sistema de bombeamento de água com energia solar

SISTEMA DE BOMBEAMENTO DE ÁGUA COM ENERGIA SOLAR
FOTOVOLTAICA UTILIZANDO MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO
EDUARDO HENRIQUE PEREIRA DE ANDRADE¹
LUIZ DANIEL SANTOS BEZERRA²
FERNANDO LUIZ MARCELO ANTUNES³
MANUEL RANGEL BORGES NETO4
Eng. Mestrando do PPGEE-DEE Universidade Federal do Ceará
Eng Mestrando do PPGEE-DEE Universidade Federal do Ceará
3
Professor PHD do PPGEE-DEE Universidade Federal do Ceará
4
Professor Msc do Centro Federal de Educação Tecnológica de Petrolina
1
2
Resumo. Um dos maiores problemas enfrentados pelas pessoas que habitam localidades remotas
e isoladas não abastecidas por energia elétrica, com certeza é o acesso à água potável. No
mundo mais de 6000 crianças morrem diariamente, por algum tipo de doença ligada ao consumo
de água poluída (WHO,2003). No estado do Ceará em períodos de seca os pequenos
reservatórios se transformam em verdadeiros bolsões de lama, e com a falta de água pessoas e
animais são levadas a consumir essa água totalmente inadequada. Para minimizar o problema,
nesses períodos a água é distribuída em caminhões pipas, entretanto, essa água também tem a
qualidade duvidosa. As fontes subterrâneas apresentam-se como uma boa solução para o
problema. Porém a técnica mais utilizada para obtenção dessa água é o bombeamento utilizando
motobombas com alimentação em corrente contínua (CC) por painel fotovoltaico. É uma técnica
muito cara e quase não permite manutenção. Esse artigo apresenta uma forma economicamente
viável e sustentável para bombeamento de água, utilizando um motor de indução trifásico
acoplado a uma bomba centrífuga submersa alimentada por energia solar fotovoltaica.
Abstract. One of the main difficulties to people who live in remote areas or isolated community
and not grid connected, certainly is to access potable drink water. In the world, more than 6000
children dies everyday by some kind of illnesses associated to non-potable drink water. At state of
Ceara, during the dry weather periods, remain water reservoir becomes practically a mud puddle,
as a result, people and animals are forced to drink this impropriated water. To minimize this
consequences in this periods some water is distributed by tankers but, sometimes, even this water
is not enough potable. Underground water is an alternative to mitigate this problem. The most
common technique is the use of direct current (DC) pumps set supplied by solar photovoltaic
systems. However, this kind of pump-set is relatively expensive and too hard to maintain. This
paper brings an alternative lower expensive and sustainable to water pumping system, it uses a
three phase induction machine coupled to an underwater centrifugal pump supplied by solar
photovoltaic energy system.
1.0 Introdução
O sistema de bombeamento de água suprido por energia solar fotovoltaica(SFV) começou a ser
utilizado a partir de 1977 em vários países do mundo principalmente na África, Ásia e América do
Sul. Estes sistemas, funcionando a mais de três décadas bombeando água potável em poços com
profundidades até 120 m, utilizam bombas CC. No Brasil as primeiras experiências com sistema
de bombeamento utilizando energia solar fotovoltaica datam do início da década de 80. No estado
do Ceará esses sistemas foram implantados a partir de 1990, financiados por programas
governamentais, visando a redução da fome e da pobreza nas áreas isoladas. Infelizmente quase
duas décadas após a implantação, mais de 60% desses sistemas estão desativados (SRH
SOHIDRA, 2001), e sendo substituídos gradativamente por cata-ventos. Dentre os principais
motivos que levam a desativação dos sistemas de bombeamento a energia solar pode-se citar:
1) A comunidade é beneficiada com a implantação de uma rede de Energia Elétrica.
2) O alto custo e dificuldade na manutenção, por tratar-se de produtos importados.
3) O desinteresse da comunidade em manter o sistema funcionando.
4) O despreparo da comunidade no manejo que nova tecnologia exige.
