MARYSOL LILIAN DE ARAÚJO SOUSA - DEE

Transcrição

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
MARYSOL LILIAN DE ARAÚJO SOUSA
USO DE BOMBEAMENTO FOTOVOLTAICO PARA IRRIGAÇÃO DE UNIDADES
DE PRODUÇÃO AGRÍCOLA DE PEQUENO PORTE
FORTALEZA
2014
MARYSOL LILIAN DE ARAÚJO SOUSA
USO DE BOMBEAMENTO FOTOVOLTAICO PARA IRRIGAÇÃO DE UNIDADES
DE PRODUÇÃO AGRÍCOLA DE PEQUENO PORTE
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao
Curso de graduação em Engenharia Elétrica da
Universidade Federal do Ceará, como requisito
parcial à obtenção do grau de Bacharel em
Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Dr. Paulo Cesar Marques de
Carvalho.
FORTALEZA
2014
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação
Universidade Federal do Ceará
Biblioteca de Ciências e Tecnologia
S697u
Sousa, Marysol Lilian de Araújo.
Uso de bombeamento fotovoltaico para irrigação de unidades de produção agrícola de pequeno
porte / Marysol Lilian de Araújo Sousa. – 2014.
78 f. : il., color., enc. ; 30 cm.
Monografia (graduação) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia,
Departamento de Engenharia Elétrica, Graduação em Engenharia Elétrica, Fortaleza, 2014.
Orientação: Prof. Dr. Paulo Cesar Marques de Carvalho.
1. Energia solar. 2. Energia - Fontes alternativas. 3. Engenharia elétrica. 4. Agricultura.
5. Energia solar na agricultura. 6. Irrigação. I. Título.
CDD 621.3
MARYSOL LILIAN DE ARAÚJO
AR
SOUSA
USO DE BOMBEAMENTO FOTOVOLTAICO
F
PARA IRRIGAÇÃO
IGAÇÃO DE UNIDADES
DE PRODUÇÃO
RODUÇÃO AGRÍCOLA DE PEQUENO PORTE
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao
Curso de graduação em Engenharia Elétrica da
Universidade Federal do Ceará, como requisito
parcial à obtenção do grau de Bacharel em
Engenharia Elétrica.
Aprovada em: 10/11/2014.
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. Paulo Cesar Marques de Carvalho (Orientador)
Universidade Federal do Ceará (UFC)
Prof. Dr. Sérgio Daher
Universidade Federal do Ceará (UFC)
Profa. Rosa Jacob Chilundo
Universidade Pedagógica de Moçambique (UP)
A Deus e aos meus pais.
AGRADECIMENTO
Aos meus pais por todo incentivo e compreensão, por se empenharem ao máximo
para que eu pudesse concluir minha formação acadêmica. E à minha irmã que sempre foi uma
referência e inspiração em meus estudos.
À Universidade Federal do Ceará, seu corpo docente, direção e administradores
que me conduziram à formação profissional, em especial ao Prof. Dr. Paulo Cesar Marques de
Carvalho que se dispôs a me orientar e auxiliar na elaboração desta monografia e ao Prof. Dr.
Sérgio Daher, participante da banca examinadora, pelo tempo, colaboração e sugestões.
À Profa. Rosa Chilundo pelo incentivo, pelas dúvidas esclarecidas, por sua valiosa
colaboração neste trabalho.
Ao Laboratório de Energias Alternativas pelo acesso as suas instalações e uso de
seus equipamentos permitindo assim o desenvolvimento deste projeto.
À Petrobras pelo patrocínio parcial das instalações usadas na presente pesquisa.
Ao Núcleo de Ensino e Pesquisa em Agricultura Urbana da UFC, coordenado
pelo Prof. Antônio Marcos Esmeraldo, pelo espaço e ajuda profissional.
Por fim, a todos os meus colegas de curso pelas parcerias em trabalhos, pelos
materiais e livros emprestados, por todo o incentivo e amizade ao longo desses anos.
“A imobilidade das coisas que nos cercam
talvez lhes seja imposta por nossa certeza de
que essas coisas são elas mesmas e não
outras, pela imobilidade de nosso pensamento
perante elas.”
Marcel Proust
RESUMO
A energia solar constitui uma opção limpa e renovável de produção de energia elétrica, sendo
o bombeamento de água uma das tecnologias mais difundidas quanto ao emprego de energia
solar fotovoltaica. A presente monografia consiste na utilização de sistemas de bombeamento
fotovoltaico aplicados à irrigação de pequenas unidades agrícolas, em especial àquelas
instaladas em regiões secas e carentes de água, que são geralmente as mais favoráveis em
termos de insolação, como é o caso da área rural do Nordeste do Brasil. Para tanto é feito um
estudo sobre a tecnologia fotovoltaica focado nos aspectos mais pertinentes à aplicação em
sistemas de bombeamento. Em seguida, a partir do desenvolvimento experimental de um
sistema de irrigação acionado por painéis fotovoltaicos, instalado no Campus do Pici (UFC),
foram coletados dados de irradiância solar, pressão e volume de água bombeada, além de
valores de tensão e corrente do painel, durante o período de cultivo de um tipo de hortaliça, o
coentro. Com os dados foram geradas curvas e assim foi possível analisar o comportamento
elétrico do motor-bomba e sua capacidade de bombeamento, ao longo de um dia, em função
da irradiância e também avaliar esse comportamento ao variar a carga imposta ao sistema, que
se dá ao ativar as linhas de irrigação. O potencial de utilização da tecnologia fotovoltaica se
mostrou relevante na irrigação de pequenas unidades agrícolas de subsistência, tanto devido
ao potencial energético na localidade onde o experimento foi instalado, quanto devido à
capacidade de volume de água bombeado adequado à produção agrícola.
Palavras-chave: Sistemas de bombeamento fotovoltaico. Energia solar. Irrigação.
ABSTRACT
Solar energy is a clean and renewable option of production of electrical energy, and water
pumping is one of the most widespread technologies regarding the use of photovoltaic solar
energy. This monograph is the use of photovoltaic pumping systems applied to irrigation of
small agricultural units, especially those installed in dry and poor regions of water, that are
generally more favorable in terms of sunshine, as is the case in rural areas of Northeast Brazil.
So a study is made on photovoltaic technology focused on the most relevant application in
pumping systems aspects. Then from the experimental development of an irrigation system
powered by photovoltaic panels installed on the campus of the Pici (UFC), irradiance,
pressure and volume of pumped water data were collected in addition to voltage and current
of the panel during the cultivation period of one type of vegetable, the coriander. With data
curves were generated and it was possible to analyze the electrical behavior of the motorpump and its pumping performance, over a day, according on irradiance and also evaluate this
behavior to vary the load on the system, which gives to activate the irrigation lines. The
potential use of photovoltaic technology was also relevant to irrigate small agricultural units
for subsistence, both because of the energy potential in the locality where the experiment was
installed, as due to the volume capacity of pumped water adequate for agricultural production.
Keywords: Photovoltaic pumping systems. Solar power. Irrigation.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 2.1 –
Diagrama do sistema fotovoltaico de bombeamento ....................................... 20
Figura 2.2 –
Região de aplicação para bombeamento fotovoltaico...................................... 20
Figura 2.3 –
Tipos de motobombas ...................................................................................... 21
Figura 2.4 –
Esquema simplificado da célula fotovoltaica................................................... 22
Figura 2.5 –
Desenvolvimento das células fotovoltaicas ..................................................... 23
Figura 2.6 –
Curvas típicas da célula fotovoltaica ............................................................... 24
Figura 2.7 –
Curvas I x V (100 W/m² e temperaturas diferentes) ........................................ 24
Figura 2.8 –
Curvas I x V (25 ºC e radiações diferentes) ..................................................... 25
Figura 2.9 –
Bomba centrífuga ............................................................................................. 26
Figura 2.10 – Bomba volumétrica tipo diafragma ................................................................. 27
Figura 2.11 – Energia elétrica em função da taxa de fluxo com variação da altura .............. 30
Figura 2.12 – Curva característica vazão x potência elétrica CC ........................................... 31
Figura 2.13 – Relação entre potência e vazão......................................................................... 31
Figura 2.14 – Relação entre potência e irradiação.................................................................. 32
Figura 2.15 – Potência elétrica em função da irradiação solar.............................................. 32
Figura 2.16 – Volume de água bombeado em função da irradiação solar.............................. 33
Figura 2.17 – Volume de água bombeado em função da potência ........................................ 33
Figura 3.1 –
Unidade experimental desenvolvida ................................................................ 34
Figura 3.2 –
Diagrama de blocos ......................................................................................... 35
Figura 3.3 –
Estrutura e dimensões ...................................................................................... 36
Figura 3.4 –
Reservatório de água ........................................................................................ 36
Figura 3.5 –
Sistema de irrigação localizado ....................................................................... 37
Figura 3.6 –
Microaspersores ............................................................................................... 37
Figura 3.7 –
Sistema de bombeamento fotovoltaico ............................................................ 38
Figura 3.8 –
Perfil do sistema .............................................................................................. 39
Figura 3.9 –
Módulo solar .................................................................................................... 39
Figura 3.10 – Curva característica do módulo ....................................................................... 40
Figura 3.11 – Conjunto motobomba ...................................................................................... 41
Figura 3.12 – Caixa de aquisição de dados .......................................................................
