monografia alvaro

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(Parte 1 de 2)

Monografia apresentada ao Departamento de Engenharia da Universidade Federal de Lavras, como parte das exigências do curso de Pós-Graduação Lato Sensu em Fontes Alternativas de Energia, para a obtenção do título de especialista em Fontes Alternativas de Energia

Orientador Prof. Carlos Alberto Alvarenga

LAVRAS MINAS GERAIS – BRASIL 2005

Monografia apresentada ao Departamento de Engenharia da Universidade Federal de Lavras, como parte das exigências do curso de Pós-Graduação Lato Sensu em Fontes Alternativas de Energia, para a obtenção do título de especialista em Fontes Alternativas de Energia

APROVADA emde___________de_______
Prof
Prof
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UFLA Prof. Carlos Alberto Alvarenga

Aos meus pais, pela vida, educação e formação básica. À Adelaide, João, André e Isabela, pelo companheirismo e apoio incondicional.

Agradeço ao meu orientador Prof. Carlos Alberto Alvarenga e ao colega, de longa data, Eng. Moacir Dias Filho, pela colaboração e incentivo para a execução deste trabalho.

LISTA DE FIGURAS03
LISTA DE TABELAS04
RESUMO05
1 INTRODUÇÃO06
1.1 Apresentação06
1.2 Definição do problema de abastecimento de água07
1.3 Objetivos09
2 REVISÃO DE LITERATURA09
2.1 Energia solar fotovoltaica09
2.2 O estágio tecnológico do bombeamento fotovoltaico10
2.2.1 Gerador fotovoltaico12
2.2.2 Bombas14
2.2.2.1 Bombas centrífugas14
2.2.2.2 Bombas volumétricas14
2.2.3 Motores15
2.2.3.1 Motores de C15
2.2.3.2 Motores de CA16
2.2.4 Aspectos econômicos16
2.3 Perspectivas futuras18

SUMÀRIO 2.3.1 Exigência por energia limpa........................................................... 18

2.3.2 Oportunidades de aplicação da tecnologia19
2.3.2.1 Programas de incentivo20
2.3.3 Redução do preço da tecnologia21
3 CONCLUSÕES FINAIS23
Figura 2.1 – Corte transversal e vista frontal de célula convencional10
bombeamento fotovoltaico1
Figura 2.3 – Configurações de sistemas de bombeamento fotovoltaico12
Figura 2.4 – Curva de desempenho de bombas15
Figura 2.5 – Variação do custo do bombeamento fotovoltaico18
Figura 2.6 – Aquecimento global e concentração de CO219
Figura 2.7 – Densidade de disponibilidade de energia elétrica20
Figura 2.8 - Evolução da produção de módulos fotovoltaicos2

Figura 2.2 – Modalidades tecnológicas mais utilizadas nos sistemas de Figura 2.9 – Risco para a expansão do setor.................................................. 23

de alguns animais domésticos08

Tabela 1.1 - Requerimento médio de água para consumo de água humano e Tabela 2.1 - Dimensão do gerador em função da altura manométrica e da vazão...................................................................................................................14

Este trabalho procura fazer um levantamento sobre a tecnologia de bombeamento de água utilizando a energia fotovoltaica, mostrando os principais componentes de um sistema típico. Apresenta a situação atual da tecnologia e analisa as perspectivas futuras para a consolidação da mesma no cenário mundial e brasileiro.

1 Introdução 1.1 Apresentação

A eletricidade é a forma de energia mais versátil e a que melhor se adapta à sociedade tecnologicamente avançada. Não se concebe a civilização atual sem o conforto e as possibilidades permitidas pelo seu uso. Em breve, mesmo o setor de transportes, que, ainda hoje, é uma das poucas exceções de emprego da eletricidade em larga escala, estará se rendendo ao uso maciço da mesma, haja vista as perspectivas da indústria automobilística mundial para os próximos anos, quando se planeja o lançamento comercial de veículos elétricos, com célula de combustível, em 2005 pela Honda, 2010 pela GM, 2015 pela Ford. Estima-se que, em 2050, a metade da frota mundial de veículos estará utilizando esta tecnologia [1].

