatório

e um fio grosso que liga a bomba à alimentação elétrica

11

Figura 2.6 - Bomba submersa (CPRM, 1998)

2.3.4 BOMBA MANUAL

Para vazões bem pequenas e uma baixa profundidade, utiliza-se trabalho

braçal e constante por meio de uma alavanca para a retirada da água, sendo sua

instalação feita diretamente na boca do poço semi-artesiano.

Figura 2.7 - Bomba Manual (CPRM, 1998)

12

2.3.5 COMPRESSOR

O uso de um motor compressor que injeta o ar por um tubo fazendo com

que a água suba para a superfície por outro tubo. Uma das vantagens desse tipo de

configuração é que as peças móveis do motor não entram em contato com a água,

além disso um compressor pode atender a mais de um poço, possuindo uma

manutenção de baixo custo, porém tem um rendimento baixo.

Figura 2.8 - Motor Compressor (CPRM, 1998)

13

3 GERAÇÃO FOTOVOLTAICA

A localização da maior parte do país em uma região intertropical do

planeta leva o Brasil a ter um grande potencial para energia solar. A pesar de em

várias regiões do mundo essa tendência já estar mais adiantada, no Brasil ela começa

a crescer com a diminuição do preço dos painéis e a alta dos preços da energia

elétrica vindo de concessionárias, devido a crises do sistema elétrico que ao longo dos

anos tem usado cada vez mais usinas termoelétricas.

3.1 CÉLULAS E MÓDULOS FOTOVOLTAICOS

A energia fotovoltaica é o resultado da conversão da luz em eletricidade

por meio da célula fotovoltaica fabricada com um material semicondutor.

O funcionamento da célula fotovoltaica pode ser explicado pelo efeito

fotovoltaico, descoberto por Becquerel em 1839, no qual elétrons sensíveis ao fóton

luminoso geram uma diferença de potencial. Esse efeito ocorre em materiais

semicondutores. Para painéis fotovoltaicos o material mais usado é o silício, sendo

que 80% dos painéis fotovoltaicos do mundo apresentam variações de silício.

A composição típica de uma célula fotovoltaica são duas camadas de

material semicondutor, uma grade de coletores metálicos, uma base metálica e uma

camada de material anti-reflexivo para aumentar a absorção de luz.

O agrupamento de células fotovoltaicas conectadas eletricamente entre si

por meio de barras metálicas em série e/ou paralelo e envolvidas por uma blindagem

compõe o painel fotovoltaico.

Figura 3.1 - Célula Fotovoltaica (Cepel, 2014)

14

Como a célula possui uma baixa corrente e tensão os módulos produzidos

são geralmente de 54 a 60 células. Os painéis são dispostos em série e/ou paralelo de

forma a conseguir os parâmetros de tensão e corrente desejados.

Uma série de conjuntos determinam o funcionamento do painel e sua

eficiência. Os valores de tensão e corrente sob condições de carga determinam a

curva I-V na qual é possível analisar o painel de forma a extrair a condição de máxima

potência.

Figura 3.2 - Curva I x V para Módulos em Paralelo e em Série (Cepel, 2014)

A característica da curva depende da composição dos módulos, da

temperatura ambiente e da luminosidade submetida, o arranjo série e paralelo

determinam os limites da tensão e da corrente produzidas pelo conjunto.

Uma estratégia para aumentar a eficiência do conjunto fotovoltaico é a

utilização de controladores que seguem o ponto de máxima potência da curva I-V

(SPPM).

3.2 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS: OFF GRID E ON GRID

O módulo composto de células fotovoltaicas compõe o sistema

fotovoltaico captando a energia da luz do sol, convertendo em tensão e corrente

elétrica C.C. e, com auxílio de inversores eletrônicos, é possível converter e ajustar

para o uso doméstico e industrial.

15

O sistema fotovoltaico pode ser autônomo ou hibrido. O sistema

autônomo geralmente é composto por um banco de baterias, ou de energia

gravitacional quando se bombeia água para distribuição, de forma a armazenar

energia gerada e garantir uma autonomia para períodos sem Sol. Esse tipo de sistema

é chamado de OFF GRID.

Esse tipo de sistema é mais utilizado em locais remotos onde a energia

é de mais difícil acesso.

O sistema autônomo não é conectado à rede, sendo que toda energia

gerada é consumida dentro do sistema. Não é um sistema confiável, sendo

recomendável, caso possível, a combinação com outro tipo de fonte para garantir o

abastecimento.

Quando o sistema fotovoltaico é conectado à rede ele é chamado de

ON GRID ou GRID TIE. Nesse tipo de sistema a energia solar representa uma fonte

complementar a energia da distribuidora e dessa forma o uso de um banco de baterias

é optativo.

Sistema hibrido pode ser composto por duas ou mais fontes de energia,

podendo ser a fotovoltaica e a rede de distribuição, ou outra fonte renovável como a

eólica, assim como uma combinação entre outras fontes. Esse tipo de sistema é mais

confiável, porém pode gerar gastos extras com várias fontes, além de que, se for

conectado à rede convencional ela exige o pagamento de um consumo mínimo para

garantir a disponibilidade da energia mesmo sem usá-la. Esse tipo de sistema pode ou

não ser desconectado da rede convencional.

O sistema hibrido necessita de um controle de todas as fontes do

sistema de forma a otimizar a entrega de energia para o usuário.

3.3 INVERSORES

O inversor é um conversor de sinal contínuo em sinal alternado, que ao ser

aplicado no sistema fotovoltaico transforma a corrente C.C. proveniente do painel em

uma corrente C.A. de tensão e frequência específica.

Os inversores são construídos com chaves eletrônicas controláveis,

podendo ser colocados em estado de condução ou bloqueio por meio de sinal de

controle, permitindo assim a conversão CC-CA. As perdas, durante a condução e

comutação, determinam a eficiência do inversor.

16

Para aplicação nos sistemas fotovoltaicos eles podem ser divididos em

duas categorias, os inversores on-grid, conectados à rede de distribuição

convencional, e os inversores off-grid, para sistemas autônomos.