42
Figura 3.13 – Sensor de vazão ............................................................................................... 43
Figura 3.14 – Sensor de pressão ............................................................................................. 43
Figura 3.15 – Aquisição de dados .......................................................................................... 43
Figura 3.16 – Modem wifi ...................................................................................................... 43
Figura 3.17 – Sistema supervisório ........................................................................................ 44
Figura 3.18 – Chave-bóia ....................................................................................................... 45
Figura 3.19 – Válvula de pé ................................................................................................... 45
Figura 3.20 – Área útil para cultivo de hortaliças .................................................................. 45
Figura 3.21 – Plantio em 06/08 .............................................................................................. 46
Figura 3.22 – Colheita em 19/09 ............................................................................................ 46
Figura 3.23 – Vazão e irradiância, dia 15/09 ......................................................................... 47
Figura 3.24 – Vazão e irradiância, dia 09/09 ........................................................................ 48
Figura 3.25 – Potência elétrica em função da irradiância, dia 15/09...................................... 48
Figura 3.26 – Vazão em função da irradiância, dia 15/09...................................................... 49
Figura 3.27 – Vazão em função da potência elétrica, dia 15/09 ............................................ 49
Figura 3.28 – Vazão, pressão e potência em função de uma carga de 20 m .......................... 50
Figura 3.32 – Perfil do consumo de água diário do sistema, em 18/08 ................................. 53
Figura 3.33 – Perfis de consumo de água e da irradiação no período de cultivo ................... 53
Figura D.1 – Esquema de instalação se um sistema de irrigação localizada ........................ 66
Figura E.1 – Exemplo de gráfico fornecido por fabricante para determinação de potência
do módulo FV................................................................................................... 70
Figura E.2 – Exemplo de gráfico fornecido por fabricante para determinação de potência
do motor-bomba ............................................................................................... 71
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 –
Condições determinantes na escolha de um sistema de irrigação.................... 17
Tabela 3.1 –
Características elétricas da placa ..................................................................... 40
Tabela 3.2 –
Desempenho típico SHURFLO 8000 .............................................................. 41
Tabela 3.3 –
Variação de carga ............................................................................................ 50
Tabela 3.4 –
Valores médios em função da carga ................................................................ 52
Tabela 3.5 –
Médias diárias .................................................................................................. 54
Tabela B.1 –
Materiais elétricos ............................................................................................ 61
Tabela B.2 –
Materiais hidráulicos ....................................................................................... 62
Tabela C.1 –
Valores da ETpc (mm/dia) e Kc do coentro...................................................
64
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
IBGE
Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
MME
Ministério de Minas e Energia
ANEEL
Agência Nacional de Energia Elétrica
EMBRAPA Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária
CRESESB
Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito
EPE
Empresa de Pesquisa Energética
ONG
Organização Não Governamental
C.C.
Corrente Contínua
C.A.
Corrente Alternada
FV
Fotovoltaico
NEPAU
Núcleo de Ensino e Pesquisa em Agricultura Urbana
LEA
Laboratório de Energias Alternativas
UTM
Universal Transversa de Mercator
UFC
Universidade Federal do Ceará
STC
Standard Test Conditions
PIC
Peripheral Interface Controller
SUMÁRIO
1
INTRODUÇÃO ................................................................................................
13
1.1
Justificativa do Tema Selecionado ..................................................................
14
1.2
Objetivo geral ...................................................................................................
14
1.3
Objetivos específicos ........................................................................................
14
1.4
Estrutura do trabalho ......................................................................................
15
2
TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA NA IRRIGAÇÃO …………….......…
16
2.1
Irrigação ............................................................................................................
16
2.1.1
Tipos de sistemas de irrigação ..........................................................................
17
2.1.2
Escolha do sistema de irrigação........................................................................
17
2.1.3
Manejo da irrigação ………………………..…..…......…….………….….….
18
2.2
Tecnologia fotovoltaica ....................................................................................
18
2.3
Elementos de um sistema de bombeamento fotovoltaico ..............................
19
2.3.1
Painéis fotovoltaicos ..........................................................................................
21
2.3.1.1 Efeito Fotovoltaico .............................................................................................
21
2.3.1.2 Células fotovoltaicas ..........................................................................................
22
2.3.1.3 Características elétricas ....................................................................................
23
Bombas e Motores ............................................................................................
25
2.3.2.1 Bomba centrífuga ...............................................................................................
25
2.3.2.2 Bomba volumétrica ............................................................................................
26
2.3.2.3 Motor c.c. ...........................................................................................................
27
2.3.2.4 Motor c.a. ...........................................................................................................
28
2.4
Estado da arte dom bombeamento fotovoltaico ............................................
28
2.4.1
Histórico de sistemas de bombeamento fotovoltaico na irrigação ..................
28
2.4.2
Pesquisas em sistemas de bombeamento fotovoltaicos ....................................
29
3
SISTEMA DE IRRIGAÇÃO ACIONADO POR PAINÉIS FV ..................
34
3.1
Localização do experimento ............................................................................
34
3.2
Descrição do experimento ................................................................................
35
3.2.1
Área de cultivo e sistema de irrigação ..............................................................
35
3.2.2
Sistema de bombeamento fotovoltaico ..............................................................
38
3.2.2.1 Painel fotovoltaico .............................................................................................
39
3.2.2.2 Conjunto motobomba .........................................................................................
40
3.2.2.3 Aquisição e transmissão de dados .....................................................................
42
2.3.2
3.2.2.4 Proteção .............................................................................................................
44
3.3
Desenvolvimento do plantio ............................................................................
45
3.4
Análise de resultados .......................................................................................
46
3.4.1
Comportamento do motor-bomba em função da irradiâcia ............................
47
3.4.2
Comportamento do motor-bomba com variação da carga ..............................
50
3.2.3
Consumo do sistema de irrigação .....................................................................
52
4
CONCLUSÃO ..................................................................................................
55
REFERÊNCIAS ...............................................................................................
56
APÊNDICE A - ACOMPANHAMENTO DO CULTIVO DO COENTRO ..
59
APÊNDICE B - MATERIAIS UTILIZADOS ..................................................
61
APÊNDICE C - CÁLCULO SIMPLIFICADO DA DEMANDA HÍDRICA . 64
APÊNDICE D - DIMENSIONAMENTO HIDRÁULICO DO SISTEMA
IRRIGAÇÃO ....................................................................................................
66
APÊNDICE E - DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE GERAÇÃO E
GRUPO MOTOBOMBA ....................................................................................
69
ANEXO A - CATÁLOGOS TÉCNICOS DOS PRINCIPAIS
EQUIPAMENTOS................................................................................................ 72
13
1 INTRODUÇÃO
Os índices de pobreza de uma região são determinados a partir da avaliação de
algumas componentes, como o acesso à água e à energia elétrica (KRETER, 2011). A
insuficiência ou ausência desses serviços atinge de forma mais intensa às realidades
singulares, como é o caso das áreas rurais e, em especial, do Nordeste brasileiro.
A região possui clima semiárido, caracterizado por baixos índices pluviométricos.
Essa característica causa uma forte dependência da intervenção do homem sobre a natureza,
no sentido de garantir, por meio de obras de infra-estrutura hídrica, uma melhor forma de
utilização da água. Um bom gerenciamento da água na irrigação é essencial para a economia
rural nordestina, segundo CASTRO (2012), 82,9% da mão de obra do campo, nessa região,
equivalem à agricultura familiar. A agricultura familiar, hoje, é responsável por 75% dos
alimentos que vai para mesa do brasileiro (EMBRAPA, 2014).
O êxito de fornecimento de água está diretamente associado à disponibilidade de
recursos energéticos. A matriz energética brasileira, hoje, é altamente dependente das
hidroelétricas e, em casos de emergência, das termoelétricas, porém a eficiência de um
planejamento energético se dá com a diversificação, um sistema é mais seguro se há várias
fontes de energia (GOMES, 2014). Segundo GOMES (2014), o Brasil precisa trabalhar com
as regionalidades no setor energético, ou seja, explorar os recursos energéticos característicos
de cada região, como o recurso solar no Nordeste.
A tecnologia fotovoltaica se mostra bastante promissora, devido tanto à
autonomia quanto a abundancia do recurso energético solar no Nordeste do Brasil. Conforme
estudo do Plano Nacional de Energia 2030, o Nordeste possui irradiação solar comparável às
melhores regiões do mundo nessa variável, como a cidade de Dongoda, no deserto do Sudão,
e a região de Dagget, no Deserto de Majave, California. Segundo a Empresa de Pesquisa
Energética (EPE, 2008) essa irradiação varia entre 5 a 6,1 kWh/m²/dia.
A tecnologia fotovoltaica se encontra tecnicamente consolidada e vem sendo
adotada para eletrificação rural, tendo como uma das principais aplicações o bombeamento de
água (FEDRIZZI, 2003).
Outros fatores positivos são a alta confiabilidade técnica, vida útil superior a 20
anos, renovabilidade da fonte, reduzida manutenção, sem emissão de ruídos e poluentes na
operação. Seu custo inicial ainda é elevado, porém à medida que as aplicações dessa
tecnologia crescem os preços decrescem.
14
O Ministério de Minas e Energia coordena o programa “Luz para Todos” que tem
como meta levar o acesso a energia elétrica, gratuitamente, para a população rural nas
localidades de menor índice de desenvolvimento humano. Para as áreas mais remotas foram
estabelecidos critérios técnicos e financeiros, segundo o “Manual de Projetos Especiais”, a
serem aplicados com o uso de fontes alternativas de energia elétrica, dentre as opções
tecnológicas está a solar fotovoltaica (MME, 2014).
1.1 Justificativa do Tema Selecionado
Conforme foi dito, a agricultura familiar, hoje, é responsável por 75% dos
alimentos que vai para mesa do brasileiro, portanto é imprescindível o continuo fornecimento
de energia elétrica para os sistemas de irrigação que atendam a essas unidades agrícolas.
Assim, a partir do contexto apresentado, a principal motivação para a escolha do
presente tema é colaborar na diversificação da matriz energética, em locais, em especial no
Nordeste brasileiro devido à singularidade do seu clima, que exerçam a agricultura familiar
como fonte de renda e subsistência.
1.2 Objetivo geral
Analisar o uso de bombeamento fotovoltaico para irrigação de unidades de
produção agrícola de pequeno porte.
1.3 Objetivos específicos
a) Realizar um estudo sobre uso da geração fotovoltaica para acionamento de
sistemas de bombeamento;
b) Instalar um sistema de bombeamento solar no Campus do Pici - UFC;
c) Analisar os resultados obtidos.
15
1.4 Estrutura do Trabalho
Esta monografia é composta por quatro capítulos. Neste primeiro capitulo é feita
uma apresentação geral do assunto abordado evidenciando os objetivos e a motivação do
trabalho.
No capitulo 2 é discutido o aproveitamento de recursos visando o aumento da
produtividade agrícola. Apresenta informações relacionadas aos sistemas de bombeamento
fotovoltaico, além dos aspectos importantes da energia fotovoltaica. Em seguida é feito um
histórico da aplicação desse tipo de sistema na irrigação, bem como uma revisão bibliográfica
de alguns trabalhos, sobre o tema, realizados por pesquisadores.
No capitulo 3 é descrito o experimento realizado e é feita uma análise dos dados
obtidos a fim de mensurar o quanto foi necessário investir em recursos na geração de
alimentos.
No capitulo 4 são feitas conclusões e sugestões.
