DIFERENTES NÍVEIS DE IRRADIAÇÃO SOLAR E DE PRESSÃO DE TRABALHO, EM UM SISTEMA FOTOVOLTÁICO DE BOMBEAMENTO DE ÁGUA

DIFERENTES NÍVEIS DE IRRADIAÇÃO SOLAR E DE

PRESSÃO DE TRABALHO, EM UM SISTEMA FOTOVOLTÁICO DE

BOMBEAMENTO DE ÁGUA

Evandro Marcos Kolling

, Samuel Nelson Melegari de Souza

, Rivanildo

Dallacort

_{, Reinaldo Prandini Recieri}

_{, Alexandre Sordi}

1 – Mestre em Engenharia Agrícola, Professor Colaborador da UNIOESTE. Kolling@unioeste.br 2 – Professores Doutores do Curso de Mestrado e Graduação em Engenharia Agrícola da UNIOESTE 3 – Aluno do Curso de Graduação em Engenharia Agrícola, bolsista PIBIC/CNPq.rivanildo@unioeste.br 4 – Aluno do curso de Mestrado em Engenharia Agrícola da UNIOESTE.

Mestrado em Engenharia Agrícola, UNIOESTE – Universidade Estadual do Oeste do Paraná/Campus de Cascavel. CEP: 85814-110 Cascavel/PR tel: (045) 2203175

RESUMO

O bombeamento de água é uma das atividades mais difundidas ao emprego da energia solar, apesar de se apresentar como uma alternativa interessante, o alto custo e baixa eficiência dos sistemas acrescido aos projetos inadequados ainda restringem sua aplicação. O uso racional, baseado na utilização mais eficiente de seus equipamentos esta vinculado ao conhecimento do comportamento operacional destes sistemas. O presente trabalho objetivou avaliar o comportamento operacional de um sistema fotovoltáico de bombeamento de água diretamente acoplado operando em diferentes níveis de irradiância solar, por meio da montagem de uma bancada de testes, submetendo-o a diferentes

pressões de trabalho e determinando a vazão fornecida. Os resultados permitiram concluir que a potência gerada pelo painel e a vazão fornecida pela moto-bomba estão diretamente relacionadas com a irradiância solar e a carga de bombeamento, as quais influenciam na eficiência do sistema. A máxima eficiência do painel foi de 8%, 39% para a moto-bomba e, 2,3% na interação dos componentes.

ABSTRACT

The pumping of water is one of the activities more diffused to the employment of the solar energy, in spite of coming as an interesting alternative, the high cost and it lowers efficiency of the systems, with to the inadequate projects they still

restrict its application. The rational use, based on the most efficient use of its equipments this linked to the knowledge of the operational behavior of these systems. The present work objectified to evaluate the operational behavior of a system fotovoltáico of pumping of water directly coupled operating in different conditions of solar irradiance, by means of the assembly of a supported of tests, submitting it to different work pressures and determining the supplied rate flux the water. The analysis of the results allowed concluding that the power generated by the array and the rate flux supplied by the motor-pump is directly related to the solar irradiance and the head. The maximum efficiency of the array was of 8%, 39% for the motor-pump and, 2,3% in the interaction of the components in the system.

INTRODUÇÃO

A garantia do suprimento de água nas propriedades rurais melhora as condições de vida e evita o fluxo migratório de pessoas para os grandes centros. Segundo PALZ (1995), as bombas solares podem contribuir com a melhoria da qualidade de vida no campo e são de grande interesse para as numerosas regiões onde uma manutenção regular de sistemas convencionais não pode ser garantida, porem a difusão da tecnologia fotovoltáica aplicada ao bombeamento de água ainda esta vinculada ao alto custo de aquisição e a baixa eficiência dos sistemas.

Atualmente com a atual crise energética, visto a freqüente necessidade de se conservar energia, uma redução no desperdício deve ser levado em conta em qualquer que seja o setor ou aplicação. Toda a nova era de crescimento econômico, para LORENZO (1994), deve utilizar menos energia que a anterior, e as alternativas devem ser a ponta das estratégicas para um desenvolvimento sustentável. Neste caso é importante ressaltar que os conjuntos solares de bombeamento de água, apesar de explorarem uma fonte gratuita de energia, não podem ficar imunes ao mau dimensionamento de seus sistemas. Um bom projeto deve ser baseado num número máximo de informações e responder da melhor maneira possível as condições a que for submetido, o que pode torná-lo mais atrativo do ponto de vista funcional e viabiliza-lo do ponto de vista econômico.