3.3.1.1 Controladores com SPPM

Um controlador com sistema SPPM ou em inglês MPPT tem sua eficiência

na faixa de 92-97%. Ele possui o recurso que garante instantaneamente a máxima

potência gerada no arranjo fotovoltaico em uma dada temperatura e luminosidade,

garantindo a máxima potência de saída.

Embora as variações de temperatura ocorram de forma lenta, a radiação

incidente nas placas pode variar de forma mais abrupta como por exemplo na

passagem de nuvens, podendo provocar distorções na curva característica do gerador

fotovoltaico.

O sistema SPPM monitora constantemente as modificações da curva

característica I-V e atua no inversor de forma a manter a tensão correspondente à

geração da máxima potência, maximalizando assim a eficiência do conjunto

fotovoltaico. Esse tipo de sistema implica em medidas de tensão e corrente de

qualidade de forma rápida e eficaz.

Figura 3.3 - Curva I-V e P-V de um módulo submetido a um fator de sombreamento de 50% (Cepel, 2014)

17

4 ESCOLHA DO SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA ALIMENTAÇÃO ELÉTRICA

Um sistema fotovoltaico de bombeamento apresentado pelo manual de

engenharia FV do CEPEL é constituído por um gerador fotovoltaico, um inversor ou

controlador de bomba, conjunto motobomba e reservatório de água. O sistema está

representado na Figura 4.1.

Figura 4.1 - Diagrama do sistema Fotovoltaico de Bombeamento (Cepel, 2014)

Este sistema normalmente não utiliza baterias para o armazenamento de

energia, com exceção de projetos em que a célula fotovoltaica não é apenas para o

conjunto motobomba ou é um sistema isolado da rede elétrica.

4.1 CASOS A SEREM ESTUDADOS

Serão analisados cenários de edificações não isoladas da rede elétrica e

que o objetivo do uso do sistema fotovoltaico é para suprir o consumo do sistema

motobomba, concretizando assim uma redução na conta de energia.

Primeiramente será estudada a vazão mínima exigida para cada tipo de

edificação. Após, será determinado o tipo de bomba (a carga do sistema) e, por último,

será dimensionado o sistema fotovoltaico.

18

Tomar-se-á como referência as edificações residenciais, sendo possível

adaptar as análises para outros tipos de edificações com parâmetros de vazão ou de

consumo de água similares aos analisados.

As alturas consideradas para escolha de bomba estão listadas na Tabela

4.1.

Tabela 4.1 - Casos estudados

Tipo Sucção

(m) Recalque

( m)

Cisterna para a caixa d'água

- 3

- 6

- 9

- 24

Poço para o Reservatório

3 3

6 3

18 3

3 6

6 6

18 6

Poço para cisterna

3 1

6 1

8 1

18 1

A altura ou pé-direito de cada andar será considerado com 3 metros para

os prédios e, para residências, serão consideradas casas de até 2 andares, onde o pé-

direito de cada pavimento também terá 3 metros. Dessa forma uma casa com um

pavimento apenas possui um recalque de 3 metros, um prédio ou casa de 2 andares

possui um recalque de 6 metros e um prédio de 4 andares terá um recalque de 12

metros.

Os tipos de bomba escolhidos irão depender da altura de sucção de cada

caso. Quando essa altura passar de 8 m recomenda-se o uso de uma bomba injetora,

e quando for menor que 8 metros recomenda-se o uso da bomba centrifuga.

4.1.1 VAZÃO MÍNIMA

Primeiramente será necessário o cálculo da capacidade nominal dos

reservatórios, superior e inferior. Segundo a norma NBR 8220 , esse número é

19

caracterizado pelo volume útil em litros, o qual é a capacidade do reservatório

disponível para utilização.

Será necessário fazer uma divisão dos cálculos do dimensionamento de

reservatório e vazão entre edifícios e residências. Como os estilos de consumo de

água são muito diferentes, esse dimensionamento depende diretamente do consumo

dos usuários.

O dimensionamento de um edifício precisa ser levado em conta como um

todo, não sendo separado o consumo individual de apartamento ou andar, pois não

seria prático na hora dos cálculos.

4.1.1.1 Para Prédios

A capacidade dos reservatórios de um prédio deve ser estabelecida

levando-se em conta o padrão de consumo do edifício e, quando possível, incluir

informações de frequência e duração das interrupções de abastecimento.

Nas cidades, a água é fornecida pela concessionária e as bombas dos

prédios são responsáveis por levar a água do reservatório inferior (cisterna) para o

reservatório superior (caixa d’água) no topo do prédio.

Segunda a norma NBR 7229 a contribuição diária de esgoto por

ocupantes permanentes é de 130 L (litros) por pessoa com um padrão médio. Para os

cálculos considera-se uma taxa de ocupação média de 3 habitantes por apartamento.

Para base de cálculo, considerou-se as edificações maiores que possuem

uma quantidade de 6 apartamentos por andar, que são os casos dos edifícios com 3 e

8 andares, e os edifícios menores, 4 apartamentos por andar.

Segundo DRB Acessória Educacional o dimensionamento da capacidade

do reservatório, não pode ser menor que o consumo diário calculado e não é

recomendado que seja 3 vezes maior que o mesmo. Então, tomar-se-á o fator

multiplicador de 1,5, que corresponde a uma autonomia de 1,5 dias.

Os parâmetros que servirão para os cálculos das vazões mínimas são

apresentados na Tabela 4.2. Nos cálculos, considera-se dependências extras como

calçadas, quintal e garagem, sendo esses serviços listados na coluna serviços.

Para o cálculo da capacidade nominal usa-se a Equação 4.1

4.1

CN: Capacidade Nominal em litros;

20

PM: Padrão Médio de Consumo por Habitante.

A capacidade Nominal deve ser transformada em m3, uma vez que a vazão

apresentada na tabela de seleção da Schneider está em m3/h.