16
2 TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA NA IRRIGAÇÃO
Data do final da década de 1970 a comercialização de sistemas de bombeamento
fotovoltaico (FV), vinte anos depois das primeiras aplicações, porém é difícil dizer
precisamente quando essa tecnologia passou a ser aplicada para a irrigação (FEDRIZZI,
2003).
A aplicação de sistemas de bombeamento FV consiste numa tecnologia
sustentável bastante promissora, principalmente quando aplicada em regiões secas e carentes
de água, que são geralmente as mais favoráveis em termos de insolação. Outro aspecto muito
favorável dessa aplicação refere-se à possibilidade de armazenamento da água bombeada em
vez do armazenamento da eletricidade produzida pelos módulos FV. Isso diminui a
importância de um fator limitante do uso da energia solar que é sua variabilidade no tempo e a
necessidade de sistemas de armazenamento para tê-la de forma contínua (ALVARENGA,
2001). Os reservatórios de água substituem as baterias elétricas a um custo muito menor.
Além dessas vantagens, esse tipo de sistema é de fácil instalação, possui baixo
nível de manutenção, que é uma necessidade para áreas ermas, longa vida útil dos painéis FV,
bombeamento sem emitir ruídos ou poluição e o agricultor não está sujeito a aumento do
preço da eletricidade ou combustível.
A seguir são introduzidos conceitos sobre sistemas de irrigação e posteriormente
são apresentados os elementos que formam um sistema de bombeamento FV bem como o
estado da arte desse tipo de sistema.
2.1 Irrigação
Na agricultura, as perdas de água ocorrem devido ao baixo rendimento de
sistemas de irrigação e falta de um monitoramento da quantidade de água necessária e
aplicada. Todavia, estas causas não justificam as perdas, visto que estas podem ser
minimizadas pelo uso de um sistema de irrigação mais eficiente e de técnicas de manejo
adequadas (COELHO; OLIVEIRA, 2005).
A melhora de 1% na eficiência do uso da água de irrigação, nos países em
desenvolvimento de clima semi-árido, significaria uma economia de 200 mil litros de água,
por agricultor, por hectare/ano. A irrigação utilizada de forma racional pode promover uma
economia de aproximadamente 20% da água e 30% da energia consumida. Do valor relativo à
17
energia, a economia de 20% seria devido à não aplicação excessiva da água e 10% devido ao
redimensionamento e otimização dos equipamentos utilizados (LIMA; FERREIRA;
CHRISTOFIDIS, 1999).
2.1.1 Tipos de sistemas de irrigação
Os sistemas de irrigação são classificados em MELLO & SILVA ( 2007):
a) Irrigação por superfície: compreende os métodos de irrigação nos quais a
condução da água do sistema de distribuição (canais e tubulações) até
qualquer ponto de infiltração, dentro da parcela a ser irrigada, é feita
diretamente sobre a superfície do solo;
b) Irrigação por aspersão: é o método de irrigação em que a água é aspergida
sobre a superfície do terreno, assemelhando-se a uma chuva, por causa do
fracionamento do jato d’água em gotas;
c) Irrigação localizada: é o método em que a água é aplicada diretamente sobre a
região radicular, com pequena intensidade e alta freqüência. Portanto é um
sistema que usa a água de forma racional.
2.1.2 Escolha do sistema de irrigação
A escolha de um tipo de sistema de irrigação depende tanto da viabilidade técnica
e econômica quanto às condições favoráveis ao desenvolvimento das culturas, a Tabela 2.1
mostra condições que devem ser satisfeitas na escolha.
Tabela 2.1 - Condições determinantes na escolha de um sistema de irrigação
Fator/Tipo
Preço da água
Fornecimento da água
Disponibilidade da água
Pureza da água
Capacidade de infiltração do
solo
Superficial
Baixo
Irregular
Abundante
Não limita
Alta
Aspersão
Intermediário
Regular
Médio
Sem sólidos
Intermediária a
baixa
Fonte: PEREIRA;TROUT, 1999
Localizada
Alto
Contínuo
Limitada
Elevada
Qualquer
18
Tabela 2.1 (continuação) - Condições determinantes na escolha de um sistema de irrigação
Fator/Tipo
Capacidade de
armazenamento do solo
Topografia
Superficial
Alta
Sensibilidade ao déficit
hídrico
Valor da produção
Custo de mão de obra
Baixa
Aspersão
Intermediária a
baixa
Relevo
moderado
Moderada
Baixo
Baixo
Moderado
Moderado
Alto
Alto
Custo de energia
Disponibilidade de capital
Exigência de tecnologia
Alto
Baixo
Limitada
Baixo
Médio e alto
Média e alta
Moderado
Alto
Elevada
Plana e uniforme
Localizada
Não limitada
Irregular
Alta
Fonte: PEREIRA;TROUT, 1999
2.1.3 Manejo da irrigação
O manejo da irrigação contempla a aplicação de água no momento correto e na
quantidade demandada pela cultura para aquele momento. O manejo da irrigação deve ser
adequado aos sistemas de irrigação de forma a se obter elevadas eficiências. Não adianta ter
um sistema de irrigação de alta eficiência se o manejo da irrigação é deficiente.
Após a instalação do sistema de irrigação, o produtor deve realizar o manejo
inicial de irrigação (ver apêndice C) que é normalmente baseado em turnos de rega calculados
com base em valores da evapotranspiração da cultura e da irrigação real necessária
(COELHO; SILVA, 2013).
2.2 Tecnologia fotovoltaica
O Sol é responsável pela origem de praticamente todas as fontes de energia na
Terra. A energia gerada pelo Sol é fonte de calor e luz e é inesgotável na escala terrestre de
tempo. Através de sistemas de captação pode ser convertida em outras formas de energia, de
forma simplificada, para fins de engenharia, em energia solar térmica e energia solar
fotovoltaica. Nesta monografia é abordada a conversão direta da luz em eletricidade, ou seja,
a conversão fotovoltaica.
O setor de telecomunicações foi o primeiro a impulsionar o desenvolvimento da
tecnologia FV, buscava fontes de energia que se comportassem bem em localidades remotas.
19
Posteriormente se deu o uso espacial, com entendimento de que a célula solar é o meio mais
adequado para fornecer a quantidade de energia necessária para longos períodos de
permanência no espaço e a necessidade de energia para satélites (CRESESB, 2014).
O interesse em ampliar as aplicações terrestres se deu com a crise energética de
1973, modificando-se assim o perfil das empresas envolvidas no setor. A partir daí foram
disponibilizados fundos em todo o mundo voltados à pesquisa e desenvolvimento dessa
tecnologia (CRESESB, 2014).
O custo inicial dos sistemas FV ainda é o principal empecilho para sua difusão em
larga escala. No entanto, a tecnologia está se tornando cada vez mais competitiva, tanto
porque seus custos estão decrescendo, quanto porque a avaliação dos custos das outras formas
de geração está se tornando mais real, levando em conta fatores que eram anteriormente
ignorados, como a questão dos impactos ambientais.
As principais aplicações terrestres podem ser agrupadas nas seguintes categorias
(BORGES NETO; CARVALHO, 2012):
a) Produtos de consumo: calculadoras, relógios, brinquedo, entre outros.
b) Interligação com a rede elétrica: nessa aplicação são encontrados sistemas
centralizados e descentralizados.
c) Modo híbrido: conectados a outros tipos de geração, notadamente geradores
diesel, para o abastecimento de consumidores não conectados à rede elétrica.
d) Modo autônomo: conjuntos motobombas em unidades de bombeamento de
água, fornecimento de eletricidades para baterias para uso em casas e escolas.
2.3 Elementos de um sistema de bombeamento fotovoltaico
Um sistema de bombeamento FV é constituído de módulos FV, mecanismo de
condicionamento de potência (inversor, controlador, seguidor do ponto de máxima potência),
grupo motobomba, sistema de armazenamento (opcional) e sistema de distribuição
(FEDRIZZI, 2003), conforme ilustra a Figura 2.1.
20
Figura 2.1 – Diagrama sistema fotovoltaico de bombeamento
Fonte: Modificado de FRAINDENRAICH, 2002
A Figura 2.2 representa o gráfico da vazão vs. profundidade. Através desses
termos é classificado o sistema de bombeamento FV como viável ou não. A faixa ótima para a
aplicação de sistemas de bombeamento FV encontra-se entre 50 e 2.000
Figura 2.2 – Região de aplicação para bombeamento fotovoltaico
Fonte: Adaptado de TIBA, 1998.
/
.
21
Para aplicações de até 250Wp são utilizadas bombas de deslocamento positivo de
diafragma ou bombas centrifugas de estágio único ou poucos estágios. Acima desta potência
são adotadas bombas centrifugas de multiestágio e as de deslocamento positivo helicoidal
(CRESESB, 2014).
As bombas de deslocamento positivo atuam de forma mais eficiente para alturas
manométricas elevadas e pequenas vazões. Pequenas alturas manométricas e maiores vazões é
o perfil indicado para bombas centrifugas. A Figura 2.3 apresenta as faixas de operação para
os tipos motobombas de sistemas de bombeamento FV.
Figura 2.3 – Tipos de motobombas
Fonte: TIBA, 1998.
2.3.1 Painéis fotovoltaicos
A principal forma de geração de energia elétrica através da energia do Sol se dá
pelo uso de painéis FV. Para entender como acontece esse processo a seguir é explicado o
efeito FV e as características elétricas das células que constituem o painel.
2.3.1.1 Efeito Fotovoltaico
O efeito FV, relatado por Edmond Becquerel, em 1839, é a diferença de potencial,
produzida pela absorção da luz, entre os extremos do material semicondutor (CRESESB,
22
2014). A célula FV é a unidade fundamental do processo de conversão, a Figura 2.4 mostra
seu esquema simplificado.
O efeito se dá a partir da dopagem de um material semicondutor, geralmente o
silício, com outro elemento, como boro ou fósforo. No processo de dopagem do silício, o
silício dopado com fósforo é denominado de silício tipo N (negativamente carregado) e o
silício dopado com boro é chamado de silício tipo P (positivamente carregado).
Os dois elementos, P e N, juntos compõem a célula, fazendo que haja a criação de
uma junção pn e formando um campo elétrico que impede que elétrons do silício tipo N
migrem para o tipo P. Essa neutralidade elétrica é rompida no momento que fótons, presentes
na irradiação solar, com energia superior à banda de energia incidirem nessa junção, onde o
campo elétrico seja diferente de zero, havendo assim uma excitação dos elétrons presentes
neste material e, consequentemente, o surgimento de uma corrente através da junção.