A obtenção da eletricidade no mundo, ainda, está fortemente vinculada à utilização de combustíveis fósseis, principalmente o carvão mineral. No Brasil, esta não é a realidade, pois a hidroeletricidade detém a maior parcela da matriz energética. No entanto, sendo um país de grande extensão territorial e de significativas diferenças geográficas, econômicas e sociais, o fornecimento de energia elétrica, da forma convencional, à totalidade da população torna-se um desafio difícil de ser superado. Nas regiões mais afastadas e carentes, as tentativas de romper o círculo vicioso da falta de energia versus o baixo desenvolvimento levam a uma série de situações atípicas de suprimento energético. Apenas com o intuito de exemplificar, em algumas regiões do estado do Amazonas gastam-se até 2 litros de combustível por litro de Diesel transportado [2] para suprir a demanda dos geradores à combustível fóssil.

Além das questões econômicas, a questão ambiental vem tomando corpo desde a década de 1980 e é possível imaginar que, a cada dia, terá um papel mais decisivo nos rumos do futuro das formas de energia. Com isto a discussão sobre energias renováveis deixa o aspecto romântico e futurista que tinha, para encarnar o caráter prático e de solução cobrado pela sociedade. Mesmo que, no Brasil, o impacto ambiental causado pela emissão de

CO2 na atmosfera, ocasionado pelo uso de combustíveis fósseis na geração de energia elétrica, seja pequeno, tem-se que considerar os efeitos negativos advindos do sistema energético atual. Os grandes projetos hidroelétricos causam transtornos ambientais ao alagar terras e exigir a construção de linhas de transmissão cada vez mais longas, desestruturando comunidades e imputando perdas patrimoniais e culturais às populações.

De todas as facilidades proporcionadas pela energia elétrica, uma delas tem importância vital. É o fornecimento de água com regularidade, volumes expressivos e melhor qualidade.

1.2 Definição do problema de abastecimento de água

Os seres vivos necessitam de água, oxigênio e alimento para se manterem vivos. Em particular, atrelado à carência de energia, está o fornecimento deficiente de água às populações rurais isoladas. É comum encontrar-se regiões, onde a únicas fontes energéticas disponíveis para o suprimento de água à população sejam as trações humana e animal, limitando a oferta do recurso e, com isto, impedindo o avanço nas técnicas de agricultura e pecuária, prejudicando as condições de higiene e, conseqüentemente, aumentando a incidência de doenças. Tais situações acabam por incentivar o processo de migração humana, que visa buscar melhores condições de vida em outras regiões.

Suprir de água, adequadamente, comunidades carentes deste recurso ou mesmo propriedades rurais isoladas, ver tabela 1.1, é dotá-las de sistemas de bombeamento de água. No entanto, para muitas regiões, primeiro será necessário disponibilizar rede elétrica ou combustíveis com regularidade e custo razoável. Mediante tal desafio vale pensar na possibilidade de utilização de tecnologias que possibilitem o aproveitamento dos recursos energéticos locais. Aí se abre um campo promissor para as energias renováveis e a tecnologia fotovoltaica é uma das alternativas.

Tabela 1.1 Requerimento médio de água para consumo de água humano e de alguns animais domésticos.

Para a manutenção do recurso hídrico, a extração de água não deve exceder a sua reposição natural, sob pena de uma exaustão irreversível dos mananciais, principalmente quando se trata de depósitos subterrâneos fósseis. Este deve ser o primeiro cuidado ao se dimensionar um sistema de bombeamento de água.

1.3 Objetivos

Avaliar o estágio atual da tecnologia de bombeamento de água utilizando energia fotovoltaica como fonte alternativa de energia e suas perspectivas de utilização no Mundo e no Brasil.

2 Revisão de literatura 2.1 Energia solar fotovoltaica

A tecnologia fotovoltaica1 se baseia na transformação direta da radiação solar em eletricidade, usando, para tanto, características específicas de alguns semicondutores. Apesar do efeito fotovoltaico ter sido observado pela primeira vez em 1839, por Becquerel [3], a tecnologia é relativamente recente, iniciandose com a revolução dos semicondutores, por volta de 1950. Hoje já se pode dizer que a tecnologia apresenta um alto grau de maturidade, e isto se reflete na elevada confiabilidade, eficiência e vida útil dos equipamentos.