2.0 Potência Hidráulica
PH ( W ), necessária para bombear água é uma função da altura
manométrica total H T ( m ), da vazão Q ( m3 / h ), da aceleração da gravidade g ( m / s 2 ) e da
densidade da água ρ ( kg / m3 ) ; conforme indica as equações (1) e (2) (NAVARTE&LORENZO,
A Potência hidráulica,
2001).
A potência elétrica,
Onde
PH = g .Q.ρ .H T
PH = 2, 725.Q.H T
PE (W ) fornecida ao conjunto moto-bomba é dada pela equação (3),
PE = PH / η MB
(1)
(2)
(3)
η MB , é o rendimento do conjunto moto-bomba.
Esse trabalho utiliza uma vazão de 1,5 m3 / h , uma altura manométrica até 50 m e o rendimento
do conjunto moto bomba de 65%. Logo,
PE = PH / η MB = 2,725. 1,5.50/0,65 = 315W ou 0,5 CV (valor comercial)
O volume bombeado é dado pela equação (4)
t2
Volume bombeado =
∫ Qdt
(4)
t1
3.0 Sistema Proposto
Propõe-se neste artigo uma alternativa de um sistema de Bombeamento utilizando energia Solar
Fotovoltaica, que busca a viabilidade e sustentabilidade de operação, particularmente no Estado
do Ceará, dentro das condições de clima e da qualidade da água.
No estado do Ceará o clima é bastante favorável, uma vez que, a irradiação solar média atinge 5,5
kWh/m²dia, durante 3 mil a 4 mil horas/ano (BRASIL,2006), com relação a água, há uma
predominância de fontes salobras. A água mais profunda apresenta uma melhor qualidade,
entretanto por razões de viabilidade financeira essa água é pouco explorada, restando apenas
capta-la através de poços que variam até 80m.
Buscou-se um sistema que opere entre 15 m e 63 m e vazões de 600 L/h a 4.000 L/h, sem o uso
de baterias, o que reduz bastante uma fonte de problemas operacionais e de reposição. Como o
painel fotovoltaico, que praticamente não demandam manutenção, restam somente dispositivos
eletrônicos de potência e moto-bombas como possíveis elementos de falhas.
Com relação aos dispositivos eletrônicos houve, na última década, um grande avanço na
eletrônica de potência, proporcionando maior confiabilidade aos equipamentos processadores de
energia, e consequentemente reduzindo os preços de forma considerável. Hoje apenas a motobomba apresenta-se como componente crítico em um sistema de bombeamento e chega a ser
responsável por mais da metade dos problemas apresentados em sistemas de bombeamento com
energia solar fotovoltaica, conforme pode ser verificado na figura 01(PRODEEM, 2001).
O sistema proposto nesse artigo usa uma bomba submersa centrífuga multiestágio acionada por
um motor de indução trifásico, este por sua vez acionado por um conversor CC-CA e um painel
fotovoltaico (figura 02).
Figura 01 – Incidência percentual de defeitos em (BSFV)
Figura 02 – Sistema de Bombeamento Proposto
3.1 Bomba Centrífuga Submersa
A bomba centrífuga submersa, responsável pela elevação da água do poço profundo até a
superfície, possui 07 estágios, com os impulsores em Policarbonato e Noryl; difusores em Noryl;
corpos difusores e eixo em aço inox; válvula de retenção em Noryl borracha nitrílica e aço inox;
bocais em termoplástico com reforço em fibra de vidro com vazões de 600 L/h a 4.000 L/h,
operando até 63m de altura monométrica. Possui seu revestimento em aço inox e os componentes
móveis são projetados para suportar a agressividade provocada pela água com a faixa de PH 6 a
9 e a resistência da areia 50 g/m³, o modelo da bomba utilizada é da série SPP-TSR, modelo
TSR07, fabricada no próprio Estado do Ceará.
3.2 Motor de Indução Trifásico
A maioria das aplicações com bombeamento de água através de energia solar fotovoltaica, utiliza
o motor CC, para acionar bombas submersas, existe pouca literatura descrevendo essa utilização
com motor de indução. A bomba acionada por motor CC é em geral importada e em função de seu
custo e dificuldades de peças de reposição acaba por tornar-se praticamente descartável.