Tabela 4.2 - Cálculo da capacidade dos reservatórios (superior e inferior)

Recalque Tamanho do prédio

No de apartamentos

Serviço (L/dia)

CN (L) Total (m3)

24 8 andares 48 900 29 430 29,4

9 3 andares 18 700 11 580 11,6

6 2 andares 8 600 5 580 5,6

Segundo DRB Acessória Educacional , quando o prédio tiver mais de 3

pavimentos o reservatório deverá ser dividido em um reservatório superior (caixa

d’água) que fica com 40% da capacidade, e um reservatório inferior (cisterna) que fica

com 60% da capacidade total.

Para o caso em que o reservatório inferior não recebe água da rede de

distribuição é necessário o uso de duas bombas, uma para retirada da água do poço

até o reservatório inferior e outra para a retirada da água do reservatório inferior para o

reservatório superior.

Segundo a norma NBR 5626 , o alimentador predial é a tubulação que liga

a fonte de abastecimento de água até um reservatório de água doméstico.

O dimensionamento da tubulação de alimentação predial é calculado a

partir da vazão, as informações de vazão são dadas pela tabela de seleção da

Schneider e depende da altura manométrica total da bomba escolhida.

Assim, na escolha da bomba deve-se levar em conta que a vazão deverá

ser superior à vazão mínima calculada. Assim o tempo de funcionamento da bomba

será relativamente menor, garantindo uma autonomia para o reservatório fora do

horário HSP.

Segundo DRB Acessória Educacional , considera-se uma vazão mínima

da bomba igual a 15% do consumo diário, e um período de funcionamento de 4,5

horas diárias, onde Qmin é a vazão mínima da bomba em m3/s. Como mencionado

anteriormente, o sistema motobomba alimentado por FV deverá funcionar apenas no

período HSP, assim a vazão escolhida da bomba e o tempo de funcionamento da

bomba serão diferentes do convencional, sendo o tempo de funcionamento menor que

21

4,5 horas. Então, para o dimensionamento dos reservatórios prediais foi considerado

um tempo de 4 horas de funcionamento diárias.

4.2

Sendo o Vtotal em m3 para o cálculo da vazão mínima, calculada na Tabela

4.3.

Tabela 4.3 -Cálculo da vazão mínima

Recalque Tamanho do prédio

No de apartamentos

Zelador (L/dia)

Total (m3)

Vazão Mínima (m3/h)

24 8 andares 48 900 29,4 1,104

9 3 andares 18 700 11,6 0,434

6 2 andares 8 600 5,6 0,209

4.1.1.2 Para Casas

O mesmo cálculo da Equação 4.1 pode ser conduzido para o caso de

residências, porém algumas adaptações devem ser feitas uma vez que o padrão de

consumo para serviços apresenta um consumo inferior a de uma edificação. Outra

característica diferenciada é a taxa de ocupação que é maior que a taxa de ocupação

de um apartamento.

Primeiramente se calcula o volume total consumido para uma residência

num período de 1,5 dias (Tabela 4.4).

Tabela 4.4 – Cálculo da capacidade do reservatório de uma casa

Recalque Tamanho da Casa

No de Pessoas

Serviço de limpeza

Total (L) Total (m3)

6 2 andares 6 200 1 470 1,47

3 1 andar 4 200 1.080 1,08

Segundo DRB Acessória Educacional , considera-se uma vazão mínima

da bomba igual a 15% do consumo diário e um período de funcionamento de 30

minutos, para o caso de uma residência, como usado no Manual de Engenharia FV

(Tabela 4.5).

22

Tabela 4.5 - Cálculo da Vazão Mínima

Recalque Tamanho da Casa

No de Pessoas

Total (m3)

Vazão Mínima (m3/h)

6 2 andares

6 1,47 0,44

3 1 andar 4 1,08 0,32

O cálculo das vazões mínimas servirá na escolha da bomba, de forma a

atender o consumo garantindo uma autonomia do sistema durante períodos sem

exposição ao sol.

4.2 ESCOLHA DAS BOMBAS

Com base nos cálculos de vazão mínima e tamanho do reservatório do

item anterior é possível escolher o tipo de bomba ideal para cada caso.

O tipo de tubulação que foi levada em conta para os cálculos de perda de

carga foi uma tubulação PVC. Além disso, foram usadas vazões superiores à vazão

mínima de forma a garantir que a bomba supra a demanda durante o período de sol.

Como regra geral, o sistema motobomba aproveita os períodos de maior radiação para

armazenar água.

Todos os dados de vazão e potência e tubulação das bombas

selecionadas, assim como informações da tabela de perda foram retirados da tabela

de seleção da Schneider .

4.2.1 CISTERNA PARA UMA CAIXA D’ÁGUA

Considera-se para todos os casos de cisterna uma profundidade de

sucção de 1 m.

Caso 1: Uma casa de 3 metros de recalque

Para uma tubulação de sucção 3/4’’, um recalque 3/4’’ e uma vazão de 2,9

m3/h, a bomba escolhida foi a bomba centrifuga monoestágio de potência ¼ CV, BCR-

2000 segundo a Tabela de Seleção da Schneider .

Perda de carga e da altura manométrica são calculado usando as

Equações 2.1 e 2.2, sendo o fator de perda calculado em função do diâmetro da

23

tubulação de recalque e sucção, que está disponível na tabela de seleção da

Schneider e no Anexo 2.

Modelo Potência

(CV)

Ø Sucção

(pol)

Ø Recalque

(pol)

Características Hidráulicas

Altura Manométrica Total (m c.a)

6

Vazão em m3/h Válida para sucção de 0 m c.a

BCR-2000 1/4 3/4 3/4 2,9

Casos 2 e 3: Cisterna para caixa d’água com um

recalque de 6 metros

Cálculo de perda de carga e da altura manométrica:

Para uma tubulação de sucção de 1’’, um recalque de 1’’ e uma vazão de 4

m3/h, a bomba escolhida foi a bomba centrifuga monoestágio de potência 1/6 CV, BC-

91 S/T segundo a Tabela de Seleção da Schneider .

Modelo Potência

(CV)

Ø Sucção

(pol)

Ø Recalque

(pol)



8


BC-91 S/T 1/6 1 ¼” 1 4

Caso 4: Um prédio de 3 andares


24

Para uma tubulação de sucção de 3/4’’e um recalque de 3/4’’, uma vazão

de 2,1 m3/h a bomba escolhida foi a bomba centrifuga monoestágio de potência ¼ CV,

BCR-2000 segundo a Tabela de Seleção da Schneider .