(BRAGA, 2008).
Figura 2.4 – Esquema simplificado da célula fotovoltaica
Fonte: EPE, 2012.
2.3.1.2 Células fotovoltaicas
A produção de células é dividida em três gerações. A Figura 2.5 apresenta a
evolução em termos de eficiência das tecnologias (CRESESB, 2014). A primeira geração
utiliza silício policristalino (p-Si) e monocristalino (m-Si), tecnologia consolidada, confiável e
com eficiência entre 16 a 25%.
A segunda geração utiliza filmes finos, pode ser aplicado em diversos substratos,
com as seguintes cadeias produtivas: silício amorfo (a-Si), disseleneto de cobre e índio (CIS),
índio e gálio (CIGS) e telureto de cádmio (CdTe). Esta geração é menos eficiente, de 8 a 20%.
23
Figura 2.5 – Desenvolvimento das células fotovoltaicas
Fonte: CRESESB, 2014.
A terceira geração, ainda em fase de pesquisa, é constituída pelas células
fotovoltaicas multijunção (MJ) e células fotovoltaicas para concentração (CPV - Concentrad
Photovoltaics), células sensibilizada por corante (DSSC – Dye-Sensitized Solar Cell) e células
orgânicas e poliméricas (OPV – Organic Photovoltaics).
2.3.1.3 Características elétricas
Para que sejam empregadas na produção de energia elétrica, as células solares se
associam eletricamente em diferentes combinações que permitem que se obtenham valores da
corrente e voltagem necessária, uma única célula produz diferença de potencial entre 0,5 e
0,6V e potência entre 1,0 e 1,5W, para uma aplicação com fim determinado e são, para tanto,
envoltas por materiais que as protegem dos efeitos causados pelo tempo (LORENZO, 1994).
Para o aproveitamento da energia do sol são utilizados as células, os módulos e o gerador FV.
O módulo é formado por um conjunto de células, enquanto o gerador é constituído por vários
módulos (FIORENTINO, 2004).
O módulo FV é composto de células conectadas em arranjos produzindo tensão e
corrente em nível suficiente para o aproveitamento da energia elétrica gerada. O módulo
fotovoltaico é a unidade básica comercialmente disponível, proporcionando proteção
mecânica e ambiental às células e permitindo a sua utilização exposta às intempéries. O
módulo de baixa potência é composto de células encapsuladas e conectadas eletricamente em
série e/ou em paralelo, produzindo até 250 W, com tensão de 12 ou 24 V. O arranjo sérieparalelo de módulos permite o atendimento a cargas maiores (LORENZO, 1994).
24
As curvas corrente (I) x tensão (V) e potência (P) x tensão (V) típicas e o ponto
de operação de máxima produção de potência são mostrados na Figura 2.6.
Figura 2.6 – Curvas típicas da célula fotovoltaica
Fonte: EPE, 2012.
A eficiência da célula ou do painel FV é definida, em condições de referência
(“Standard Test Conditions – STC”), pela relação entre a potência máxima de saída da célula
normalizada pela área da célula em m² e o padrão de massa de ar de 1,5, 1.000 W/m² e
temperatura da célula de 25°C (BORGES NETO; CARVALHO, 2012).
Figura 2.7 – Curvas I x V (100W/m² e temperaturas diferentes)
Os dois fatores principais que afetam a eficiência da conversão são a temperatura
(Figura 2.7) ambiente de operação e a intensidade da irradiância solar (Figura 2.8) incidente
sobre a célula. Este último fator é afetado tanto pela nebulosidade local quanto pelo ângulo de
25
inclinação da célula em relação ao sol. A eficiência da conversão se reduz ao longo da vida
útil das células a taxa próxima de 1% ao ano (CRESESB, 2014).
Figura 2.8 – Curvas I x V (a 25ºC e irradiâncias diferentes)
2.3.2 Bombas e Motores
As bombas mais comuns em sistemas FV de bombeamento são as centrífugas e
volumétricas. A escolha de uma bomba ou grupo motobomba deve ser em fator da máxima
eficiência, sob as condições de vazão e altura manométrica. Tais bombas são acionadas por
motores de corrente alternada (c.a.) ou corrente contínua (c.c.).
A escolha do motor adequado está interligada aos seguintes fatores: potência
requerida para atingir a altura manométrica necessária, volume de água, eficiência, custo,
submersão ou não do motor, confiabilidade e manutenção.
O grupo motobomba é o acoplamento destes dois mecanismos distintos, a
eficiência desse sistema dependente em grande parte desse acoplamento. Atualmente existem
grupos motobombas fabricados diretamente para aplicação FV.
2.3.2.1 Bomba centrífuga
São bombas que usam a força centrífuga, resultante do movimento circular do
rotor, para deslocar água através delas, os elementos que compõe a bomba são mostrados na
Figura 2.9.
26
As pás do rotor giram em alta velocidade, criando pressão e forçando o fluxo. Há
o incremento da energia cinética do fluido a qual é transformada gradualmente em energia
potencial em forma de pressão.
As bombas centrífugas atendem a aplicações que exigem grandes vazões e
pequenas alturas manométricas, a altura é mantida constante ao projetar esse tipo de bomba.
O afastamento do ponto ótimo de funcionamento, obtido no projeto, implica perdas
significativas na eficiência.
A potência de partida desse tipo de bomba deve ser próxima da potência de
funcionamento normal devido a sua mecânica, sendo essa característica bem adequada ao
sistema de bombeamento FV.
Existem duas configurações principais, as submersíveis que trabalham “afogadas”
e as de superfície que necessitam de um tubo de sucção, cuja altura máxima de sucção
recomendável é de aproximadamente 6 metros (CRESESB, 2014).
As bombas centrífugas são adequadas a uma ampla faixa de valores de vazão.
Existem sistemas instalados com capacidades que vão até cerca de 1000 m³/h (CRESESB,
2014).
Figura 2.9: Bomba Centrífuga
Fonte: VIANA E NOGUEIRA, 1990.
2.3.2.2 Bomba volumétrica
Também conhecidas como bombas de deslocamento positivo, tem por
característica, que justifica esta segunda denominação, o comportamento do deslocamento do
fluido. Onde o fluido na entrada do sistema tem aproximadamente a mesma direção que no
ponto de saída do mesmo.
27
Esse tipo de bomba é adequado quando se quer atingir grandes alturas
manométricas, com pequenos volumes de água, sem perder em eficiência. Mesmo com
variação na irradiação solar o sistema continua alcançando a altura necessária, porém com
menor vazão.
Os tipos de bombas volumétricas mais usadas são as de diafragma, para pequenas
alturas, e as de pistão com contrapeso ou de cavidade progressiva para grandes alturas
manométricas. A Figura 2.10 mostra um exemplo de bomba de deslocamento positivo do tipo
diafragma.
As bombas de deslocamento positivo são adequadas a uma faixa de valores de
vazão que vai de 0,3 a 40 m³/dia a alturas de 10 a 500 metros (CRESESB, 2014).
Figura 2.10: Bomba volumétrica tipo diafragma
Fonte: < http://www.sera.de/pt/>.
2.3.2.3 Motor c.c.
A eletricidade fornecida por módulos FV é na forma de corrente contínua. Assim
os motores em c.c. são os mais adequados para o sistema FV. Estes motores são geralmente
de menor potência, não sendo comercializado com valores maiores que 10 CV.
A eficiência deste tipo de motor é mais elevada se comparada aos motores de
corrente alternada, porém seu custo inicial é maior além da necessidade de manutenção. A
manutenção é periódica e ocorre devido ao desgaste das escovas que operam na comutação.
Existem motores c.c sem escovas que reduzem consideravelmente a sua taxa de
manutenção. Em locais mais remotos é importante que se utilize motores sem escovas, graças
28
à queda na manutenção. Entretanto os equipamentos eletrônicos que os constituem devem ser
de alta confiabilidade, para que não se transfira a necessidade de manutenção devido às
escovas para possíveis fontes de falhas destes equipamentos (CRESESB, 2014).
2.3.2.4 Motor c.a.
Os motores em corrente alternada são mais baratos e são facilmente encontrados
no mercado em comparação aos motores em corrente contínua.
O conjunto motor bomba utilizando c.a não pode ser acoplado diretamente ao
gerador fotovoltaico, pois deve haver um inversor que converta a corrente contínua gerada em
alternada.
Os motores em c.a. são usados em conjunto com bombas submersíveis, atuando
assim em grandes profundidades. Mostram-se adequados quando a aplicação requer grandes
potências, pois atende a uma ampla faixa (CRESESB, 2014).
2.4 Estado da arte do bombeamento fotovoltaico
Nesta seção são apresentados alguns projetos que contribuíram para o atual
cenário da tecnologia FV aplicada ao bombeamento de água, a maioria deles implantados em
zonas rurais de países em desenvolvimento, cuja motivação está na necessidade de adaptação
às condições de campo. São também apresentados alguns trabalhos desenvolvidos por
pesquisadores com o intuito de analisar o comportamento desse tipo de sistema.
2.4.1 Histórico de aplicação de sistemas de bombeamento fotovoltaico na irrigação
Durante a década de 1960, na antiga União Soviética, foi montado com êxito um
sistema FV de irrigação em uma área remota do semiárido do sudeste do país. Entre 1979 e
1981, foi realizado um projeto piloto para avaliação de pequenos sistemas de bombeamento
fotovoltaico (de 100 a 300 Wp) usados em pequenas propriedades rurais de Mali, Filipinase
Sudão, uma parceria entre o Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento (PNUD),
o Banco Mundial (BM) e a ONG Intermediate Technology Development Group (ITDG)
(HALCROW, 1981).
Entre 1998 e 2002, através do PVP (Irrigation Pilot Project), da Agência de
Cooperação Alemã Deutsche Gesellschaft furTechnische Zusammenarbeit (GTZ), foram
29
instalados dez sistemas de irrigação com tecnologia fotovoltaica no Chile, Egito e Jordânia
(GTZ, 2003). A experiência mostrou a aceitação da tecnologia pelos usuários e a viabilidade
desse tipo de sistema. Cinco anos depois de finalizado o projeto foi observado que um dos
quatro sistemas instalados no Chile estava funcionando em perfeitas condições, dois
continuavam em operação, mas não em toda sua capacidade, e outro havia sido soterrado por
um terremoto (GTZ, 2008).
