Projetando uma Bomba de Água DC Alimentada por Energia Solar: Guia Passo a Passo

Guia para Projetar uma Bomba de Água DC Alimentada por Energia Solar Fotovoltaica

Projeto Típico de Bomba de Motor DC Alimentada por Energia Solar

O tipo mais simples de sistema FV que se poderia projetar é conectar módulos FV únicos ou múltiplos diretamente à carga DC, como mostrado na figura 1 abaixo.

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

Tal sistema é um sistema não regulado, pois a potência de saída dos módulos muda devido à mudança nas horas de sol e nenhum arranjo de bateria de backup é feito para suprir a demanda de energia durante a operação noturna. Tal sistema é mais adequado para aplicações domésticas, como bombeamento de água usando bomba de água de motor DC.

Como afirmado, 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, as baterias só podem ser carregadas durante as horas de sol do dia.

Então, por que devemos carregar 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 de eletrônica de potência como um controlador de carga, o que aumentaria o custo. Portanto, ao utilizar 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 controlador de carga nesta aplicação autônoma.

O projeto de tal sistema é muito simples, pois temos que igualar a classificação de potência e tensão do módulo FV à do motor da bomba DC. Assim, quando o módulo recebe a radiação solar, a bomba puxará a água e a armazenará no tanque. Tal sistema também pode ser projetado para um motor AC de diferentes classificações de potência disponíveis no mercado.

Mas a bomba de motor AC exigirá um circuito inversor (DC-AC) para inverter a potência DC gerada pelo módulo FV em potência AC para acionar o motor. Além disso, a classificação de potência do inversor deve ser devidamente igualada à do motor AC e do módulo FV.

Requisitos de Bomba de Água DC Alimentada por Energia Solar

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

1. Necessidade diária de água (m³/dia): A necessidade de água pode variar diária, mensal 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 cálculo de projeto. Mas a necessidade máxima de água deve ser considerada, porque se o sistema puder atender à demanda máxima de água, poderá atender à demanda regular.
2. Carga Dinâmica Total (CDT) (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. Tem dois sub-parâmetros: o primeiro é o levantamento vertical total e o outro são as perdas de atrito totais. Agora, além disso, o levantamento vertical total é a soma de três parâmetros mostrados na figura 3 abaixo como: elevação, nível de água estático e rebaixamento.

• A elevação é a medida da diferença entre os pontos, ou seja, entre o solo e a altura na qual a água deve ser descarregada.
• Nível de Água Estático 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 de água cai devido ao bombeamento da água para fora.

3. Perdas de atrito (metros): Esta é a pressão necessária para superar o atrito no tubo presente entre a saída da bomba de água até o ponto de saída da água. É adicionada à altura vertical total para obter o valor da Carga Dinâmica Total (CDT) e é medida em metros. Múltiplos fatores contribuem para a causa das perdas de atrito, como o tamanho do tubo, tipo de conexões, ar presente no tubo, número de curvas, vazão, etc. Se o ponto de descarga de água estiver próximo ao poço, um valor aproximado da perda de atrito é usado para o cálculo. Por exemplo, se o ponto de descarga estiver a menos de 10 m do poço, 5% do levantamento vertical total é tomado como perda de atrito.

Passos para Projetar uma Bomba de Água DC Alimentada por Energia Fotovoltaica

Todos os parâmetros acima são muito úteis para o projeto do sistema para bombeamento de água usando módulos FV solares. Agora vamos ver como esses parâmetros e diferentes passos podem ser úteis para projetar tal sistema autônomo. O projeto do sistema pode ser feito em cinco passos:

• Passo 1: Determinar a necessidade diária de água em (m³/dia)
• Passo 2: Calcular a Carga Dinâmica Total (CDT) necessária para bombear a água.
• Passo 3: Calcular a energia hidráulica total necessária por dia (Watt-hora/dia) para bombear a água.
• Passo 4: Calcular a radiação solar disponível no local.
• Passo 5: Calcular o tamanho e número de módulos FV necessários, a classificação do motor, sua eficiência e perdas.

Exemplo e Cálculo para Projetar uma Bomba de Água DC Alimentada por Energia Solar

Para entender de forma simples, vamos tomar um exemplo de projeto onde precisamos de 50 m³ de água por dia de uma profundidade de 20 m. Tem elevação, nível de água estático e rebaixamento de 10 m, 10 m e 4 m, respectivamente.

A densidade da água é 2000 kg/m³ e a aceleração da gravidade (g) é 9,8 m/s². A classificação de potência de pico do módulo solar é 36 W_p, como os módulos não operam em sua capacidade de potência de pico nominal, então o fator de operação é 0,75. A eficiência da bomba é em torno de 40% e o fator de desbalanceamento é 0,85, pois os módulos não operam no ponto de potência máxima.

Note que o fator de desbalanceamento deve ser tomado como 1 se estivermos usando um MPPT junto com o controlador de carga, mas no nosso caso o fator de desbalanceamento é 0,85, pois estamos conectando diretamente os módulos FV ao motor da bomba DC.

Passo 1: Determinar a necessidade diária de água em (m³/dia)

Necessidade diária de água = 50 m³/dia

Passo 2: Calcular a Carga Dinâmica Total (CDT) necessária para bombear a água.

Levantamento vertical total = Elevação + Nível de Água Estático + Rebaixamento

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

Perda de atrito = 5% do levantamento vertical total = 24 × 0,05 = 1,2 m

Carga Dinâmica Total (CDT) = Levantamento vertical total + Perda de atrito

Carga Dinâmica Total (CDT) = 24 m + 1,2 m = 25,2 m

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

Energia hidráulica necessária = Massa × g × CDT

Energia hidráulica necessária = Densidade × Volume × g × CDT

Energia hidráulica necessária = 2000 kg/m³ × 50 m³/dia × 9,8 m/s² × 25,2 m = 6860 Wh/dia

Passo 4: Calcular a radiação solar disponível no local.

Radiação solar disponível no local (Nº de horas de sol de pico por dia) = 6 h/dia (equivalente a 1000 W/m²)

Horas de sol de pico são mais comumente usadas, pois simplificam os cálculos. Não confunda "Horas Médias de Sol" e "Horas de Sol de Pico" que você coletaria da estação meteorológica. As "Horas médias de sol" indicam o número de horas em que o sol brilhou, enquanto "Horas de sol de pico" é o número de horas da quantidade real de energia recebida em kWh/m²/dia.

Passo 5: Calcular o tamanho e número de módulos FV necessários, a classificação do motor, sua eficiência e perdas.

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

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

Potência total do painel FV considerando perdas do sistema = Potência total do painel FV / (Eficiência da bomba × Fator de desbalanceamento)

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

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

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

Nº de painéis FV necessários de 36 W_p = Potência total do painel FV considerando o fator de operação do módulo FV / 36

Nº de painéis FV necessários de 36 W_p = 4483,64 / 36 = 124,54 = (125 arredondado)

Classificação de potência do motor DC = Potência total do painel FV considerando fator de operação do módulo FV / 746 W (ou seja, 1 cv) = 6,0102 cv = (7 cv arredondado)

O arranjo dos painéis em série e paralelo pode ser feito com base na classificação de tensão e corrente do módulo e do motor DC. Tal sistema também pode ser projetado com um circuito MPPT e inversor para o motor AC, mas é importante que sua eficiência e classificação de potência sejam levadas em consideração ao projetar o sistema.

Conclusão

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