O motor de indução gaiola de esquilo, por sua vez, é robusto, praticamente sem pontos críticos
para defeito, opera bem em uma larga faixa de velocidade, e possui uma relação de torque
excelente para aplicações em bombeamento de água.
O motor de indução utilizado para acionar a bomba é da série de motores submersos MDS, em
aço inox totalmente blindado, IP 68, classe de isolação F e resfriado com óleo refrigerante
(atóxico) e permite rebobinamento, fabricado pela DANCOR, no próprio Estado do Ceará.
O conjunto motor bomba versão monofásica e trifásica estão mostrados na Figura 03, o motor de
indução proposto nesse trabalho é o Modelo MDS ½ trifásico, Potência 0,5 CV ou 370 W,
Alimentação 380/220V e Velocidade Nominal 3.450 RPM, sendo o mesmo capaz de acionar uma
bomba da série SPP-TSR de 07 estágios.
Figura 03 – Conjunto Moto-bomba Submersa DANCOR - MDS SPP-TSR
No entanto, são citadas como desvantagens do motor de indução na utilização em Sistemas
Fotovoltaicos: baixa tolerância à variações na tensão de alimentação quando em plena carga,
incompatibilidade com as tensões produzidas pelo painel fotovoltaico e por fim as correntes de
partida deste tipo de máquina podem chegar a várias vezes o valor da corrente nominal, o que
exigiria portanto um sobredimensionamento dos painéis fotovoltaicos.
Porém nas últimas duas décadas, com o avanço e a redução de custos na eletrônica de potência,
essas desvantagens foram contornadas com o uso de conversores CC-CA.
3.3 Conversor CC-CA Trifásico Com Transformador
Sua função é converter o nível de tensão CC na saída do painel fotovoltaico em tensão CA para
alimentar o motor. O mesmo foi desenvolvido em bancada especialmente para esse propósito.
O Conversor CC-CA resolve o problema da incompatibilidade da alimentação, mas se houver um
afundamento repentino na tensão em função de algum sombreamento no painel fotovoltaico, esse
afundamento será refletido na saída do inversor que será sentido pelo motor, como o sistema não
possui baterias para estabilizar a saída, toda variação na entrada será refletida no motor.
A solução para esse problema é utilizar um Conversor CC-CA SPWM com controle escalar VVVF,
ou seja, a freqüência e o valor eficaz da tensão de alimentação acompanham a variação da tensão
na entrada. Com isso o motor operará em qualquer nível de tensão na entrada mantendo o fluxo
no entreferro constante. Como o Conversor CC-CA na sua concepção é um dispositivo Soft-Start a
corrente de partida será minimizada.
O Conversor CC-CA utilizado no sistema proposto nesse trabalho, mostrado na figura 04, foi
projetado e desenvolvido em bancada para essa finalidade. O mesmo varia a tensão eficaz de
saída de 0 a 260V e a freqüência de 0 a 60Hz, processando uma potência de 1,5kW. Seu
Controle baseia-se no Microcontrolador PIC18F452, o driver para o estágio de potência é um
IR21362. O estágio de potência é feito através de chaves semicondutoras MOSFET IRFP90N20D.
Figura 04 – Conversor CC-CA desenvolvido
3.3.1 Conversores CC-CA trifásicos
O conversor CC/CA trifásico de tensão, com forma de onda retangular na saída, é uma das
estruturas mais empregadas na indústria, é normalmente aplicado em altas potências. Sua
popularidade deve-se em principio pelo fato de ser um eficiente meio de se obter tensões trifásicas
com freqüência controlável (DENIZAR & BARBI, 2005).
A estrutura básica do inversor trifásico de tensão é apresentada na figura 05. Para cargas
indutivas faz-se necessário a adição de seis diodos colocados em antiparalelo com cada chave
comandada, gerando um interruptor bidirecional em corrente, que permite a circulação de corrente
durante a abertura das chaves. Esses diodos desempenham o papel de roda-livre para a
circulação de corrente da carga.
Figura 05 - Topologia do Conversor CC-CA trifásico tipo fonte de tensão.