Modelo Potência

(CV)

Ø Sucção

(pol)

Ø Recalque

(pol)



13


BCR-2000 1/4 3/4 3/4 2,1

Caso 5: Para o prédio de 8 andares


Para uma tubulação de sucção de 1’’e um recalque de 1’’, uma vazão de

3,6 m3/h a bomba escolhida foi a bomba centrifuga monoestágio de potência 1 CV,

BC-92 S/T K segundo a Tabela de Seleção da Schneider .

Modelo Potência

(CV)

Ø Sucção

(pol)

Ø Recalque

(pol)



30


BC-92 S/T K 1 1 1 3,6

4.2.2 POÇO PARA CAIXA D’ÁGUA EM UMA RESIDÊNCIA DE 3 METROS DE RECALQUE

Caso 6: Poço artesiano de 3 metros de sucção


Para uma tubulação de sucção de 3/4’’, um recalque de 3/4’’ e uma vazão

de 2,6 m3/h, a bomba escolhida foi a bomba centrifuga monoestágio de potência ¼

CV, BCR-2000 segundo a Tabela de Seleção da Schneider

Modelo Potência

(CV)

Ø Sucção

(pol)

Ø Recalque

(pol)



8

25


BCR-2000 1/4 3/4 3/4 2,6






Modelo Potência

(CV)

Ø Sucção

(pol)

Ø Recalque

(pol)



11


BCR-2000 1/4 3/4 3/4 2,0

Caso 8: Poço artesiano com 18m de profundidade até o

injetor

Como a altura de sucção é maior que 8 metros uma bomba injetora é mais

recomendada. Foi considerada também que a submergência do injetor é de 2 m, e que

a profundidade do poço é maior que 18,5 metros.

Segundo a Tabela de Seleção da Schneider as características de vazão e

de tubulação para bomba BIR-2008 I 1-26 é uma vazão de 1,11 m3/h

Modelo Potência

(CV)

Ø Sucção

(pol)

Ø Recalque

(pol)


Profundidade até o Injetor (m)

18


BIR-2008 I 1-26 3/4 1 1/4 3/4 1,11

26

4.2.3 ESCOLHA DAS BOMBAS PARA UMA RESIDÊNCIA COM UM RECALQUE DE 6 METROS



Para uma tubulação de sucção de ¾’’, um recalque de ¾’’ e uma vazão de

2,0 m3/h, a bomba escolhida a centrifuga multiestágios de potência ¼ CV, BCR-2000.

Modelo Potência

(CV)

Ø Sucção

(pol)

Ø Recalque

(pol)



11


BCR-2000 1/4 3/4 3/4 2,0






Modelo Potência

(CV)

Ø Sucção

(pol)

Ø Recalque

(pol)



15


BCR-2000 1/4 3/4 3/4 1,7

Caso 11: Poço artesiano com 18m de profundidade até

o injetor




27


de tubulação para bomba BIR-2008 I 1-26 é uma vazão de 1,11 m3/h.

Modelo Potência

(CV)

Ø Sucção

(pol)

Ø Recalque

(pol)



18


BIR-2008 I 1-26 3/4 1 1/4 3/4 1,11

4.2.4 ESCOLHA DAS BOMBAS DE UM POÇO PARA A CISTERNA

Esses casos compreendem uma casa de 2 andares com Cisterna

Caso 12: Poço de 3 metros de sucção




CV, BCR-2000 segundo a Tabela de Seleção da Schneider .

Modelo Potência

(CV)

Ø Sucção

(pol)

Ø Recalque

(pol)



5,6


BCR-2000 1/4 3/4 3/4 2,9






28

Modelo Potência

(CV)

Ø Sucção

(pol)

Ø Recalque

(pol)



9


BCR-2000 1/4 3/4 3/4 2,4






Modelo Potência

(CV)

Ø Sucção

(pol)

Ø Recalque

(pol)



11


BCR-2000 1/4 3/4 3/4 2,0

Caso 15: Poço artesiano de 18 metros de profundidade

até o injetor





de tubulação para bomba BIR-2008 I 1-26 é uma vazão de 1,11 m3/h

29

Modelo Potência

(CV)

Ø Sucção

(pol)

Ø Recalque

(pol)



18


BIR-2008 I 1-26 3/4 1 1/4 3/4 1,11

Os cálculos de consumo da bomba serão baseados no consumo diário de

usuários do edifício ou casa, para calcular esse consumo é necessário calcular o

tempo de funcionamento da bomba.

O tempo, em horas, para a motobomba bombear o volume de consumo

diário pode ser calculado pela Equação 4.3.

4.3

Os resultados dos tempos encontrados da Equação 4.3 podem ser

observados na Tabela 4.6.

Tabela 4.6 – Tempo diário de Utilização da Bomba

Caso Tipo Consumo diário (m3)

Tempo (h)

1 Cisterna para a caixa d'água da Residência 0,72 0,25

2 Cisterna para a caixa d'água Prédio (2 and.) 3,73 0,93

3 Cisterna para a caixa d'água Residência 0,98 0,25

4 Cisterna para a caixa d’água do Prédio (4 and.) 7,73 3,68

5 Cisterna para a caixa d’água do Prédio (8 and.) 19,60 5,44

6 Poço para a Caixa D'água Residência 0,72 0,28






12 Poço para cisterna 0,98 0,34




Na Tabela 4.7 estão representados todos os casos e suas características

de recalque e sucção.