Em 2003, o maior sistema de irrigação do mundo foi instalado, com 36 kWp, no
Vale de San Joaquin, Estados Unidos, uma parceria entre a companhia Shell e a WorldWater
& Power Corporation. Esse sistema tem fins demonstrativos e não comerciais (KELLEY;
GILBERTSON, 2010). Na Argentina, ONGs argentinas em parceria com ONGs alemãs, entre
2002 e 2004, instalaram seis sistemas de bombeamento fotovoltaico para a irrigação de
campos de cultivos para produção de batata, cenoura, milho e outros grãos (MÜLLER, 2004).
Na Mauritânia, a ONG Dentistas Sobre Ruedas instalou um sistema piloto, de 425 Wp em
2009 (DENTISTAS SOBRE RUEDAS, 2009).
No Brasil foram instalados vários sistemas FV de bombeamento, porém, são
poucas se sabe sobre seu uso para irrigação. Alguns projetos foram executados,
principalmente no Nordeste do país, através de parcerias entre ONGs, companhias
fornecedoras de eletricidade e institutos de pesquisa.
2.4.2 Pesquisas em sistemas de bombeamento fotovoltaicos
Hamidat e Benyoucef (2008) fizeram testes de eficiência de sistemas de
bombeamento FV para bombas centrifugas e bombas de deslocamento positivo. Para tanto
utilizaram uma instalação composta por um conjunto de placas solares, circuito hidráulico
fechado e equipamento para medição e aquisição de dados.
A instalação de teste permitia uma variação de carga de 0 a 120 m e variação de
vazão de 0 a 30 m³/h. Foram feitos testes variando essas taxas e foi observado que a bomba
centrifuga é mais eficiente em grandes vazões e pequena altura, trabalha a altas potências,
enquanto a bomba de deslocamento positivo se comporta de forma contrária, conforme Figura
2.11.
30
Figura 2.11 – Energia elétrica em função da taxa de fluxo com variação da altura:
(a) e (b) bomba centrifuga; (c) e (d) bomba de deslocamento positivo.
Fonte: HAMIDAT E BENYOUCEF, 2008.
Fraidenraich e Vilela (2010) determinaram as curvas características de um
sistema de bombeamento FV com base em dois tipos de curvas: vazão vs. potência elétrica
CC - obtidas com uma fonte de alimentação ajustada de forma a simular o funcionamento do
painel FV, e potência CC vs. irradiância - obtidas com ensaios com módulos FV em
condições reais. Esses testes foram feitos a fim de verificar se dessas duas formas eram
obtidas as mesmas grandezas.
A bancada para ensaios de sistemas FV de bombeamento implementa alturas
manométricas reais por meio de tubulações de 2” instaladas em uma torre. A motobomba em
teste é instalada em uma cisterna de 10.000 L (simulando um poço com vazão ilimitada), e a
água bombeada é desviada por meio de um conjunto de registros para a tubulação da altura
manométrica desejada, retornando posteriormente à cisterna. Os testes foram feitas para duas
configurações com alturas de 40 m (a) e 60 m (b).
Pode-se observar (Figura 2.12) que a curva da fonte representa a envolvente dos
valores máximos de vazão obtidos com o painel FV. Este resultado é devido à estabilidade da
potência suprida pela fonte o que não ocorre com o painel devido à passagem de nuvens que
se traduzem em variações bruscas da irradiância e consequente dispersão dos pontos
31
observados. Constata-se claramente que a curva obtida com a fonte pode ser entendida como
o limite superior da vazão do sistema.
Figura 2.12 - Curva característica vazão x potência elétrica CC para a
configuração (C1) operando com fonte e com gerador fotovoltaico.
Fonte: FRAIDENRAICH; VILELA, 2010.
Verifica-se na Figura 2.13 que as curvas obtidas com três configurações de painel
apresentam comportamentos similares, portanto a relação entre vazão e potência CC fornecida
independe da fonte de alimentação do gerador FV.
Figura 2.13 - Relação entre potência e vação para diferentes
configurações de painéis.
Uma verificação de que a relação entre potência CC e irradiância independe da
altura de recalque, CE = 30 m e C1 = 40 m, ambas as configurações apresentam resultados
bastante similares, e que as retas ajustadas por regressão são praticamente indistinguíveis na
Figura 2.14.
32
Figura 2.14 - Relação entre potência e irradiância
Niedzialkoski (2012) fez uma avaliação de um sistema FV utilizado para
bombeamento de água através de um experimento onde a eletricidade era gerada por três
painéis policristalinos de 50 Wp cada com inclinação de 35º para o norte geográfico.
Figura 2.15 – Potência elétrica em função da irradiância solar
Irradiância (W/m²)
Fonte: NIEDZIALKOSKI, 2012.
Foi utilizada uma bomba de deslocamento positivo e duas caixas d’água (100 L
cada) compunham um circuito hidráulico fechado, uma delas à 2,50 m elevada em relação a
outra. Um hidrômetro lia o volume de água bombeado diariamente, os dados de irradiância
solar foram obtidos através de um piranômetro e o registro desses dados coletados por um
equipamento de aquisição de dados. Foram utilizados equipamentos de medição para a
obtenção de tensão e corrente e consequente da potência.
33
Na Figura 2.15 é observado que até aproximadamente 450 W/m² a potência
elétrica cresce à medida que os níveis de irradiância aumentam. A partir deste ponto a
potência elétrica se mantém mais estável em relação ao aumento dos níveis de irradiância.
É observado na Figura 2.16 que o volume de água bombeado cresce à medida que
os níveis de irradiância aumentam. O sistema FV de bombeamento só começou a bombear
água quando a irradiância solar incidente atingiu 50 W/m².
Figura 2.16 – Volume de água bombeado em função da irradiância solar.
Verifica-se que o acréscimo na potência elétrica provocou aumento no volume de
água bombeado pelo sistema, conforme Figura 2.17.
Figura 2.17 – Volume de água bombeado em função da potência
34
3. SISTEMA DE IRRIGAÇÃO ACIONADO POR PAINÉIS FOTOVOLTAICOS
Os capítulos anteriores evidenciam a escolha do sistema fotovoltaico (FV) de
bombeamento como tema; cabe a este capítulo apresentar e discutir o experimento
desenvolvido que tem por objetivo atender a irrigação de uma unidade agrícola de
subsistência com acionamento FV. A nível deste projeto, podem-se gerar soluções para
pequenos espaços agrícolas urbanos situados em escolas, quintais, etc., ou contribuir como
alternativa a fim de solucionar questões ambientais e energéticas do semiárido atendendo às
necessidades dos pequenos proprietários rurais.
3.1 Localização do experimento
O projeto descrito neste capitulo (Figura 3.1) foi instalado no Núcleo de Ensino e
Pesquisa em Agricultura Urbana (NEPAU) e desenvolvido através do Laboratório de Energias
Alternativas (LEA) da Universidade Federal do Ceará (UFC). O equipamento está localizado
nas coordenadas UTM (latitude: 3º 44’ 15” S e longitude: 38º 34' 23'' W ), em Fortaleza,
capital do Ceará, cuja irradiação global média anual é de 5,56 kWh/m2.dia (CRESESB).
Figura 3.1 – Unidade experimental desenvolvida
Fonte: o próprio autor, 2014.
35
3.2 Descrição do experimento desenvolvido
O sistema desenvolvido é composto por um conjunto motobomba alimentado
diretamente por um gerador FV com potência de 150 W, a esta estrutura cabe atender a
irrigação de uma unidade agrícola.
Dados de tensão, corrente, pressão e vazão são obtidos através de um sistema de
aquisição e são transmitidos via wifi. O sistema é descrito através de diagrama de blocos na
Figura 3.2. Paralelo a isto um supervisório obtém os valores de irradiância solar (watts por
metro quadrado) diários.
Figura 3.2 – Diagrama de blocos
3.2.1 Área de cultivo e sistema de irrigação
A área de cultivo foi realizada em formato circular. A escolha desse tipo de
topologia se deu pelas suas vantagens para a agricultura de subsistência, como a necessidade
de uma pequena área para sua instalação e a eficiência do uso de água na irrigação.
A estrutura é composta por quatro canteiros concêntricos divididos em deltas,
conforme pode se visto na Figura 3.3. A área útil dos canteiros é de aproximadamente 134,50
m².
36
Figura 3.3- Estrutura e dimensões
= 0,6 ;
= 1 ;
= 1 ; = 9,5 ; = 2 .
Av. Mister H ull
r
D3
D
2
D1
R
N
O
L
S
No centro, o reservatório de água, que pode ser visto na Figura 3.4, possui 2 m de
raio com um perfil cônico e profundidade central de 1,5 m; a capacidade de armazenamento é
o próprio volume do cone, ou seja, 3.5343 m³ ou 3.534,3 litros.
Figura 3.4- Reservatório de água
37
Conforme exposto no capitulo anterior, a escolha do sistema de irrigação leva em
conta a sua viabilidade técnica, econômica e as condições favoráveis ao desenvolvimento das
culturas. Portanto, foi adotado na presente pesquisa o sistema de irrigação localizado,
composto de uma linha principal circundando a borda do tanque de água, quatro linhas de
derivação sendo uma para cada delta e oito linhas laterais, duas para cada delta acionadas
através de válvulas (Figura 3.5).
Figura 3.5- Sistema de irrigação localizado
Cada linha lateral contém três emissores do tipo microaspersor com pressão de
aproximadamente 16 mca. A Figura 3.6 mostra os emissores instalados em funcionamento.
Figura 3.6- Microaspersores
38
3.2.2 Sistema de bombeamento fotovoltaico
Conforme dito anteriormente, e melhor visualizado na Figura 3.7, o sistema é
composto por um conjunto motobomba alimentado diretamente por um gerador FV. O
conjunto motobomba, protegido por chave-bóia, foi instalado sobre uma estrutura de apoio, à
margem do reservatório de água, e enclausurado em uma pequena casa de bombas.
Figura 3.7 - Sistema de bombeamento fotovoltaico
Próximo ao conjunto, sobre um poste, foi posicionado o painel FV; na Figura 3.8
é mostrado este perfil, onde também podem ser vistas as alturas de recalque (Hr) e de sucção
(Hs), a profundidade do reservatório (h) e o percurso do cano de alimentação do sistema de
irrigação.