Em geral, quando se emprega um conversor CC-CA de tensão, deseja-se controlar ou regular a
tensão nos terminais da carga. No primeiro caso, pode-se citar a titulo de exemplo a alimentação
de uma máquina de corrente alternada, onde ao se variar a freqüência para ajuste da velocidade
deve-se também variar a tensão de modo a manter constante o fluxo no entreferro.
3.3.2 Técnicas de modulação;
Pode-se dizer que o controle da tensão de saída através das técnicas de modulação ou
defasagem é efetuado por meio do ajuste do intervalo de condução das chaves estáticas
controladas, em relação ao período de comutação. Por esta razão utiliza-se genericamente o
termo modulação por largura de pulso (PWM) para a maioria dos controles da tensão realizados
dentro do circuito inversor (RASHID, 2001).
Entre as diversas técnicas disponíveis (Controle por defasagem, largura de pulsos múltiplos e
iguais entre si, modulação por largura de pulsos selecionados, etc), a técnica mais simples e de
fácil execução com baixos índices de conteúdo harmônico, e reduzido fator de distorção é a
modulação PWM senoidal (SPWM). Para produzir tensão sobre a carga com defasagens de 120º
são injetados três sinais modulantes defasados de 120º (Vca, Vcb, Vcc) de modo obter a completa
vantagem da modulação PWM.
De forma a analisar o conversor trifásico dentro da região de operação linear ( M
obter a tensão eficaz entre os terminais a-b de saída do conversor (equação 5).
vˆab1 = M 3
vi
; 0< M ≤ 1
2
≤ 1 ) é possível
(5)
Isto implica que, ao se pretender utilizar uma carga que nominalmente seja suprida a 220Vac de
tensão entre fases, e com um índice de modulação M = 0.9, a tensão CC do barramento deverá
ser dada pela equação 6:
2⋅
220Vac
= 282, 26Vcc
0.9 3
(6)
A equação 6 garante a melhor opção de seleção de tensão de barramento, dado uma determinada
faixa de tensão do barramento e um determinado valor máximo do índice de modulação utilizado.
3.3.3 Controle Escalar VVF
Para a análise do controle escalar, é utilizado o modelo do circuito equivalente do motor de
indução representado na figura 06.
Figura 06 - Circuito equivalente em estado permanente de uma máquina de indução.
Através de uma análise matemática e física, é possível mostrar que o fluxo no entreferro do
estator é dado pela equação 7 (KRAUSE et al, 1986).
V1 ≈ E1 = 2π f1λ m
(7)
Onde V1 é a tensão de entrada, E1 é a tensão induzida no estator, considerando a impedância no
estator muito pequena, é possível realizar a aproximação na equação 7, f1 é a freqüência da rede
e λm é o fluxo concatenado no entreferro. Através da modulação SPWM a freqüência das tensões
que o motor recebe pode ser facilmente ajustada.
3.3.4 Controle utilizando o microcontrolador PIC18F452;
Para elevar a tensão oriunda dos painéis fotovoltaicos para o nível de tensão exigido pelo motor.
Podem ser por meio de um conversor CC/CC Boost de alto ganho ou a utilização um
transformador elevador.
A opção de utilização de conversores CC/CC é bastante eficiente, porém aumenta muito a
complexidade do controle, já que é necessário incorporar circuitos adicionais de monitoração e
controle. Nesse trabalho optou-se pela utilização de um transformador trifásico elevador, o que
simplificou bastante o circuito final, esquematizado na figura 07.
Vc c +
+
Co+
S1
D1
S3
D3
S5
D5
ioa
a
Módulos
Fotovoltaicos
Lap
Las
Lbp
Lbs
Lc p
Lc s
M
b
Motor de Indução
+
Co-
S4
Vc c -
D4
S6
S1 S4
D6
S3 S6
S2
D2
Transformador
S5 S2
Driver – IR21362
Tensão
dos painéis.
Isolação óptica
Divisor de
Tensão
PIC18F452
Figura 07 - Configuração proposta utilizando transformador isolador trifásico.