30

Tabela 4.7 – Resultados de Todos os Casos

Caso Tipo Sucção (pol)

Recalque (pol)

Bomba (cv)

1 Cisterna para a caixa d'água da Residência 1 3 1/4

2 Cisterna para a caixa d’água do Prédio 1 6 1/6

3 Cisterna para a caixa d'água Residência 1 6 1/6

4 Cisterna para a caixa d’água do Prédio 1 9 1/4

5 Cisterna para a caixa d’água do Prédio 1 24 1,00

6 Poço direto Para Caixa D'água 3 3 1/4






12 Poço para cisterna 3 1 1/4




4.2.5 LEVANTAMENTO DA DEMANDA E DO CONSUMO DE ENERGIA

A base do dimensionamento é que o sistema deve gerar mais

eletricidade que o limite estabelecido de consumo. Ao definir um período de tempo

a produção de energia nesse período deve ser maior que a demanda. Para o

cálculo do consumo de energia (kWh) de um equipamento de acordo com o uso

dele é necessário saber a potência do aparelho fornecida no catálogo ou no

manual do fabricante e utilizar a seguinte expressão:

onde:

4.4

Cd(kWh/mês) – Consumo médio;

(W) – Potência nominal do equipamento (dado de placa, manual do

fabricante ou uso de fórmula teórica encontrada na bibliografia tradicional);

(h/dia) – Número médio de horas diárias de utilização do

equipamento;

Para o cálculo da Pe (W) da bomba divide-se a potência mecânica em

Watts, pelo rendimento da bomba. O rendimento utilizado para as bombas

centrifugas de 2 pólos, monofásicas, no livro do Julio Niskier , possui valores

31

entre 60-75% então o valor usado foi de 70%. A equação para o cálculo da

potência elétrica é apresentado na Equação 4.5.

4.5

Sendo 0,736 responsável pela conversão de CV para W.

Os dados do consumo diário de cada caso são apresentados na

Tabela 4.8

Tabela 4.8 - Consumo diário das bombas escolhidas

Caso Tipo Pe Tempo (h)

Consumo Diário (kWh)

1 Cisterna para a caixa d'água da Residência 0,26 0,25 0,07

2 Cisterna para a caixa d’água do Prédio 0,18 0,93 0,16

3 Cisterna para a caixa d’água da Residência 0,18 0,25 0,04



6 Poço para a Caixa D'água Residência 0,26 0,28 0,07






12 Poço para cisterna 0,26 0,34 0,09




A maneira mais tradicional de determinar a demanda de uma unidade

consumidora é somar as energias consumidas pelos equipamentos, dependo do caso

de bomba centrifuga ou de bomba injetora. A estimativa pode ser realizada por média

semanal, obtendo um valor médio de energia consumida por dia. No caso da bomba, a

energia média semanal dependerá de quantas vezes ela é acionada durante a

semana, sendo nos casos considerados o uso diário.

Como as bombas possuem uma alimentação CA, o uso de um inversor é

necessário. Então, o consumo diário deve ser dividido por um fator decimal

representativo da eficiência média do inversor, que é fornecido pelo fabricante, um

32

valor bem comum é de 90% de eficiência, valor recomendado pelo Manual de

Engenharia FV do Cepel .

O cálculo é feito geralmente por meio de uma tabela, que leva em

consideração a potência, horas de utilização, dias de utilização durante a semana,

para calcular o consumo diário. Outro dado fornecido pela tabela é a demanda máxima

que o inversor deve ser capaz de atender. Além disso, o inversor deve também ser

capaz de suportar picos de partida requeridos pela bomba, o valor recomendado pelo

livro do Julio Niskier para os dispositivos de alimentação dos motores é de 25% da

potência máxima. Além disso, pode-se utilizar o controle dos inversores para partir

suavemente os motores.

4.2.6 SEPARAÇÃO DOS CASOS QUE USARAM DUAS BOMBAS

Para o caso de residências de 6 metros de recalque (caso 3), é possível

que o sistema possua duas bombas, sendo a primeira bomba para a água que sai do

poço para uma cisterna e a segunda, da cisterna para caixa d’água, englobando assim

os casos 12 a 13.

Dessa forma é possível juntar esses casos e calcular o consumo diário dos

mesmos:

Caso 12: Poço/Cisterna/Caixa D’água

Para o caminho Poço/Cisterna foi usada uma bomba de 1/4 cv, enquanto

para o caminho Cisterna/Caixa D’água foi usada uma bomba de 1/6 cv. Os dados de

consumo são feitos a partir do tempo de segurança das linhas 3 e 12 da Tabela 4.8 e

pode ser observado na Tabela 4.9.

Tabela 4.9 – Consumo Diário do Caso 12

Caso Tipo Tempo (h) Consumo Diário (kWh)

12

Cisterna para a caixa d’água da Residência

0,25 0,04

Poço para cisterna 0,34 0,09

Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas 0,13


33



consumo são feitos a partir do tempo de segurança linhas 3 e 13 da Tabela 4.8 e pode

ser observado na Tabela 4.10.

Tabela 4.10 -– Consumo Diário do Caso 13


1

13


0,25 0,04







ser observado na Tabela 4.11.



14


0,25 0,04







ser observado na Tabela 4.12

34



15

Cisterna para a caixa d’água da Residência 0,25 0,04



O consumo diário, com os valores atualizados de todos os Casos, inclusive

para os casos de 2 bombas, é apresentado na Tabela 4.13

Tabela 4.13 – Consumo Diário para Todos os Casos

Caso Tipo Consumo (kWh)

1 Cisterna para a caixa d'água da Residência 0,07

2 Cisterna para a caixa d’água do Prédio 0,16

3 Cisterna para a caixa d’água da Residência 0,04



6 Poço direto Para Caixa D'água 0,07






12 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas 0,13




4.3 DIMENSIONAMENTO DO GERADOR FOTOVOLTAICO

O dimensionamento de um sistema fotovoltaico é o ajuste entre a energia

captada do Sol pelos módulos e a necessidade de suprir a demanda de energia

elétrica solicitada pela bomba d’água. O projeto envolve a orientação dos módulos,

disponibilidade da área, estética, recurso solar e demanda.

Para o caso estudado, o objetivo do sistema fotovoltaico é atender a

demanda da bomba elétrica, pois se trata de um sistema conectado a rede (SFCR).

