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
Isadora Barbosa Vieira Martins
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.
Sistema Motobomba com Alimentação Fotovoltaica
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.
Sistema Motobomba com Alimentação Fotovoltaica
Isadora Barbosa Vieira Martins
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
Isadora Barbosa Vieira Martins
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 4.11 -– Consumo Diário do Caso 14 ................................................................. 33
Tabela 4.12 -– Consumo Diário do Caso 15 ................................................................. 34
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)
Características Hidráulicas
Altura Manométrica Total (m c.a)
8
Vazão em m3/h Válida para sucção de 0 m c.a
BC-91 S/T 1/6 1 ¼” 1 4
Caso 4: Um prédio de 3 andares
Cálculo de perda de carga e da altura manométrica:
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)
Características Hidráulicas
Altura Manométrica Total (m c.a)
13
Vazão em m3/h Válida para sucção de 0 m c.a
BCR-2000 1/4 3/4 3/4 2,1
Caso 5: Para o prédio de 8 andares
Cálculo de perda de carga e da altura manométrica:
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)
Características Hidráulicas
Altura Manométrica Total (m c.a)
30
Vazão em m3/h Válida para sucção de 0 m c.a
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
Cálculo de perda de carga e da altura manométrica:
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)
Características Hidráulicas
Altura Manométrica Total (m c.a)
8
25
Vazão em m3/h Válida para sucção de 0 m c.a
BCR-2000 1/4 3/4 3/4 2,6
Caso 7: Poço artesiano de 6 metros de sucção
Cálculo de perda de carga e da altura manométrica:
Para uma tubulação de sucção de 3/4’’, um recalque de 3/4’’ e uma vazão
de 2,0 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)
Características Hidráulicas
Altura Manométrica Total (m c.a)
11
Vazão em m3/h Válida para sucção de 0 m c.a
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)
Características Hidráulicas
Profundidade até o Injetor (m)
18
Vazão em m3/h Válida para sucção de 0 m c.a
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
Caso 9: Poço artesiano de 3 metros de sucção
Cálculo de perda de carga e da altura manométrica:
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)
Características Hidráulicas
Altura Manométrica Total (m c.a)
11
Vazão em m3/h Válida para sucção de 0 m c.a
BCR-2000 1/4 3/4 3/4 2,0
Caso 10: Poço artesiano de 6 metros de sucção
Cálculo de perda de carga e da altura manométrica:
Para uma tubulação de sucção de 3/4’’, um recalque de 3/4’’ e uma vazão
de 1,7 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)
Características Hidráulicas
Altura Manométrica Total (m c.a)
15
Vazão em m3/h Válida para sucção de 0 m c.a
BCR-2000 1/4 3/4 3/4 1,7
Caso 11: 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.
27
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)
Características Hidráulicas
Profundidade até o Injetor (m)
18
Vazão em m3/h Válida para sucção de 0 m c.a
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
Cálculo de perda de carga e da altura manométrica:
Para uma tubulação de sucção de 3/4’’, um recalque de 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 .
Modelo Potência
(CV)
Ø Sucção
(pol)
Ø Recalque
(pol)
Características Hidráulicas
Altura Manométrica Total (m c.a)
5,6
Vazão em m3/h Válida para sucção de 0 m c.a
BCR-2000 1/4 3/4 3/4 2,9
Caso 13: Poço de 6 metros de sucção
Cálculo de perda de carga e da altura manométrica:
Para uma tubulação de sucção de 3/4’’, um recalque de 3/4’’ e uma vazão
de 2,4 m3/h, a bomba escolhida foi a bomba centrifuga monoestágio de potência ¼
CV, BCR-2000 segundo a Tabela de Seleção da Schneider .