O objetivo deste trabalho foi obter informações quanto ao comportamento operacional de um sistema fotovoltáico de bombeamento de água, submetendo-o a diferentes condições de funcionamento, visando assim, intensificar os estudos aplicados a estes sistemas e dar respaldo a um dimensionamento mais adequado as necessidades comuns de operação.

MATERIAL E MÉTODOS

O trabalho foi realizado na UNIOESTE -Universidade Estadual do Oeste do Paraná – Campus Cascavel - Pr, a uma latitude de 24º 53’ Sul, longitude de 53º 23’Oeste, com uma latitude média de 682 metros.

A análise foi realizada mediante montagem de uma bancada de testes, junto a Estação Agrometeorológica do referido Campus, composta por duas caixas d’água em diferentes níveis. A moto-bomba SHURFLO modelo 2088 acionada por um painel fotovoltáico SOLARIS modelo Ap6150 constituíram os componentes do sistema. Um manômetro de mercúrio foi instalado as tubulações de sucção e recalque para leitura da pressão de trabalho submetida por um registro acoplado à tubulação do experimento, conforme metodologia descrita por LASNIER e ANG (1990). O fluxo de água era bombeado até a caixa de nível superior, passando por um galão previamente graduado utilizado para determinação da vazão, e retornava por um ladrão a caixa de nível inferior que alimentava novamente o sistema. O nível de irradiância solar aplicada ao painel para conversão em potência elétrica, em cada situação e instante de trabalho foi fornecido pela Estação Agrometeorológica, obtidos por um Piranômetro KIPP & ZONEN modelo–CM3 e um sistema Micrologger CAMPBELL SCIENTIFIC-INC modelo CR10x de aquisição de dados. A potência gerada pelo painel e aplicada a moto-bomba, foi determinada por meio da tensão e corrente fornecidas pelo painel a moto-bomba, com auxilio de um Voltímetro digital MINIPA modelo ET-2060 e um Amperímetro digital BRYMEN modelo BM600. A potência hidráulica (kW) oferecida pela moto-bomba foi calculada segundo PROTOGEROPOULOS e PEARCE (2000), baseado no peso específico da água na carga de bombeamento e na vazão fornecida pela moto-bomba.

A eficiência do painel foi obtida pela relação entre a potência gerada e potência solar disponível (irradiância solar W/m2 multiplicada pela área do painel, 1,26 m2). A eficiência da moto-bomba foi definida pela relação entre a potência hidráulica e a potência gerada e, a eficiência global do sistema pela relação da potência hidráulica e a energia solar disponível.

RESULTADOS E DISCUSÃO

Foram empregadas na análise seis cargas de bombeamento, variando de quatro a 19 m. Os resultados encontrados permitiram verificar que as cargas menores, sujeitas a menor pressão de trabalho oferecem maior vazão, porém não representam a maior eficiência do conjunto. O sistema é mais eficiente quando submetido a cargas mais elevadas,

visto que sua eficiência é função da potência hidráulica que aumenta de forma proporcional ao aumento da carga. Na condição de 19 m de carga (Figura 1), verificou-se a maior eficiência da moto-bomba de 39%, e a máxima eficiência global do conjunto de 2,3%, porém o painel não correspondeu

de forma análoga nesta condição. A máxima eficiência do painel foi de 8%, para a uma carga de 4 m, onde se verifica também a máxima vazão fornecida pelo sistema.

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 10 15 20 25 30 Efficiency (%) Irradiance (W/m2) (a)

Ef.p4 Ef.b4 Ef.G4

400 500 600 700 800 900 1000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 15 20 25 30 35 40 45 50 Efficiency (%) Irradiance (W/m2) (b)

Ef.p19 Ef.b19 Ef.G19

*(Ef.p – Eficiência do painel, Ef.b – Eficiência da moto-bomba, Ef.G – Eficiência global) FIGURA 1. Comportamento da eficiência do sistema em relação a irradiância solar disponível.

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 2 4 6 8 10 12 14 Head 4 m Flow Power Irradiance (W/m2 ) (a) Flow (l/min) 10 20 30 40 50 60 70 80 Power (W) 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 2 4 6 8 10 12 14 Head 7,5 m Flow Power Irradiance (W/m2 ) (b) Flow (l/min) 10 20 30 40 50 60 70 80 Power (W) 300 400 500 600 700 800 900 1000 2 4 6 8 10 12 14 Head 11m Flow. Power. Irradiance (W/m2 ) (c) flow (l/min) 10 20 30 40 50 60 70 80 Power (W) 500 600 700 800 900 1000 2 4 6 8 10 12 14 Head 19 m flow Power Irradiance (W/m2 ) (d) Flow (l/min) 10 20 30 40 50 60 70 80 Power (W)