Para esse caso, o sistema opera em C.A. na frequência de 60 hz e na tensão da rede

local (127V ou 220V).

35

Outra característica é que, mesmo com radiação solar, se a rede estiver

inoperante o sistema motobomba não funciona como forma de economia de energia. A

rede tem que ser capaz de absorver a energia gerada em excesso.

O sistema fotovoltaico básico para alimentar uma bomba d’água, sem

necessidade de armazenamento de energia em forma de bateria, tem o diagrama de

blocos representado na Figura 4.2.

Figura 4.2 – Diagrama de blocos do sistema fotovoltaico alimentando a bomba d’água

Ignoram-se os efeitos de variação da irradiância a cada instante e

considera-se o total de energia elétrica convertida em intervalos de horário ao longo do

dia. Gera-se uma fórmula para expressar esse valor: o número de horas de sol pleno,

no qual a energia acumulada ao longo do dia é dividida por uma constante de 1.000

w/m2, o resultado é o número de horas de sol pleno.

Na Figura 4.3 a soma da irradiância ao longo do dia (integral) por 1.000

kW/m2 é possível ver que mesmo em dias nublados ou chuvosos é possível ter uma

hora de sol pleno (HSP) em h/dia.

Para uma base mensal da região, a irradiação no módulo é convertida para

seu valor médio diário e esse valor é usado como HSP. Integra-se as curvas de média

mensal de irradiância para período especifico para encontrar o valor de HSP. No

entanto, o melhor seria a medição da irradiância no local para a implantação do

projeto.

36

Figura 4.3 - Cálculo da grandeza de Sol pleno

A localização do painel para áreas urbanas é mais limitada, assim o

projetista tem menos liberdade para posicionar e quantidade de painéis tendo que se

preocupar com estética e sombreamento ou superfícies reflexivas que podem afetar a

eficiência do painel. Para regiões mais isoladas existe uma liberdade bem maior para

o projetista, pois geralmente a quantidade de superfície livre é maior.

4.3.1 DIMENSIONAMENTO DE SISTEMA FOTOVOLTAICO PELO MÉTODO DO MÊS CRÍTICO

Esse método é citado no Manual de Engenharia para Sistemas FV ,

consistindo da realização do dimensionamento do SFV considerando um balanço de

energia do ano no qual ocorrem as condições médias mais adversas para o sistema.

4.3.1.1 Dimensionamento da Geração

Para calcular a energia ativa necessária diária (Lativa) para o conjunto

motobomba utiliza-se a Equação 4.6.

4.6

onde:

– Quantidade de energia consumida diariamente em corrente

alternada e

- Eficiência do Inversor.

A curva de eficiência do inversor é um dado fornecido pelo fabricante e

depende do seu carregamento em relação a sua potência nominal. Para sistemas e

37

equipamentos de energia fotovoltaica a eficiência mínima estabelecida pelo Inmetro é

de 85% segundo o Manual de Engenharia FV .

Com os dados da tabela de consumo diário (Tabela 4.13) é possível

calcular a energia ativa para o conjunto motobomba analisados.

Como os preços dos inversores, apesar de cada vez menores, ainda não

acompanham a taxa de decaimento dos preços dos módulos fotovoltaicos, é preciso

escolher um inversor que otimize a produção efetiva da energia e que tenha um custo

pequeno, desde que mantenha boa qualidade e confiabilidade do sistema fotovoltaico,

como um todo.

Assim, a energia ativa necessária para cada caso será como mostrada na

Tabela 4.14.

Tabela 4.14 – Energia Ativa necessária diária

Caso Tipo Lativa (kWh)
















Com o resultado da Equação 4.6 é possível calcular a potência necessária

para o painel fotovoltaico conforme a Equação 4.7.

4.7

onde:

38

Max – o maior valor de Potência considerando os doze meses do ano;

- Potência do Painel Fotovoltaico;

- Quantidade de energia consumida;

- Horas de sol pleno do painel fotovoltaico no mês;

- Fator de redução da potência dos módulos fotovoltaicos, em relação

ao seu valor nominal. Valor recomendado pelo Manual de Engenharia FV é de

0,75 para módulos fotovoltaicos c-Si e

- Fator de redução da potência devido a perdas do sistema, incluindo

fiação, controlador, diodos etc. Valor recomendado pelo Manual de Engenharia

FV é de 0,9.

Os efeitos que podem reduzir a potência do modulo fotovoltaico são:

acúmulo de sujeira na superfície, degradação física ao longo do tempo de uso,

tolerância de fabricação para menos que o valor nominal e perdas devido a

temperatura.

Para o caso do sistema motobomba conectado a rede, a energia ativa

necessária para o sistema FV é a energia calculada e indicada na Tabela 4.14. Porém,

uma vez definidos os painéis solares a energia disponível de geração é aquela obtida

no período de HSP, que devem ser superior ao necessário.

Como é o caso de uma carga fixa, a potência do painel será tomada pelo

mês de pior irradiação, que é o mês crítico.

Considerando o estado do Rio de Janeiro, a radiação mínima é de 10

MJ/m2.dia, segundo Atlas Solarimétrico do Brasil, fazendo a conversão para kWh e

para horas de sol pleno (HSP), a média do estado do Rio de Janeiro fica em 3,78

kWh/dia ou 3,78 horas de sol. Para os valores de Red1 e Red2 serão considerados os

valores recomendados anteriormente.

Esse valor será o valor mínimo para o painel, devendo ser levado em conta

a potência elétrica da bomba mais as perdas na escolha do painel, assim o valor que o

painel será dimensionado igual ao valor máximo entre as duas colunas da Tabela

4.15.

Assim é possível determinar a potência de painel para os casos estudados

(Tabela 4.15).