Verifica-se que a tubulação faz um desvio em direção a uma caixa no poste que
sustenta o painel fotovoltaico, a caixa contém um disjuntor, os sensores e o equipamento de
aquisição e transmissão de dados.
39
Figura 3.8 – Perfil do sistema conjunto motobomba alimentado diretamente por um gerador FV
= 1,5 ;
= 0,5 ; ℎ = 1,5
Hr
Hs
h
3.2.2.1 Painel fotovoltaico
Foi utilizado um único módulo solar de células monocristalinas CSUN 150M com
potência de 150 W, Figura 3.9. A placa possui 1480 mm de comprimento, 670 mm de largura
e pesa 12,5 kg.
Figura 3.9 – Módulo Solar
40
Figura 3.10 – Curva característica do módulo FV
(1000 W/m²; temperatura da célula de 25ºC; AM 1,5)
Fonte: Modificado de Exxa Global, 2014.
Conforme fabricante, o painel possui alto grau de eficiência (18%) e vida útil de
20 anos. A tabela 3.1 e a Figura 3.10 mostram as especificações elétricas do módulo, testadas
nas condições padrões de teste: 1000 W/m², temperatura da célula de 25°C e AM 1,5.
Tabela 3.1 – Características elétricas da placa FV
Potência máxima
Tensão de circuito aberto
Corrente de curto-circuito
Tensão de máxima potência
Corrente de máxima potência
150 W
22,7 V
8,75 A
18,70 V
8,02 A
Fonte: Modificado de Exxa Global, 2014.
3.2.2.2 Conjunto motobomba
Conforme visto no capítulo 2, a escolha de um grupo motobomba leva em
consideração, como principais fatores, a potência requerida para atingir a altura manométrica
necessária, vazão e eficiência. Também foi visto, e comprovado por HAMIDAT;
BENYOUCEF (2008), que bombas do tipo centrífuga são eficazes a pequenas alturas e
grandes vazões, e que bombas de deslocamento positivo são indicadas para pequenas vazões e
grandes alturas manométricas
O valor da altura manométrica do experimento depende dos elementos que estão
na vertical como alturas de recalque e sucção e outros elementos como tubos na horizontal e
conexões são considerados perdas. A fim de garantir que a água chegue até o último emissor
41
de água foi adotada uma bomba de deslocamento positivo do tipo diafragma, ou seja, uma
bomba à alta pressão.
Portanto, foi utilizado no projeto um conjunto motobomba SHURFLO 8000, ver
Figura 3.11, cuja bomba é do tipo deslocamento positivo com três câmaras de diafragma e o
motor de imã permanente funciona a 12 VCC. O motor apresenta assim a vantagem de não
necessitar de conversor/inversor, sendo possível a conexão direta entre motor e painel FV. A
Tabela 3.2 mostra o desempenho típico do grupo motobomba.
Figura 3.11 – Conjunto motobomba
Tabela 3.2 – Desempenho típico SHURFLO 8000
Recalque (m)
Aberto
7,04
14,08
21,12
28,15
35,20
42,25
Litros.hora
Corrente (A)
400
378
354
336
312
294
276
3,1
3,7
4,4
5,1
5,8
6,5
7,2
Fonte: SHURFLO, 2014.
42
3.2.2.3 Aquisição e transmissão de dados
Como descrito anteriormente, a saída do conjunto motobomba faz um desvio para
uma caixa fixada ao poste que sustenta o painel FV. Essa caixa contém elementos que fazem a
aquisição e a transmissão de dados de vazão, pressão e tensão e corrente fornecida ao grupo
motobomba, conforme pode ser visto na Figura 3.12.
Figura 3.12 – Caixa de aquisição de dados
Para a obtenção de valores de vazão, um sensor de fluxo volumétrico SU7000,
detalhe na Figura 3.13, foi interligado à saída do grupo motobomba, fornecendo um sinal de
saída entre 0 e 10 V (ou 4 e 20 mA). Segundo o fabricante, este sensor necessita de uma
alimentação entre 18 e 30 VCC.
Para o monitoramento da pressão, também na saída do grupo motor bomba, um
sensor de pressão PN2024 foi instalado, ver detalhe na Figura 3.14. Semelhantemente ao
sensor de vazão, fornece um sinal de saída entre 0 e 10 V (ou 4 e 20 mA) e necessita de uma
alimentação entre 18 e 30 VCC.
43
Figura 3.13 – Sensor de vazão
Figura 3.14 – Sensor de pressão
Também foram monitorados os valores de tensão e corrente fornecidos pelo
painel FV ao motor que foram obtidos através de um divisor resistivo e um sensor de corrente
respectivamente (Figura 3.15). O divisor resistivo atenua o valor de tensão para que o sistema
de aquisição possa ler esta variável.
Também na Figura 3.15 está representado o sistema de aquisição e transmissão
dos dados. Através da ferramenta SanUSB (GRUPO SANUSB, 2014) o microcontrolar, PIC
18F2550, recebe os dados em sinais de tensão e fornece em suas saídas esses sinais
digitalizados para que possam ser transmitidos em vários meios, como o Bluetooth e o Wifi.
Optou-se pela transmissão via wifi pela facilidade na coleta dos dados, para tanto foi utilizado
o modem RN171-XV ligado às saídas do microcontrolador, conforme Figura 3.16.
Figura 3.15 – Aquisição de dados
Figura 3.16 – Modem Wifi
44
Paralelamente, através de um piranômetro, foram feitas as medições
da irradiância solar. Os valores são coletados através de um sistema supervisório instalado no
LEA, Figura 3.17, que utiliza o controlador lógico programável como protocolo de
comunicação e em seguida, o software ELIPSE é responsável por capturar e armazenar todas
as informações a cada segundo gerando relatórios.
Figura 3.17 – Sistema supervisório
3.2.1.4 Proteção
No desenvolvimento do projeto, foi percebida a necessidade de incorporar alguns
elementos para a proteção do conjunto motobomba, como a válvula de pé e a chave-bóia
elétrica.
Para evitar que o motor trabalhe a vazio, quando o nível de água for insuficiente
no reservatório de água, foi instalada uma chave-bóia elétrica, ver Figura 3.18. A chave-boia
foi ligada em série com o motor-bomba, assim funciona como uma chave abrindo e fechando
o circuito elétrico. Quando a água fica abaixo do nível mínimo, o contato interno é
desconectado, abrindo o circuito e desligando o motor.
A válvula de pé ou de retenção, que pode ser vista na Figura 3.19, é um tipo de
válvula que permite que os fluidos escoem em uma direção, porém, fecha-se automaticamente
para evitar fluxo na direção oposta. Portanto, esse equipamento foi instalado na entrada de
sucção do grupo motobomba, a fim de reter a coluna d’água quando houver paralisação da
bomba, facilitando dessa forma sua reativação.
45
Figura 3.18 – Chave-bóia
Figura 3.19 – Válvula de pé
3.3 Desenvolvimento do plantio
Na presente pesquisa, os dois primeiros círculos foram utilizados para o cultivo
de hortaliças; os canteiros foram ocupados conforme Figura 3.20. A área útil para este plantio
é de aproximadamente 42,46 m², assim não é necessária a ativação de todo o sistema de
irrigação, o número de microaspersores ativos diminui pela metade e a linha lateral passa a ser
a própria linha de derivação.
Figura 3.20 - Área útil para cultivo de hortaliças
46
A cultura desenvolvida nesta etapa foi a do coentro. Esse tipo de cultura necessita
de solo úmido, porém não encharcado, para seu desenvolvimento; portanto, foram
estabelecidas duas irrigações diárias com duração de uma hora cada. O plantio foi feito no dia
6 de agosto de 2014, conforme Figura 3.21.
Figura 3.21 – Plantio em 06/08
Figura 3.22 – Colheita em 19/09
O estado ótimo para a colheita se deu no dia 19 de setembro de 2014, conforme
Figura 3.22. Ao final deste processo, foi realizada a pesagem do produto; assim, foram
obtidos 230 molhos contendo 100 g de coentro cada. O acompanhamento das fases desse
cultivo pode ser visto no apêndice A.
3.4 Análise de resultados
Nesta seção são apresentados os resultados obtidos em função dos testes
realizados e da aplicação do sistema desenvolvido no cultivo do coentro.
Os resultados são apresentados em forma de gráficos e tabelas, onde é analisado o
comportamento do grupo motobomba em relação à variação de carga, o perfil do
comportamento da bomba ao longo do dia bem como as características elétricas do motor em
relação à variação da irradiação. São apresentados os perfis de consumo de água e de energia
elétrica ao longo de um dia e do período total do cultivo do coentro.
47
3.4.1 Comportamento do motor-bomba em função da irradiância
O objetivo dessa subseção é traçar o perfil da vazão oferecida pelo conjunto
motobomba ao longo do dia, relacionando-o com a variação da irradiância.
A Figura 3.23 mostra médias de 10 em 10 minutos das curvas de vazão e
irradiância ao longo do dia 15 de Setembro de 2014, um dia ensolarado. Naquele dia a
irradiação era de 7,14 kWh/m² e conforme o gráfico é verificada pouca variação da vazão,
notadamente no período entre 7:30 e 15:30 hs. O sistema, naquele dia, foi capaz de bombear
em torno de 3250 L de água.
Figura 3.23 – Curvas vazão e irradiância, dia 15/09
9
1200
8
1000
6
800
5
600
4
3
400
Vazão (L/min)
7
2
200
1
0
6:00
7:00
8:00
9:00
0
10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00
Tempo (hh:mm)
Vazão (L/min)
O mesmo gráfico foi levantado em um dia parcialmente nublado (09 de Setembro
de 2014), conforme Figura 3.24. São verificadas reduções abruptas nos níveis de vazão
devido à presença de quantidade significativa de nuvens naquele dia, com irradiação de 4,22
kWh/m². O sistema, naquele dia, foi capaz de bombear em torno de 2500 L de água.
48
Figura 3.24 – Curvas vazão e irradiância, dia 09/09
8
1200
7
1000
800
5
600
4
3
400
Vazão (L/min)
6
2
200
1
0
6:00
7:00
8:00
9:00
0
10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00
Tempo (hh:mm)
Vazão (L/min)
A Figura 3.25 representa a variação da potência elétrica fornecida pelo painel FV
em função da irradiância solar. Verifica-se que até aproximadamente 450 W/m² a potência
cresce à medida que os níveis de irradiância aumentam. A partir desse ponto a potência se
mantém mais estável em relação ao aumento dos níveis de irradiância. A função y representa
a curva de tendência dos dados cujo coeficiente de determinação é igual a 0,9669.