A eficiência global é influenciada principalmente pelo comportamento da moto-bomba do sistema, cuja eficiência e sua variação são mais significativas que no caso do painel fotovoltáico do conjunto. De forma geral, o aumento da eficiência com a irradiância é visualizado até determinado nível de irradiância, a partir do qual começa a cair. Isto se deve inicialmente, a potência gerada aumentar de forma análoga a irradiância solar. Como a potência de um modo geral é limitada para cada componente do sistema e a potência solar disponível não o ser, haverá um determinado ponto em que as limitações dos componentes ou do sistema alcançarão seu máximo a partir do qual a potência solar será maior que a gerada ocasionando a diminuição da eficiência. Este caso não é verificado em nossas condições de análise, para a carga de quatro metros, possivelmente pelo acréscimo da potência

hidráulica não ser tão significativa quanto à potência solar ou nominal gerada por ela, a eficiência decresce com o aumento da irradiância.

A melhor utilização da potência gerada pelo painel fotovoltáico foi obtida a uma carga de 11m, alcançando 74W dos 75W que o painel pode fornecer segundo fabricante (Figura 2, (c)).

Por meio da Figura 2, é possível verificar que tanto a potência gerada como a vazão fornecida está relacionada a irradiância disponível, e mantém certa relação entre si, apesar de não a ser de uma forma direta. Para uma mesma condição de carga, quanto maior for a irradiância, maior será a capacidade de geração de potência e

conseqüentemente maior será o potencial de bombeamento do sistema. Nota-se também que na condição de menor carga o potencial de bombeamento de água é maior para um menor potencial de geração de potência; comportamento que se diferencia com o acréscimo de carga, de modo a exigir mais energia para operação ao mesmo tempo em que fornece menos vazão, ou seja, o potencial de bombeamento passa a ser menor que o de geração de potência, (Figura 2, (d)).

A vazão fornecida pelo sistema depende do número de horas de operação que é vinculada a irradiância suficiente para acionamento da moto-bomba e da carga de bombeamento sujeita ao sistema. Os resultados referentes à vazão fornecida pelo sistema na análise são apresentados na Tabela 1.

Como se pode observar a irradiância média apresentada na Tabela 1, varia para cada carga, isto se deve ao intervalo de irradiância inicial e final de operação da moto-bomba, para cargas menores o intervalo de inicio até o final de operação é maior, obtendo-se uma média menor compensada pelo número de horas de bombeamento. Para cargas maiores os intervalos são menores proporcionando uma média maior porem com menos horas de funcionamento. De forma a verificar que vazão instantânea ou diária depende da irradiância solar disponível e da carga de bombeamento que o sistema deve vencer.

Tabela 1. Vazão média fornecida pelo sistema em diferentes cargas de bombeamento. Carga (m) Irrad. Média (W/m2) Vaz. Média (l/min) Horas Operação (horas) Vaz. Diária (l/dia) 4 685 10,91 8,50 5565 7,5 717 9,89 8,25 4941 11 755 9,31 7,75 4329 13 769 8,36 7,50 3761 15 784 8,15 7,00 3425 19 809 6,52 6,25 2445

CONCLUSÕES

- A máxima eficiência obtida para o painel

fotovoltáico foi de 8% para uma carga de bombeamento de quatro metros.

- A moto-bomba apresentou uma eficiência

máxima de 39%, e o sistema alcançou um a eficiência global máxima de 2,3%, ambas nas condições de maior carga, no caso 19 m.

- O melhor potencial de exploração de potência do painel foi verificado para a carga de bombeamento de 11m, com 74W.

- O sistema pode fornecer uma vazão média de 6,52 a 10,91 l/min de água ou ainda de 2445 a 5565 l/dia, que será função do nível de irradiância solar disponível e da carga de bombeamento empregada no sistema.

PALAVRAS CHAVES

- Irradiância solar;

Carga de bombeamento;

Vazão do sistema;

Sistema Fotovoltáico;

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[ 1 ]PALZ, W. Energia solar e fontes

alternativas. Ed. Hemus. Paris-França. 1995.

p.357.

[ 2 ] LORENZO, E. Eletricidad solar – In

genieria de los sistemas fotovoltáicos.

Progensa-Sevilla, Espanha. 1994. p.184. [ 3 ] LASNIER, F.; ANG, T. G. Photovoltaic

engineering handbook. USA-New York:

1990. 548p.

[ 4 ] PROTOGEROPOULOS, C.; PEARCE,

S. Laboratory evaluation and system sixing

charts for a ‘second generation’ diretct PV-powered, low cost submersible solar pump.