39

Tabela 4.15 - Potência do Painel Fotovoltaico

Caso Tipo Pm (kW)

Pe+Perdas (kW)

1 Cisterna para a caixa d'água da Residência 0,03 0,29

2 Cisterna para a caixa d’água do Prédio 0,08 0,19

3 Cisterna para a caixa d’água da Residência 0,02 0,19



6 Poço direto Para Caixa D'água 0,03 0,29






12 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas 0,06 0,29




É possível observar que nos resultados da Tabela 4,15 a potência de

algumas placas não entrega a potência necessária para atender a bomba. Então, para

dimensionar o painel deve-se levar em conta o maior valor entre as colunas dessa

Tabela.

A partir da potência Pm, do painel, é possível calcular a corrente mínima no

ponto de máxima potência que deve ser gerada pelo painel fotovoltaico.

4.8

onde:

: corrente do painel fotovoltaico;

: Potência do painel fotovoltaico e

: Tensão nominal do sistema.

Será considerada uma tensão de 30 Vcc que produzira uma potência

máxima de 260 Wp, levando a uma corrente mínima na placa de 8,365 A, que é a

placa de menor custo. Para a outra placa, a tensão é de 12 Vcc, que produz uma

potência máxima de 315 Wp e uma corrente mínima de 26,25 A, sendo essa placa

cerca de 100 reais mais cara que a primeira.

40

Como mencionado anteriormente o inversor deve ser capaz de suportar

picos de potência da bomba, segundo Julio Niskier considera-se para os

componentes de alimentação dos motores um pico de potência até 25% superior à

nominal. Dessa forma, é possível calcular os valores mínimos de potência para os

inversores. Os resultados são apresentados na Tabela 4.16.

Tabela 4.16 – Potência mínima dos inversores

Caso Tipo Potência do Inversor
















É possível dimensionar o número de painéis em paralelo pela Equação

4.9, considerando as potências dadas na Tabela 4.15, tomando o maior valor entre os

valores das duas colunas. Os resultantes números de painéis são apresentados na

Tabela 4.17. Eu mudei.

4.9

Pm é a potência do modulo FV, com apenas um painel em série.

41

Tabela 4.17 - Número de Painéis em Paralelo

Caso Tipo No de Painéis em Paralelo

Placa Usada (Wp)

1 Cisterna para a caixa d'água da Residência 1 315

2 Cisterna para a caixa d’água do Prédio 1 260

3 Cisterna para a caixa d’água da Residência 1 260



6 Poço direto Para Caixa D'água 1 315






12 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas 1 315




Com os dados das Tabelas 4.15 a 4.17 é possível realizar um estudo

econômico de forma a analisar a viabilidade econômica do projeto.

4.4 ESTUDO FINANCEIRO

Será estudado o investimento financeiro e a viabilidade de cada caso

considerando a compra do painel fotovoltaico, inversor, fios e conectores. Não será

considerado o preço da bomba uma vez que ela é comprada com ou sem o projeto

FV, sendo ela um investimento que não depende da situação ou já foi feito

anteriormente. Outro item não considerado é o controlador de carga um item opcional,

com exceção do caso 5, que devido ao tempo maior de funcionamento é recomendado

o uso de um controlador de carga.

Como um controlador de carga aumenta a potência absorvida do painel em

período de menores irradiâncias, a potência consumida ao longo do dia irá aumentar

consequentemente.

Para os fios e conectores será considerado um valor de 5% do valor do

conjunto inversor painel. Os preços são apresentados na Tabela 4.18.

42

Tabela 4.18 - Tabela de Preços

Item Preço

Painel de Energia Solar FV 260 W R$ 599,00

Painel de Energia Solar FV 315 W R$ 672,00

Inversor 250 W/12-30Vdc para 120 V Grid Tie R$ 228,94

Inversor 600 W/12-30Vdc para 120 V Grid Tie R$ 630,00

Inversor 1000 W/12-30dc para 110 V Grid Tie R$ 850,00

Inversor 3000 W/12dc para 127 V off grid R$ 1.781,81

Controlador de Carga para Painel Solar R$ 419,00

Fios e conectores 5%

O investimento considerando deve levar em conta a potência suportada

pelos equipamentos, por isso uma potência maior que 1.000 W torna o projeto muito

caro para sistemas conectados à rede. Por esse motivo, para o caso 5, foi usado um

inversor off-grid pois com esse valor de potência apenas esses possuem preço

acessível.

A Tabela 4.19 apresenta o custo do investimento para os sistemas

considerando o caso 5 desconectado da rede.

43

Tabela 4.19 – Investimento

Caso Tipo Investimento

1 Cisterna para a caixa d'água da Residência R$ 1.367,10

2 Cisterna para a caixa d’água do Prédio R$ 869,34

3 Cisterna para a caixa d’água da Residência R$ 869,34

4 Cisterna para a caixa d’água do Prédio R$ 1.919,40

5 Cisterna para a caixa d’água do Prédio R$ 7.250,05

6 Poço direto Para Caixa D'água R$ 1.367,10






12 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas R$ 1.367,10




Considerando o kWh atual de R$ 0,59/kWh e a energia ativa calculada

anteriormente na Tabela 4.14 para uma classe de consumo de até 220 kWh, a Tabela

4.20 mostra o tempo de retorno do investimento em anos.

44

Tabela 4.20 – Prazo de Retorno

Caso Tipo Lativa (kWh) Custo Mensal com energia

Prazo de Retorno

1 Cisterna para a caixa d'água da Residência

0,08 R$ 1,42 80,46

2 Cisterna para a caixa d’água do Prédio

0,19 R$ 3,36 21,54

3 Cisterna para a caixa d’água da Residência

0,05 R$ 0,89 81,86


1,14 R$ 20,18 7,93


6,73 R$ 119,12 5,07

6 Poço direto Para Caixa D'água 0,09 R$ 1,59 71,52






12 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas

0,15 R$ 2,66 42,91


0,18 R$ 3,19 33,75


0,2 R$ 3,54 32,18


0,87 R$ 15,40 16,29

É possível observar que os sistemas que funcionam por um período curto

de tempo, consequentemente mais econômicos, o investimento não vale a pena pois

demoraria mais de 25 anos para o sistema se pagar.