28
Modelo Potência
(CV)
Ø Sucção
(pol)
Ø Recalque
(pol)
Características Hidráulicas
Altura Manométrica Total (m c.a)
9
Vazão em m3/h Válida para sucção de 0 m c.a
BCR-2000 1/4 3/4 3/4 2,4
Caso 14: Poço de 8 metros de sucção
Cálculo de perda de carga e da altura manométrica:
Para uma tubulação de sucção de 3/4’’, um recalque de 3/4’’ e uma vazão
de 2,0 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)
Características Hidráulicas
Altura Manométrica Total (m c.a)
11
Vazão em m3/h Válida para sucção de 0 m c.a
BCR-2000 1/4 3/4 3/4 2,0
Caso 15: Poço artesiano de 18 metros 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
29
Modelo Potência
(CV)
Ø Sucção
(pol)
Ø Recalque
(pol)
Características Hidráulicas
Profundidade até o Injetor (m)
18
Vazão em m3/h Válida para sucção de 0 m c.a
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
7 Poço para a Caixa D'água Residência 0,72 0,36
8 Poço para a Caixa D'água Residência 0,72 0,65
9 Poço para a Caixa D'água Residência 0,98 0,49
10 Poço para a Caixa D'água Residência 0,98 0,58
11 Poço para a Caixa D'água Residência 0,98 0,88
12 Poço para cisterna 0,98 0,34
13 Poço para cisterna 0,98 0,41
14 Poço para cisterna 0,98 0,49
15 Poço para cisterna 0,98 0,88
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
7 Poço direto Para Caixa D'água 6 3 1/4
8 Poço direto Para Caixa D'água 18 3 3/4
9 Poço direto Para Caixa D'água 3 6 1/4
10 Poço direto Para Caixa D'água 6 6 1/4
11 Poço direto Para Caixa D'água 18 6 3/4
12 Poço para cisterna 3 1 1/4
13 Poço para cisterna 6 1 1/4
14 Poço para cisterna 8 1 1/4
15 Poço para cisterna 18 1 3/4
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
4 Cisterna para a caixa d’água do Prédio 0,26 3,68 0,97
5 Cisterna para a caixa d’água do Prédio 1,05 5,44 5,72
6 Poço para a Caixa D'água Residência 0,26 0,28 0,07
7 Poço para a Caixa D'água Residência 0,26 0,36 0,09
8 Poço para a Caixa D'água Residência 0,79 0,65 0,51
9 Poço para a Caixa D'água Residência 0,26 0,49 0,13
10 Poço para a Caixa D'água Residência 0,26 0,58 0,15
11 Poço para a Caixa D'água Residência 0,79 0,88 0,70
12 Poço para cisterna 0,26 0,34 0,09
13 Poço para cisterna 0,26 0,41 0,11
14 Poço para cisterna 0,26 0,49 0,13
15 Poço para cisterna 0,79 0,88 0,70
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
Caso 13: Poço/Cisterna/Caixa D’água
33
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 linhas 3 e 13 da Tabela 4.8 e pode
ser observado na Tabela 4.10.
Tabela 4.10 -– Consumo Diário do Caso 13
Caso Tipo Tempo (h) Consumo Diário (kWh)
1
13
Cisterna para a caixa d’água da Residência
0,25 0,04
Poço para cisterna 0,41 0,11
Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas 0,15
Caso 14: 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 linhas 3 e 14 da Tabela 4.8 e pode
ser observado na Tabela 4.11.