Primeiramente incentivada pelas indústrias de telecomunicações e aeroespacial teve, posteriormente, um grande impulso devido às crises do petróleo de 1973 e 1979.

Um sistema de geração fotovoltaica tem como elemento básico o módulo, que por sua vez é composto de células conectadas em arranjos com a finalidade de obtenção de tensão e corrente em níveis adequados para utilização, pois cada célula convencional, ver figura 2.1, é capaz de gerar 30mA/cm2 e de 0,46 a 0,48V, tendo uma área variando de 50 a 150cm2. Atualmente a matéria prima básica para a produção de células fotovoltaicas se concentra nas lâminas de silícios mono e multicristalino, 90,9% [4].

1 A energia solar fotovoltaica é a energia obtida através da conversão direta da luz em eletricidade.

Figura 2.1 Corte transversal e vista frontal de célula convencional

Fonte: FORNECIMENTO DE ÁGUA COM SISTEMAS DE BOMBEAMENTO FOTOVOLTAICOS – Dissertação de Maria Cristina Fedrizzi

2.2 O estágio tecnológico do bombeamento fotovoltaico

Apesar da tecnologia fotovoltaica ainda ser de custo elevado ela se aplica bem a sistemas remotos autônomos e é aí que se encontra campo para os sistemas de bombeamento de água.

Ao longo do tempo a indústria de equipamentos vem buscando otimizar seus produtos visando aumentar a eficiência dos conjuntos. Observa-se a tendência de substituição dos poços de cacimba com bombas submersas e motores em superfície por poços tubulares de pequeno diâmetro com motores e bombas submersas, de fabricação especial buscando a maior performance pela adequação às características da energia fotovoltaica.

Segundo FEDRIZZI (1997) [2] A eficiência de um bom sistema comercial situa-se acima de 4%, com a eficiência dos módulos variando entre 12% e 15% e o restante do sistema variando entre 30% e 40%.

O esquemático mostrado na figura 2.2 dá uma boa idéia das alternativas para um sistema de bombeamento de água fotovoltaico, ressaltando, em cores, as rotas mais usuais.

Figura 2.2 Modalidades tecnológicas mais utilizadas nos sistemas de bombeamento fotovoltaico.

Fonte: Modificado do Manual de Energización Rural Mediante Energia Fotovoltaica, 1996. Extraído de apostila do curso “Energia Solar” da FUPAI

Fisicamente um sistema de bombeamento fotovoltaico consiste do painel fotovoltaico para geração de energia, dispositivos eletrônicos para controle e regulagem do sistema, conhecidos como acondicionadores de potência, conjunto motobomba e os equipamentos auxiliares, que são fiação, tubulações e outros de utilização mais restrita.

Dentre as configurações possíveis, a figura 2.3 mostra as mais usadas. O conjunto motobomba submerso (A), o motor na superfície e bomba submersa (B), o conjunto motobomba flutuante (C), o conjunto motobomba na superfície (D).

Figura 2.3 Configurações de sistemas de bombeamento fotovoltaico

Fonte: Modificado de FRAENKEL, P., A Handbook for Users and Choosers Extraído de Apostila do curso “Energia Solar” da FUPAI [5]

2.2.1 Gerador fotovoltaico

O arranjo fotovoltaico é uma fonte variável de tensão, portanto a tensão de funcionamento dependerá da carga. No caso de bombeamentos isto se torna determinante na escolha do tipo de acionamento.

Apesar da característica de independência quanto ao suprimento de combustíveis, a energia radiante a ser transformada em energia elétrica depende de uma série de condições. Com isto o comportamento de uma bomba fotovoltaica será determinado não só pela irradiação total diária incidente, mas, também, por sua distribuição ao longo do dia e pela temperatura ambiente. Isto causa limitações energéticas ao sistema, que podem ser contornadas com um rigoroso planejamento do uso da água. Além disto, a preservação dos mananciais de água deve ser tratado com intenso cuidado, visto que o desrespeito ao ritmo de reposição natural acarreta uma série de problemas tanto para o ambiente como para o funcionamento das instalações e equipamentos. Isto configura uma forma diferente e nova de ver a questão água e energia.

Sendo o gerador de energia fotovoltaica o item de maior custo dentro de um sistema de bombeamento solar, também, o cuidado no dimensionamento do sistema é de importância fundamental para não inviabilizar projetos, ver tabela 2.1.