Figura 3.25 – Potência elétrica em função da irradiância solar, dia 15/09
70
60
Potência (W)
50
y = -9E-05x2 + 0.1452x + 2.8743
R² = 0.9669
40
30
20
10
0
0
200
400
600
800
1000
1200
49
A Figura 3.26 relaciona a vazão com a irradiância solar incidente. A vazão cresce
à medida que os níveis de irradiância aumentam. Observa-se também que o inicio do
bombeamento só se dá a partir de 50 W/m². A função y representa a curva de tendência dos
dados cujo coeficiente de determinação é igual a 0,9688.
Figura 3.26 – Vazão em função da irradiância solar, dia 15/09
8
7
Vazão (L/min)
6
y = -1E-05x2 + 0.0185x - 0.1052
R² = 0.9688
5
4
3
2
1
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Figura 3.27 mostra a relação entre vazão e potência entregue pelo painel FV. O
inicio do bombeamento só se dá quando a potência atinge valores em torno de 9 W. A função
y representa a curva de tendência dos dados cujo coeficiente de determinação é igual a
0,9946. Os três últimos gráficos apresentam resultados semelhantes aos encontrados por
NIEDZIALKOSKI (2012).
Figura 3.27 – Vazão em função da potência elétrica, dia 15/09
8
7
Vazão (L/min)
6
5
y = 0.0005x2 + 0.0947x - 0.2738
R² = 0.9946
4
3
2
1
0
0
10
20
30
40
Potência (W)
50
60
70
50
3.4.2 Comportamento do motor-bomba com variação da carga
Os gráficos das Figuras 3.28, 3.29, 3.30 e 3.31 mostram o resultado do estudo
do comportamento do motor ao variar a carga, o estudo foi feito no dia 15 de Agosto de 2014.
A variação é feita com a ativação das linhas de irrigação, conforme Tabela 3.3. Os valores de
carga são dados em metros horizontais.
Tabela 3.3 - Variação de carga
Linhas ativas
1
2
3
4
Carga
20 m
40 m
60 m
80 m
Os gráficos mostram os valores de vazão, pressão e potência do motor para os
quatro casos. Observa-se que o motor exige uma maior potência com o aumento da carga, e
enquanto que a vazão aumenta devido ao aumento do número de micro-aspersores de água a
pressão diminui.
Figura 3.28 – Valores de pressão e potência em função vazão para carga de 20 m
60
50
Potência (W)
40
Pressão (psi)
30
20
10
0
3.5
3.7
3.9
4.1
Vazão (L/min)
4.3
4.5
51
60
50
40
Potência (W)
30
Pressão (psi)
20
10
0
6.65
6.7
6.75
6.8
6.85
6.9
6.95
7
7.05
7.1
7.15
Vazão (L/min)
60
50
40
Potência (W)
30
Pressão (psi)
20
10
0
7
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
Vazão (L/min)
7.6
7.7
7.8
52
80
70
60
50
Potência (W)
40
Pressão (psi)
30
20
10
0
7.6
7.7
7.8
7.9
8
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
Vazão (L/min)
A pequena variação na vazão de cada caso isolado, por exemplo, na Figura
3.28, de 3,5 a 4,5 L/min, se dá devido à variação da irradiância no instante em que foram
coletados os dados; valores médios de vazão, pressão, potência FV em função da carga são
listados na Tabela 3.4.
Tabela 3.4 – Valores médios de vazão, pressão e potência FV em função da carga
Carga (m)
Vazão (L/min)
Pressão (psi)
Potência (W)
20
40
60
80
3,96
7,03
7,69
8,12
22,77
17,03
10,66
6,28
46,59
52,77
54,40
61,88
3.4.3 Consumo do sistema de irrigação
Nesta subseção são expostos os perfis de consumo de água e de energia
disponível no período do cultivo do coentro.
Figura 3.32 representa o padrão de consumo de água diário, onde se observa
dois períodos de irrigação (com duração de uma hora cada) com vazão média entre 6 e 7
L/minuto. Esse estudo foi feito no dia 18 de Agosto de 2014, cuja irradiação era de 6,96
kWh/m².
53
Figura 3.32 – Perfil do consumo de água diário do sistema, em 18/08.
9
1200
8
1000
800
Vazão (L/min)
6
5
600
4
3
400
7
2
200
1
0
6:00
6:21
6:42
7:03
7:24
7:45
8:06
8:27
8:48
9:09
9:30
9:51
10:12
10:33
10:54
11:15
11:36
11:57
12:18
12:39
13:00
13:21
13:42
14:03
14:24
14:45
15:06
15:27
15:48
16:09
16:30
16:51
0
Tempo (hh:mm)
Vazão (L/min)
A Figura 3.33 mostra o volume de água consumido e a irradiação disponível
dia a dia durante o período do cultivo do coentro.
Figura 3.33 – Perfis do consumo de água e da irradiação no período de cultivo.
900
8
800
7
600
5
500
4
400
3
300
2
200
Dias (dd/mm)
Volume
(L/min)
Volume
(L)
Radiação
(KWh/m²)
Irradiação
(kWh/m²)
15/9
13/9
11/9
9/9
7/9
5/9
3/9
1/9
30/8
28/8
26/8
24/8
22/8
20/8
18/8
16/8
14/8
0
12/8
0
10/8
1
8/8
100
Irradiação (KWh/m²)
6
6/8
Volume (L)
700
54
Observa-se que o volume de água acompanha os níveis de irradiação. Foi
consumida uma média de 5200 litros de água por semana, assim, ao longo dessas seis
semanas foram utilizados na irrigação do coentro em torno de 31200 litros de água.
Segundo CARNEIRO (2009), a energia produzida durante um dia por módulos
FV é obtida a partir da seguinte expressão:
=
#
%. &'á) (1)
$
! . "
Onde:
é energia produzida por módulos ao longo de um dia, em kWh;
!
é o fator de correção de temperatura;
Ir é o valor de irradiação solar incidente, em kWh/m²;
G é o valor de irradiância incidente de referência, 1000 W/m²;
&'á) é a potência máxima do painel solar, em W.
Sendo que
!
= [1 − 0,005 x (T- 25º C)], onde T é a temperatura média do
painel ao longo do dia.
A média diária de irradiação obtida, conforme pode ser visto na Figura 3.33, é
de 6,5 kWh/m²; a temperatura média do módulo solar, medida em laboratório durante o
período de cultivo, foi de 43º C; e, segundo o fabricante, a potência máxima do painel
utilizado é de 150 W. De posse destes dados e da equação (1), obtém-se que a energia diária
disponível era de 0,887 kWh.
A energia consumida pelo motor foi obtida através das medições de tensão e
corrente durante um intervalo de tempo, conforme seção 3.2.2.3.
A Tabela 3.5 mostra as médias diárias de energia disponível e consumo de
água e energia do sistema.
Tabela 3.5 – Médias diárias
Volume de água consumido
Irradiação
Energia disponível
Energia consumida
750 L
6,5 kWh/m²
0,887 kWh
0,09 kWh
55
4. CONCLUSÃO
O potencial de utilização da tecnologia FV se mostrou relevante na irrigação de
pequenas unidades agrícolas de subsistência. Com a realização da presente monografia foi
possível constatar que o sistema de bombeamento FV é tecnicamente viável.
O uso dessa tecnologia apresenta uma característica muito favorável, a associação
perfeita entre a fonte energética, a irradiação solar e a necessidade de água. Uma região seca,
como a que foi implantada o experimento desenvolvido, possui altos níveis de irradiância, e
em épocas que esses níveis diminuem a necessidade de água se mostra menor, pois o solo
permanece úmido por mais tempo devido à ocorrência de chuvas.
Constatou-se que à medida que o nível de irradiância aumenta, há um acréscimo
tanto no volume de água bombeado quanto na potência elétrica gerada, até o limite de
irradiância de 450 W/m² a partir daí estes valores passam a ser estáveis; e que ao aumentar a
carga o motor exige uma maior potência de alimentação.
Ao fazer um balanço sobre o consumo de água e energia no desenvolvimento do
cultivo do coentro, verificou-se que eram utilizados diariamente 750 L de água com um
consumo de energia 0,09 kWh, porém com a eletricidade gerada diariamente seria possível
bombear um volume de água bem maior, em torno de 3250 L em um dia ensolarado, pois a
geração média diária era de 0,887 kWh . Portanto, o sistema se mostra apto a atender a outras
culturas que, diferentemente do coentro, exijam uma maior quantidade de água.
Como possíveis trabalhos futuros que podem ser realizados nesta área de estudo,
podem-se citar os seguintes:
a) Fazer uma análise financeira. Confrontar custos do sistema de bombeamento
FV com o uso de um sistema de bombeamento convencional elétrico, como o
hidráulico no Brasil. Essa comparação deve levar em conta não apenas o
investimento inicial, mas também os gastos de operação e manutenção e
também as características específicas do local;
b) Automatização do sistema de irrigação. Acionamento da motobomba a partir
do monitoramento da umidade do solo;
c) Estudo sobre formas de utilização ou armazenamento da energia solar
produzida quando não estiver sendo usada na irrigação.
56
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Minho, 2009.
59
APÊNDICE A - ACOMPANHAMENTO DO CULTIVO DO COENTRO
Figura A.1 – Plantio do coentro em 06/08
Figura A.2 – Estagio inicial em 15/08
Fonte: o próprio autor, 2014
Figura A.3 – Estágio inicial em 21/08
Figura A.4 – Seleção de mudas em 22/08
60
Figura A.5 – Estágio intermediário em 03/09
Figura A.7 – Estágio final em 15/09
Figura A.6 – Estágio intermediário em 08/09
Figura A.8 – Colheita em 19/09
61
APÊNDICE B – MATERIAIS UTILIZADOS
Tabela B.1 – Materiais Elétricos
ITEM
LISTA DE MATERIAIS
DESCRIÇÃO
QUANT.