Tabela 4.11 -– Consumo Diário do Caso 14
Caso Tipo Tempo (h) Consumo Diário (kWh)
14
Cisterna para a caixa d’água da Residência
0,25 0,04
Poço para cisterna 0,49 0,15
Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas 0,17
Caso 15: Poço/Cisterna/Caixa D’água
Para o caminho Poço/Cisterna foi usada uma bomba de 3/4 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 linhas 3 e 15 da Tabela 4.8 e pode
ser observado na Tabela 4.12
34
Tabela 4.12 -– Consumo Diário do Caso 15
Caso Tipo Tempo (h) Consumo Diário (kWh)
15
Cisterna para a caixa d’água da Residência 0,25 0,04
Poço para cisterna 0,88 0,70
Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas 0,74
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
4 Cisterna para a caixa d’água do Prédio 0,97
5 Cisterna para a caixa d’água do Prédio 5,72
6 Poço direto Para Caixa D'água 0,07
7 Poço direto Para Caixa D'água 0,09
8 Poço direto Para Caixa D'água 0,51
9 Poço direto Para Caixa D'água 0,13
10 Poço direto Para Caixa D'água 0,15
11 Poço direto Para Caixa D'água 0,70
12 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas 0,13
13 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas 0,15
14 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas 0,17
15 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas 0,74
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)
1 Cisterna para a caixa d'água da Residência 0,08
2 Cisterna para a caixa d’água do Prédio 0,19
3 Cisterna para a caixa d’água da Residência 0,05
4 Cisterna para a caixa d’água do Prédio 1,14
5 Cisterna para a caixa d’água do Prédio 6,73
6 Poço direto Para Caixa D'água 0,09
7 Poço direto Para Caixa D'água 0,11
8 Poço direto Para Caixa D'água 0,60
9 Poço direto Para Caixa D'água 0,15
10 Poço direto Para Caixa D'água 0,18
11 Poço direto Para Caixa D'água 0,82
12 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas 0,15
13 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas 0,18
14 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas 0,20
15 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas 0,87
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
4 Cisterna para a caixa d’água do Prédio 0,45 0,29
5 Cisterna para a caixa d’água do Prédio 2,03 1,17
6 Poço direto Para Caixa D'água 0,03 0,29
7 Poço direto Para Caixa D'água 0,04 0,29
8 Poço direto Para Caixa D'água 0,24 0,88
9 Poço direto Para Caixa D'água 0,06 0,29
10 Poço direto Para Caixa D'água 0,07 0,29
11 Poço direto Para Caixa D'água 0,32 0,88
12 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas 0,06 0,29
13 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas 0,07 0,29
14 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas 0,08 0,29
15 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas 0,34 0,88
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
1 Cisterna para a caixa d'água da Residência 0,33
2 Cisterna para a caixa d’água do Prédio 0,22
3 Cisterna para a caixa d’água da Residência 0,22
4 Cisterna para a caixa d’água do Prédio 0,33
5 Cisterna para a caixa d’água do Prédio 1,31
6 Poço direto Para Caixa D'água 0,33
7 Poço direto Para Caixa D'água 0,33
8 Poço direto Para Caixa D'água 0,99
9 Poço direto Para Caixa D'água 0,33
10 Poço direto Para Caixa D'água 0,33
11 Poço direto Para Caixa D'água 0,99
12 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas 0,33
13 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas 0,33
14 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas 0,33
15 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas 0,99
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
4 Cisterna para a caixa d’água do Prédio 2 260
5 Cisterna para a caixa d’água do Prédio 7 315
6 Poço direto Para Caixa D'água 1 315
7 Poço direto Para Caixa D'água 1 315
8 Poço direto Para Caixa D'água 1 315
9 Poço direto Para Caixa D'água 1 315
10 Poço direto Para Caixa D'água 1 315
11 Poço direto Para Caixa D'água 3 315
12 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas 1 315
13 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas 1 260
14 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas 1 315
15 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas 3 315
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
7 Poço direto Para Caixa D'água R$ 1.367,10
8 Poço direto Para Caixa D'água R$ 1.598,10
9 Poço direto Para Caixa D'água R$ 1.367,10
10 Poço direto Para Caixa D'água R$ 1.367,10
11 Poço direto Para Caixa D'água R$ 3.009,30
12 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas R$ 1.367,10
13 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas R$ 1.290,45
14 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas R$ 1.367,10
15 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas R$ 3.009,30
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
4 Cisterna para a caixa d’água do Prédio
1,14 R$ 20,18 7,93
5 Cisterna para a caixa d’água do Prédio
6,73 R$ 119,12 5,07
6 Poço direto Para Caixa D'água 0,09 R$ 1,59 71,52
7 Poço direto Para Caixa D'água 0,11 R$ 1,95 58,51
8 Poço direto Para Caixa D'água 0,6 R$ 10,62 12,54
9 Poço direto Para Caixa D'água 0,15 R$ 2,66 42,91
10 Poço direto Para Caixa D'água 0,18 R$ 3,19 35,76
11 Poço direto Para Caixa D'água 0,82 R$ 14,51 17,28
12 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas
0,15 R$ 2,66 42,91
13 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas
0,18 R$ 3,19 33,75
14 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas
0,2 R$ 3,54 32,18
15 Poço/Cisterna/Caixa D'água 2 bombas
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
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7229: Projeto,
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;
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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