Em seis casos o sistema é capaz de se pagar em menos de 25 anos, e se

pode observar características em comum entre esses casos, como um alto consumo,

consequentemente um gasto maior com energia elétrica, e um tempo maior de

funcionamento da bomba.

Dessa forma, quanto maior o custo de energia da concessionária com o

consumo da bomba, mais rápido é o retorno financeiro ao longo prazo.

Dos seis casos que ficaram com um prazo de retorno menor que 25 anos,

sendo assim capazes de produzir energia suficiente para se pagar, uma parte desses

casos o prazo de retorno ainda é superior que 15 anos, sendo considerado um

investimento não atraente para os consumidores.

45

5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS

Nesse projeto analisou-se a viabilidade de um projeto FV para alimentar

um conjunto motobomba para residências e prédios, podendo ser adaptado para

outras aplicações. O objetivo principal foi examinar economicamente o projeto, e sua

atratividade em relação à economia de energia.

Foi apresentado um resumo teórico sobre poços, reservatórios, bombas e

sistema FV, de forma a dimensionar os casos, sendo analisados pequenos, médios e

grandes consumidores de água para alturas de recalque e sucção diferentes,

escolhendo sistemas motobombas mais adequados para cada situação, de forma a

aproveitar o período de irradiação com um consumo reduzido.

Por ser um trabalho teórico todos os dados de consumo são baseados em

médias que, quando forem aplicadas, podem variar muito de bomba para bomba, uma

vez que a bomba é o componente que pode ter sido adquirido com antecedência ou

não e ter sua eficiência e vazão bem diferentes dependendo da manutenção da

mesma.

Apesar do preço dos painéis terem caído muito nesses últimos anos, os

preços dos inversores continuam elevados, e consequentemente dependendo da

carga a ser conectada no sistema FV influencia muito no preço final do sistema, sendo

necessário optar por um sistema off-grid para os casos de maior potência, uma vez

que fará os sistemas com potência maior que 1.000 W os preços de inversores grid-tie

aumentam cerca de 5 vezes.

Houve também a necessidade de se optar por um controlador de carga

para o sistema que o tempo de utilização diária ultrapassava o número de HSP do

mês critico, de forma a garantir que a energia absorvida nesse sistema seja suficiente

para alimentar o conjunto motobomba.

O melhor público alvo para esse tipo de projeto são os consumidores com

um alto padrão de demanda de água e consumo de energia, sendo o investimento no

sistema FV retornável uma vez que o consumo do sistema motobomba influencia o

suficiente no valor da conta de energia levando a um retorno financeiro dentro de 25

anos, sendo o retorno financeiro do maior sistema ficou em aproximadamente 5 anos.

Como sugestão de trabalhos futuros, é possível analisar a viabilidade de

aproveitamento do painel fotovoltaico dimensionado para o sistema motobomba para o

uso de outros sistemas enquanto o sistema não está em funcionamento, aproveitando

assim mais a potência total que o painel pode fornecer durante o período de sol.

46

A configuração motobomba alimentada pelo painel FV tem seu

investimento garantido quando o consumo de energia é grande o suficiente, e o

sistema tem autonomia para trabalhar apenas durante o período que houver isolação.

47

REFERÊNCIAS

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construção e operação de sistemas e tanques sépticos. Rio de Janeiro, p. 15. 1993

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 8220: Reservatório de

poliéster reforçado com fibra de vidro para água potável para abastecimento de

comunidades de pequeno porte. Rio de Janeiro, p. 11. 2015.

CHIGUERU, T. et al. Atlas Solarimétrico do Brasil: banco de dados solarimétricos.

Recife: Editora Universitária da UFPE, 2000. 111p.EVOLUÇÃO DA GERAÇÃO

FOTOVOLTAICA, e disponível em: http://pnenergiasolar.com.br/geracao-de-energia-

solar/ Acessoem 22 de junho de 2017

Light, Composição da Tarifa da Light, Disponível em: http://www.light.com.br/para-

residencias/Sua-Conta/composicao-da-tarifa.aspx Acessoem 10 de agosto de 2017.

DRB Acessória Educacional, Dimensionamento de Reservatórios, Aula 9. Disponível

em: http://drb-assessoria.com.br/aula9.pdf. p. 12.

FILHO, W. D. C. et al. Ações Emergenciais de Combate aos Efeitos das Secas:

Noções Básicas Sobre Poços Tubulares. Recife: CPRM – Serviço Geológico do Brasil,

1998. 22 p.ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5626:

Instalação Predial de Água Fria. Rio de Janeiro, p. 41. 1998.

J. CARVALHO LOPOS e P SILVESTRE, “Elevação Pneumática de Líquidos”.

Disponível em http://revistadae.com.br/artigos/artigo_edicao_65_n_917.pdf. p.7.

Acesso em: 15 de julho de 2017

PINHO, J. T., GALDINO, M. A., Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos.

Rio de Janeiro: CEPEL – CRESESB, 2014. 530 p.

SCHNEIDER, Manual de Instruções Motobomba, Disponível em

http://www.kvm.com.br/attachments/article/37/MANUAL%20BOMBA%20SCHINEIDER

.pdf. Acesso em: 20 de março de 2017 p. 60. 2017

SCHNEIDER, Tabela de Seleção Schneider 2017, Disponível em:

http://www.schneider.ind.br/media/205160/tabela-de-selecao-schneider-motobombas-

2017.pdf. Acesso em: 20 de março de 2017 p. 84. 2017

http://www.portalsolar.com.br/ Acesso em 10 de agosto de 2017.

Julio Niskier A. J. Macintyre, Instalações Elétricas. P. 550. 2000;

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http://www.schneider.ind.br/media/205160/tabela-de-selecao-schneider-motobombas-2017.pdf

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http://www.portalsolar.com.br/

48

ANEXOS

Tabela 0.1 - Anexo da Tabela de Seleção da Schneider disponível na tabela de Seleção da Schneider (Schneider, 2017).

49

Tabela 0.2 - Anexo da Tabela Perda de Carga em tubulações disponível na tabela de Seleção da Schneider ( Schneider, 2017).

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