Tabela 2.1 Dimensão do gerador em função da altura manométrica e da vazão

Fonte: Catálogo SOLENERG – Sistema de Bombeamento Solar

Número de Módulos Fotovoltaicos - 100W

Vazão diária média ( m /dia ) Altura

Em sistemas de bombeamento de água o armazenamento de energia se dá, geralmente, em um reservatório de água. Esta característica, na maioria dos casos, faz com que seja dispensado o uso de baterias, mesmo que o consumo de água se dê em períodos de baixa ou falta total de irradiação solar.

2.2.2 Bombas

Tanto as bombas centrífugas como as bombas volumétricas podem ser usadas em sistemas de bombeamento fotovoltaicos.

As bombas centrífugas são adequadas para grandes vazões e pequenas alturas manométricas, ver figura 2.4. São projetadas para alturas manométricas fixas e a vazão aumenta com a rotação da bomba. Por característica são equipamentos que se adequam muito bem à saída do arranjo fotovoltaico.

Estas bombas podem ser submersíveis ou de superfície. Em geral, se tratando de bombas de superfície é recomendada uma altura de sucção máxima de 6 metros.

2.2.2.2 Bombas volumétricas

As bombas volumétricas ou de deslocamento positivo são adequadas para grandes alturas manométricas e pequenas ou moderadas vazões, ver figura 2.4. A eficiência destas bombas aumenta com o aumento da altura manométrica, já a vazão das mesmas, praticamente, independe da altura manométrica. Como, por suas características de operação, de deslocarem a água com outra quantidade de água e, assim sucessivamente, uma vez atingida a altura manométrica, sempre que houver redução do nível de insolação a velocidade do motor reduzirá, mas não a capacidade de manutenção da altura manométrica necessária. Assim, diferentemente das bombas centrífugas, não se ajustam tão bem à saída do arranjo fotovoltaico. Desta forma, geralmente, não são ligadas diretamente aos arranjos fotovoltaicos. Necessitam controladores eletrônicos para ajustar o ponto de operação do arranjo fotovoltaico para fornecer a máxima corrente para a partida do motor. Baterias também podem ser usadas entre a bomba e o arranjo fotovoltaico, fornecendo tensão estável para a partida e operação da bomba em condições de níveis de insolação baixos.

Figura 2.4 Curva de desempenho de bombas2

Fonte: Catálogo GRUNDFOS SQFlex

2.2.3 Motores

Tanto a bomba centrífuga como a volumétrica podem ser acionadas por motor de C ou CA. A escolha dependerá da vazão, da altura manométrica, da eficiência, do custo, da instalação, se submerso ou não, da confiabilidade, da facilidade de manutenção e da disponibilidade do equipamento no mercado.

Os motores de C, geralmente, apresentam eficiência mais elevada e possuem um alto grau de compatibilidade com a fonte de energia fotovoltaica. Porém, são motores de custo maior e exigem mais manutenção periódica,

2 Bomba de rotor helicoidal é um tipo de bomba volumétrica.

principalmente quando utilizam comutação por escovas. No mercado já se encontram motores de C sem escovas, que utilizam dispositivos eletrônicos para chaveamento do fluxo de corrente. Como vantagens, estes motores trabalham com desgaste menor e, conseqüentemente, menor necessidade de manutenção. No entanto o fato de inserir dispositivos eletrônicos pode aumentar a incidência de defeitos.

Os motores de CA exigem a utilização de um inversor de freqüência.

Esta inclusão acarretará alguma perda de energia e acrescentará um custo ao conjunto, no entanto como vantagens ocorrerão a redução do custo do motor e um motor bem menos exigente de manutenção. Atualmente o mercado já oferece motores com inversores embutidos.

Visando simplificação, os sistemas de última geração contam com o auxílio da eletrônica de potência embutindo, além do inversor C/CA, seguidor do ponto de máxima potência, sensores de nível do poço e reservatório, dispositivos de proteção, tornando os motores compactos e, ao mesmo tempo, procurando manter a robustez dos equipamentos antigos. Todo este conjunto é acoplado à bomba submersível, que pode ser centrífuga ou helicoidal, permitindo, desta forma, cobrir uma faixa mais ampla de vazão e altura manométrica.

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