Como projetar uma bomba de água CC alimentada por energia solar fotovoltaica?

Um guia sobre como projetar uma bomba de água CC movida a energia solar fotovoltaica

Projeto típico de bomba de motor CC movida a energia solar

O tipo mais simples de sistema fotovoltaico que alguém poderia projetar é conectar um ou vários módulos fotovoltaicos diretamente à carga CC, conforme mostrado na figura 1 abaixo.

A capacidade total dos módulos é tal que pode fornecer energia apenas durante as horas de sol. Nenhum arranjo especial é feito para ter a máxima utilização dos módulos rastreando o ponto de potência máxima dos módulos com um controlador de carga ao longo do dia.

Tal sistema é um sistema não regulamentado, pois a saída de energia dos módulos muda devido à mudança nas horas de luz do sol e nenhum arranjo de bateria de backup é feito para suprir a demanda de energia durante a noite Operação. Esse sistema é mais adequado para aplicações domésticas, como bombeamento de água usando uma bomba de água com motor CC.

Como dito, tal sistema pode ser usado para bombeamento de água especialmente na aplicação de irrigação. Se precisarmos de água à noite, podemos usar a energia armazenada na bateria para bombear a água durante a noite. Mas como sabemos que as baterias só podem ser carregadas durante as horas de sol do dia.

Então, por que devemos carregar as baterias se podemos utilizar a energia solar disponível para bombear a água imediatamente durante as horas de sol? Por outro lado, sabemos que as baterias não são baratas e também exigiriam um circuito eletrônico de potência como um controlador de carga, o que aumentaria o custo. Assim, utilizando a energia solar disponível imediatamente durante as horas de sol para bombear a água, podemos eliminar o custo e o espaço necessários para a bateria e o controlador de carga nesta aplicação independente.

O projeto de tal sistema é muito simples, pois temos que combinar a potência e a tensão nominal do módulo fotovoltaico com a do motor da bomba CC para que quando o módulo receba a energia solar radiação, a bomba puxará a água e a armazenará no tanque. Tal sistema também pode ser projetado para um motor CA de diferentes potências disponíveis no mercado.

Mas a motobomba CA exigirá um circuito inversor (CC – CA) para inverter a energia CC gerada pelo módulo fotovoltaico em energia CA para acionar o motor. Além disso, a potência nominal do inversor deve corresponder adequadamente à do motor CA e do módulo fotovoltaico.

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Requisitos da bomba de água CC movida a energia solar

Agora, antes de começarmos com o projeto do sistema de bombeamento de água, é importante entender alguns termos que estão intimamente relacionados ao projeto de um sistema autônomo.

1. Necessidade diária de água (m ³ /dia):A necessidade de água pode variar diariamente, mensalmente e sazonalmente. A quantidade de água necessária por dia determina o custo e o tamanho do sistema. Portanto, se a necessidade de água variar por dia, a média semanal ou mensal pode ser tomada para o cálculo do projeto. Mas a necessidade máxima de água deve ser considerada, porque se o sistema pode atender à demanda de pico de água, ele pode atender à demanda normal.
2. Total Dynamic Head (TDH) (metros):Este é o parâmetro mais importante para o projeto do sistema de bombeamento. É a pressão efetiva na qual a bomba de água deve operar e é medida em metros. Ele tem dois subparâmetros, o primeiro é a sustentação vertical total e o outro são as perdas totais por atrito. Além disso, a sustentação vertical total é a soma de três parâmetros mostrados na figura 3 abaixo como; elevação, nível de água parada e rebaixamento.

• A elevação é a medida da diferença entre os pontos, ou seja, entre o solo e a altura em que a água deve ser descarregada.
• Nível de água parada é a diferença entre o nível de água no poço e a superfície do solo.
• Rebaixamento é a medida da altura a partir da qual o nível da água cai devido ao bombeamento da água.

1. Perdas por atrito (metros):Esta é a pressão necessária para vencer o atrito na tubulação presente entre a saída da bomba d'água até o ponto de saída da água. Ele é adicionado na altura vertical total para obter o valor de Total Dynamic Head (TDH) e é medido em metros. Múltiplos fatores contribuem para a causa das perdas por atrito, como o tamanho do tubo, tipo de acessórios, ar presente no tubo, número de curvas, vazão, etc. Se o ponto de descarga de água estiver próximo ao poço, uma aproximação valor da perda por atrito é usado para o cálculo. Por exemplo, se o ponto de descarga estiver a 10 m do poço, 5% da elevação vertical total é considerada a perda por atrito.

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Etapas para projetar uma bomba de água CC com energia fotovoltaica

Todos os parâmetros acima são muito úteis para o projeto do sistema de bombeamento de água usando módulos solares fotovoltaicos. Agora vamos ver como esses parâmetros e diferentes etapas podem ser úteis para projetar um sistema autônomo. O projeto do sistema pode ser feito em cinco etapas como segue;

• Etapa 1: Determine a necessidade diária de água em (m ³ /dia)
• Etapa 2: Calcule a carga dinâmica total (TDH) necessária para bombear a água.
• Etapa 3: Calcule a energia hidráulica total necessária por dia (Watt-hora/dia) para bombear a água.
• Etapa 4: Calcule a radiação solar disponível no local.
• Etapa 5: Calcule o tamanho e o número de módulos fotovoltaicos necessários, a classificação do motor, sua eficiência e perdas.