A implantação do controle escalar VVVF senoidal é totalmente realizada através de algoritmos
programados diretamente no micro-controlador PIC18F452. Na figura 8 tem-se a curva
característica da relação de tensão por freqüência desejada para que o controle VVVF seja
aplicado na máquina de indução:
Índice de Tensão
modulação eficaz
M
(Volts)
M=1
220Vrms
M=0,5
110Vrms
30Hz
60Hz
Freqüência (Hz)
Figura 8 - Curva característica de tensão x freqüência desejada.
Observa-se, através da equação 8, que a relação E 1/f1 é mantida constante, aplicando a curva
característica apresentada na figura 10.
E1 220Vrms 110Vrms
=
=
= 3, 67 V
= 2π λ m
Hz
f1
60 Hz
30 Hz
(8)
Esta curva característica de operação do controle VVVF é o ponto de partida para o
desenvolvimento dos algoritmos que são responsáveis pelo controle escalar da máquina elétrica.
Através do índice de modulação variável, introduzido na equação 8, é possível relacionar uma
tensão máxima e um valor máximo para este índice, e através de uma variação deste, haverá
proporcionalmente uma variação da tensão eficaz na saída do inversor trifásico. Considerando que
M = 1 representa a tensão máxima que o inversor é capaz de suprir a 60 Hz
3.3.5
Aplicação do Driver Trifásico
O IR 21362 é um driver trifásico acionador de chaves semicondutoras, como CMOS e IGBT, tem
como função garantir o interfaceamento dos sinais de controle originados do PIC e os gatilhos das
chaves semicondutoras, além de prover as 06 fontes de alimentação independentes dos gatilhos
cada chave.
3.4
O Painel Fotovoltaico
A fim de obter o valor da potência solicitada pela carga, o processo de dimensionamento costuma
acontecer em um ambiente de muita incerteza, tanto da demanda de água, quanto das
características do poço e da irradiância solar. Um método simplificado propõe uma simples
fórmula aritmética que pode ser usada para determinar o valor aproximado da potência nominal do
Painel fotovoltaico conforme equação 9 (HAHN,1995).
PNOM = 11, 6.H T .QDIA / I
Onde:
(9)
PNOM = Potência nominal do arranjo fotovoltaico ( WP ), H T = Altura Manométrica total( m ),
QDIA = Vazão diária ( m3 / dia ), I = Irradiação solar média( kWh / m 2 .dia ).
Considerando a vazão diária do sistema proposto de 6 m3 / dia , altura manométrica total de 63 m
, a irradiação média anual, registrada no Ceará é em torno de 5,0 kWh/m 2dia (BRASIL,2006),
obtém-se que PNOM = 877 WP
O painel fotovoltaico é formado a partir de modulos de Silício Policristalino de 75 Wp, Tensão a
plena carga de 16 V e corrente a Plena Carga de 4,9 A. Deve-se levar em conta, que a potência
declarada pelos fabricantes de painéis fotovoltaicos, considera o painel operando sob as
condições padrões de operação, ou seja, AM 1,5, irradiância 1 kW / m 2 e temperatura da célula
fotovoltaica 25 0 C , portanto, para efeito prático foi considerado 80% da potência declarada pelo
fabricante, logo o valor aproximado do painel fotovoltaico será: PNOM = 877/0,8 = 1.096
resultaria em número 14,5 painéis.
WP . O que
Por questão de formação, o arranjo terá 15 módulos, 01 linha com 05 módulos associados em
série, em seguida agrupa-se 03 linhas em paralelo fornecendo uma Corrente a plena carga de
14,7 A e uma tensão a plena carga de 80 V, não sendo necessário a adição de módulos para
compensar a corrente de partida do motor, pois sua partida é soft-start.
4.0 Resultados Experimentais
Após a conclusão da montagem de todo sistema, painel fotovoltaico, inversor e conjunto
motobomba. Optou-se pela instalação do sistema em um campo de teste próximo a Universidade
Federal do Ceará, visando-se à obtenção de valores mais precisos e também avaliar o
comportamento de todo sistema. No entanto, até meados de julho o céu tem ficado carregado com
nuvens, herança de um inverno muito extenso e atípico para o ano de 2008, o que vem
impossibilitando leituras mais constantes dentro de um nível de insolação em torno de 5,0
kWh / m 2 .dia .