CSUN 150M
Módulo fotovoltaico 150 W
1
Shurflo 8000443-136
Motobomba de deslocamento
des
positivo, 12 VCC
1
Chave de nível
MG
Chave de nível inferior tipo bóia,
15 A/250 V.
1
IFM SU8000
Sensor de vazão
1
IFM PN3007
Sensor de pressão
1
Disjuntor
Alumbra
Disjuntor termomagnético
tripolar, 20 A
1
PIC 18F2550
Placa SanUSB
SanUS PIC 18F2550
1
Wifly Rn171xv
Modem wifi
1
ACS712
Sensor de corrente, 5A
1
Divisor de
tensão
Placa genérica de divisor de
tensão
1
Fonte
Fonte de tensão 12 V - 5 V
1
IMAGEM
62
Tabela B.2 – Material Hidraúlico
ITEM
LISTA DE MATERIAIS
DESCRIÇÃO
QUANT.
Emissor
Microaspersor bailarina, pressão de 25
mca e vazão de 0,02L/s
24
Registro
Registro para bloqueio de vazão, bitola de
1"
4
Joelho
Joelho interno duplo, bitola de 1/2"
16
Tê
Tê PVC soldável com bucha de latão, 1/2"
1
Joelho
Joelho
elho PVC 90º soldável, 1"
11
Luva
Luva PVC soldável, 1"
4
Luva
Luva PVC soldável, 1/2"
2
Redução
Redução PVC soldável, 1" - 1/2"
2
Adaptador
Adaptador rosca soldável, 1/2"
2
Tê
Tê PVC soldável, 1"
6
Tubo
Tubo PVC soldável, 1/2"
-
Tubo
Tubo agropecuário PVC, 1"
-
IMAGEM
63
Tabela B.2 (continuação) – Material Hidraúlico
ITEM
LISTA DE MATERIAIS
DESCRIÇÃO
QUANT.
Tubo
Tubo agropecuário PE, 1/2"
-
Mangueira
Em borracha, 1"
-
Abraçadeira
Abraçadeira metálica para tubos
37
Valvula de
retenção
Válvula de pé metálica, 1/2"
1
Adaptador
Adaptador metálico, 1/2"
1
IMAGEM
64
APÊNDICE C - CÁLCULO SIMPLIFICADO DA DEMANDA HÍDRICA
A metodologia a seguir é uma versão simplificada da demanda hídrica a ser
aplicada ao dimensionamento de um sistema de irrigação fotovoltaica (MORALES, 2011).
A evapotranspiração da cultura de interesse é estimada por (C.1).
./0 = ET3 xK 6
(C.1)
Onde,
ET3 é evapotranspiração de referencia (mm/unidade de tempo);
K 6 é o coeficiente de cultura.
O valor de ET3 pode ser obtido através de vários métodos, entre eles a evaporação
do tanque classe A. Já o K 6 é estimado através de (C.1). A Tabela C.1 mostra valores de ./0
obtidos de forma experimental para a cultura do coentro.
C.1 Valores da ETpc (mm/dia) e Kc do coentro.
Balanço hídrico
Kc
ETpc
Inicial
0,82
3,9
Desenvolvimento
1,03
4,7
Médio
1,07
5,1
Final
0,93
4,7
Média
0,96
4,6
Fonte: SILVA; TAVARES, 2013.
Fases do coentro
O valor da necessidade de irrigação liquida, em mm/d, é dada conforme a equação
(C.2), em que Pe é a precipitação efetiva.
7#8 = ./0 − &9
(C.2)
O consumo mensal, em m³/mês, é obtido através da equação (C.3).
(C.3)
65
Em que,
A é a área irrigada por hectares;
NIL é a necessidade de irrigação líquida, (mm/mês);
Ei é a eficiência da irrigação.
A eficiência de irrigação varia entre 75 – 90% para microasperssão, para
gotejamento entre 85 – 90% e para tubos perfurados entre 65 – 80% (Pozzebon, 2003).
66
APÊNDICE D - DIMENSIONAMENTO HIDRÁULICO DO SISTEMA IRRIGAÇÃO
O dimensionamento a seguir é específico para irrigação localizada por
microaspersão, cujo esquema de instalação convencional é dado pela Figura D.1.
Figura D.1 – Esquema de instalação de um sistema de irrigação localizada
Fonte: MELLO; SILVA, 2007.
O critério para dimensionamento de uma linha lateral é que a variação de vazão
entre o primeiro e o último microaspersor não poderá ser maior que 10%. Para essa condição,
a perda de carga ao longo da linha lateral não poderá exceder à 20% da pressão de serviço do
gotejador (MELLO; SILVA, 2007).
As perdas das linhas laterais (em mca) são obtidas a partir da equação de HazenWilliams em (D.1).
=
ℎ:;; = 10,64. ( ?> )
,@A
Onde,
Q: vazão da linha;
C: coeficiente de rugosidade, 140;
L: comprimento da linha;
D: diâmetro da linha;
. (8?
,@B ).F
(D.1)
67
F: fator de Christiansen.
O fator de Christiansen depende do número de microaspersores da linha lateral, N,
e do expoente da vazão na equação de Hazen-Williams (m=1,852). Isto pode ser visto na
equação (D.2):
(D.2)
A pressão no inicio da linha lateral, & C;; em mca, é dada pela equação (D.3):
& C;; = &D + 0,75ℎ:;; + 0,4 7;;
(D.3)
Onde,
PS: pressão no microaspersor;
ℎ:;; : perdas na linha lateral;
7;; : diferença de nível da linha lateral;
O critério de dimensionamento de uma linha de derivação é que o limite das
perdas na linha lateral somado ao limite na linha de derivação não poderá ultrapassar a 30%
da pressão do microaspersor. Caso, no dimensionamento, seja utilizado um limite de hf
inferior a 20% na linha lateral, esta diferença deverá ser transferida para a linha de derivação,
de tal sorte que, a soma entre os dois limites não ultrapasse 30% da pressão do microaspersor
(MELLO; SILVA, 2007).
As perdas das linhas de derivação (em mca) também são obtidas conforme
equação (D.1).
A pressão no inicio da linha de derivação é dada por (D.4):
& C; = & C;; + ℎ:; + 7;
Onde,
& C;; , pressão no inicio da linha lateral;
ℎ:; : perdas na linha de derivação;
(D.4)
68
7; : diferença de nível da linha de derivação;
As perdas da linha principal são dadas também pela equação (D.1). Deve-se
considerar que a velocidade média nos diferentes trechos da linha principal deve se situar
entre 1,0 e 2,5 m/s. Para determinar a velocidade média, calcula-se a perda de carga unitária,
conforme equação (D.5), pela equação de Hazen-Williams, ou seja:
(D.5)
Assim, calcula-se a velocidade conforme (D.6):
G = 0,355I>I
J,K
ILJ,A
(D.6)
De posse de todos esses dados é possível calcular a altura manométrica em (D.7).
Com a altura manométrica é possível calcular a energia necessária para alimentar o sistema de
bombeamento de água, bem como dimensionar o conjunto motobomba. O fator 1,05 equivale
às perdas de carga localizadas, ou seja, consideram-se essas perdas como sendo 5% de todas
as outras.
'
=(
M +
+ ℎ:M + +ℎ:;/ + ℎ:00 + & C; )I1,05
(D.6)
ℎN;/ : perda de carga na linha principal, em (mca);
ℎ:M : perda na sucção, em (mca);
: altura de recalque, em (m);
M:
altura de sucção, em (m);
& C; : pressão no inicio da linha de derivação, em (mca);
ℎ:00 : perdas no cabeçal de controle, em (mca) (informação dada pelo fabricante).
69
APÊNDICE E - DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE GERAÇÃO E GRUPO
MOTOBOMBA
Para dimensionar sistemas de bombeamento fotovoltaico são necessárias as
seguintes variáveis: altura manométrica e vazão, além do recurso solar. De posse desses dados
é possível identificar a motobomba mais adequada e a potência necessária para o painel
fotovoltaico.
De posse da vazão e da altura manométrica total, em metros, a energia hídrica
mínima necessária para o bombeamento,
O,
é dada, em Wh/dia, pela equação (E.1)
(CRESESB, 2014).
(E.1)
Onde,
g é a aceleração da gravidade (m/s²);
P é a massa específica da água (1.000 kg/m³);
'
é a altura manométrica total (m);
= é a vazão (m³/dia).
A energia elétrica diária necessária,
QR
em Sℎ/
, para o processo de
bombeamento, em Wh, é obtida entre a eficiência da energia hidráulica e a eficiência do
conjunto motobomba (T), como mostra a equação (E.2) (CRESESB, 2014).
(E.2)
Por fim, a potência do gerador fotovoltaico (&UV ), em Wp, é calculada a partir da
equação (E.3), considerando-se o número de horas de sol pleno (HSP em h/dia) médio anual
de irradiação no plano do gerador (CRESESB, 2014).
(E.3)
70
O número HSP é a quantidade de horas em que a irradiância deve permanecer
constante e igual a 1 kW/m², de forma que a energia resultante seja equivalente à energia
disponibilizada pelo sol no local em questão, acumulada ao longo de todo o dia
O próximo passo é a escolha dos equipamentos a serem utilizados. O método de
dimensionamento pode ser confirmado através de gráficos fornecidos pelos fabricantes.
Tomando como exemplo o gráfico da Figura E.1 é possível fazer a confirmação, de posse da
vazão em m³/dia e da altura manométrica em metros.
Figura E.1: Exemplo de gráfico fornecido por fabricante para determinação de potência módulo FV
Fonte: Grundfus, 2014.
O dimensionamento da motobomba é feito através do calculo da potência elétrica
demandada pelo sistema, em cv, que pode ser obtida através da equação (E.4) (NEGRISOLI,
1987).
(E.4)
Onde,
TW é o rendimento da bomba;
T' o rendimento do motor;
P é a massa específica da água (1.000 kg/m³);
71
'
é a altura manométrica total (m);
= é a vazão (m³/dia).
Portanto, deve-se escolher uma bomba com valor comercial superior ao calculado.
Tomando como exemplo o gráfico da Figura E.2 é possível confirmar o dimensionamento, de
posse da vazão em m³/dia e da altura manométrica em mca.
Figura E.2: Exemplo de gráfico fornecido por fabricante para determinação de potência do motor-bomba
Fonte: Schneider Electric, 2014
72
ANEXO A – CATÁLOGOS TÉCNICOS DOS PRINCIPAIS EQUIPAMENTOS
73
74
75

MARYSOL LILIAN DE ARAÚJO SOUSA - DEE

Transcrição

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