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Exemplo e cálculo para projetar uma bomba de água CC movida a energia solar 

Para entender isso, basta dar um exemplo de design em que precisamos de 50 m ³ água por dia a uma profundidade de 20 m. Tem elevação, nível de água parada e rebaixamento de 10 m, 10 m e 4 m, respectivamente.

A densidade da água é 2.000 kg/m ³ e a aceleração da gravidade (g) é 9,8 m/s ² . A potência máxima do módulo solar é de 36 W_P , pois os módulos não operam em sua capacidade nominal de potência de pico, então o fator de operação é 0,75. A eficiência da bomba é de cerca de 40% e o fator de incompatibilidade é de 0,85, pois os módulos não operam no PowerPoint máximo.

Observe que o fator de incompatibilidade deve ser considerado 1 se estivermos usando um MPPT junto com o controlador de carregamento, mas em nosso caso o fator de incompatibilidade é 0,85, pois estamos conectando diretamente o PV módulos para o motor da bomba DC.

Etapa 1: Determine a necessidade diária de água em (m ³ /dia)

Necessidade diária de água =50 m ³ /dia

Etapa 2: Calcule a Cabeça Dinâmica Total (TDH) necessária para bombear a água.

Elevação vertical total =Elevação + Nível de água parada + Rebaixamento

Levantamento vertical total =10 m + 10 m + 4 m =24 m

Perda por atrito =5% da elevação vertical total =24 × 0,05 =1,2 m

Altura dinâmica total (TDH) =elevação vertical total + perda por atrito

Altura Dinâmica Total (TDH) =24 m + 1,2 m =25,2 m

Etapa 3: Calcule a energia hidráulica total necessária por dia (Watt-hora/dia) para bombear a água.

Energia hidráulica necessária =Massa × g × TDH

Energia hidráulica necessária =Densidade × Volume × g × TDH

Energia hidráulica necessária =2000 kg/m ³ × 50 m ³ /dia × 9,8 m/s ² × 25,2 m =6860 Wh/dia

Etapa 4: Calcule a radiação solar disponível no local.

Radiação solar disponível no local (Nº de horas de pico de sol por dia) =6h/dia (1000 W/m ² equivalente)

As horas de sol de pico são mais comumente usadas, pois simplificam os cálculos. Não se confunda com as "Mean Sunshine Hours" e "Horários de pico do sol" que você coletaria na estação meteorológica. As "horas médias de sol" indicam o número de horas de sol, enquanto as "horas de sol de pico" são o número de horas que a quantidade real de energia recebida em KWh/m ² /dia.

Etapa 5: Calcule o tamanho e o número de módulos fotovoltaicos necessários, a classificação do motor, sua eficiência e perdas.

Potência total do painel fotovoltaico =Energia hidráulica total / Nº de horas de sol de pico por dia

Potência total do painel fotovoltaico =6860 / 6 =1143,33 W

Potência total do painel fotovoltaico considerando as perdas do sistema =Potência total do painel fotovoltaico / (Eficiência da bomba × Fator de incompatibilidade)

Potência total do painel fotovoltaico considerando as perdas do sistema =1143,33 / (0,40 × 0,85) =3362,73 W

Potência total do painel fotovoltaico considerando o fator de operação do módulo fotovoltaico =Potência total do painel fotovoltaico considerando as perdas do sistema / Fator de operação

Potência total do painel fotovoltaico considerando o fator de operação do módulo fotovoltaico =3362,73 / 0,75 =4483,64 W

Não. de painéis fotovoltaicos necessários de 36 W_P =Potência total do painel fotovoltaico considerando o fator de operação do módulo fotovoltaico / 36

Não. de painéis fotovoltaicos necessários de 36 W_P =4483,64 / 36 =124,54 =(125 números redondos)

Potência nominal do motor DC =Potência total do painel fotovoltaico considerando o fator de operação do módulo fotovoltaico / 746 W (ou seja, 1 hp) =6,0102 hp motor =(7 hp número redondo )

A disposição dos painéis em série e em paralelo pode ser feita com base na tensão e corrente nominal do módulo e do motor CC. Tal sistema também pode ser projetado com um circuito MPPT e inversor para o motor CA, mas é importante que sua eficiência e potência nominal sejam levadas em consideração ao projetar o sistema.

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Conclusão

Estudamos uma abordagem simples e econômica para projetar um bombeamento de água DC baseado em energia solar fotovoltaica que requer componentes limitados, sem necessidade de baterias e controlador. Estudamos brevemente termos básicos relacionados ao bombeamento de água e cálculos de projeto detalhados para bombear o nível de água necessário para fins de irrigação. Tal sistema também pode ser projetado usando um motor CA e pode ser implementado em níveis domésticos, residenciais e comerciais.