Os resultados obtidos são mostrados em seguida, e mesmo considerando-se um período de
medição curto, observa-se que o sistema comportou-se dentro do esperado e apresentando um
rendimento satisfatório.
Na figura 9 são apresentadas as correntes trifásicas de alimentação do motor de indução
operando a plena carga. A figura 10 mostra a tensão aplicada ao motor. Esta tensão é fornecida
pelo inversor operando com freqüência de chaveamento de 5 kHz modulando uma tensão de
60Hz.
Figura 9 – Correntes no motor a 60 Hz
Figura 10 – tensão no motor a 60Hz
A figura 11 mostra o volume bombeado no dia 30 de junho desse ano, onde a bomba trabalhou a
uma altura manométrica total de 35m, e bombeou ao final do dia o equivalente a 7.900 litros. Uma
média considerável apesar do dia nublado.
Altura manométrica - 35m
vazão(l)
18 0 0
16 0 0
14 0 0
12 0 0
10 0 0
800
600
400
200
0
6 -7
7-8
8 -9
9 -10
10 -11
11-12
12 -13
13 -14
14 -15
15-16
tempo(h)
Figura 11 – Volume Bombeado em 30.06.2008
16 -17
17-18
A figura 12 apresenta valores obtidos 4 dias depois ainda com dia nublado porém com a bomba
trabalhando a uma altura manométrica total de 18 m. Ao final do dia foi bombeado o equivalente a
12.000 litros.
Altura m anom é trica - 18m
vazão(l)
2 50 0
2000
150 0
10 0 0
50 0
0
6 -7
7-8
8 -9
9 -10
10 -11
11-12
12 -13
13 -14
14 -15
15-16
16 -17
17-18
tempo(h)
Figura 12 – Volume Bombeado em 04.07.2008
4.0 Conclusão
O sistema proposto nesse trabalho bombeou 7.900 litros por dia a uma altura manométrica total de
35 m, conforme e mostrado na figura 13. E 12.000 litros por dia, a uma altura manométrica total de
18m, conforme é mostrado na figura 14, superando as expectativas do projeto e o conjunto
Conversor CC-CA, mais a moto-bomba apresentou um custo final inferior a 25% do valor do
sistema que utiliza motor CC.
Por não requerer bateria, o sistema somente bombeará água enquanto houver Irradiação solar
suficiente para justificar a vazão, todo excedente de energia elétrica do sistema, será armazenada
em forma de energia potencial gravitacional, armazenando-se a água excedente em um
reservatório elevado.
5.0 Agradecimentos
Universidade Federal do Ceará, Departamento de Engenharia Elétrica em especial aos
laboratórios, GPEC e LAMOTRIZ
6.0 Referências
[1] WHO – The World Health Organization. The right to water. Geneva: 2003
[2] SRH SOHIDRA,– Relatório de Instalações de Painéis Fotovoltaico, 2001
[3] PRODEEM, Energia das pequenas comunidades. 2001.
[4]-NARVARTE, L, LORENZO, E.. Suministro de agua potable con energía solar fotovoltaica.
In: I Conferencia Internacional Tecnología para el Desarrollo Humano – Madri: Ingeniería sin
Frontera, 2001.
[5]-MARTINS, D. C, BARBI, I.; Introdução ao Estudo dos Conversores CC-CA, INEP 2005
[6]-RASHID, M. H. Power Electronics Handbook, Academic press, California. 2001
[7]-PAUL C. KRAUSE, O.W., SCOTT D. S. Análisys of Electric Machinery, McGraw-Hill
1986
[8]-HAHN, A. Technical maturity and reliability of photovoltaic pumping systems. In: 13th
European Photovoltaic Solar Energy Conference, Nice, França,. pp. 1783-1786. 1995
[9] BRASIL. Ministério da Ciência e Tecnologia. Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL.
Eficiência energética. 2006. Disponível em: <http:www.aneel.gov.br>. Acesso em: 26 ago. 2006.
Palavras Chave: Energia Solar Fotovoltaica, Bombeamento de água, motor de indução.
Key- words: Solar Photovoltaic Energy; Water Pumping, Induction Machine,