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Como citar este trabajoAn. 6. Enc. Energ. Meio Rural 2006
Bancada de ensaio para averiguação operacional de sistemas fotovoltaicos de bombeamento
Alaan Ubaiara Brito; Maria Cristina Fedrizzi; Roberto Zilles
IInstituto de Eletrotécnica e Energia, Universidade de São Paulo - Av. Professor Luciano Gualberto, 1289 - Cidade Universitária - CEP 05508-010. São Paulo - SP. alaan@iee.usp.br, fedrizzi@iee.usp.br e zilles@iee.usp.br
RESUMO
A partir da demanda diária de água, da altura manométrica e da irradiação diária média, determina-se a potência do gerador fotovoltaico para sistemas de bombeamento. Uma vez adquiridos os equipamentos, alguns testes são recomendados, especialmente para verificar seu desempenho. Um dos parâmetros mais importantes para a qualificação de sistemas de bombeamento fotovoltaico é o volume diário bombeado (m3/dia) em função da irradiação solar diária (Wh/m2) e da altura manométrica total (mca). No entanto, são poucos os laboratórios que realizam este tipo de ensaio ao longo de um turno de bombeamento, mantendo a altura manométrica constante. Este artigo apresenta um modelo de bancada de ensaio de bombas de fácil execução e de baixo custo. A bancada consta de um circuito hidráulico onde se encontram duas bombas, uma delas conectada ao campo fotovoltaico e outra à rede elétrica convencional. A altura manométrica é mantida constante através da utilização de um conversor de freqüência.
Palavras-chave: Bombeamento fotovoltaico, desempenho de sistemas de bombeamento, conversor de freqüência.
ABSTRACT
From the daily water demand, total head and the daily average irradiation, is possible to determine the size of the PV generator for pumping systems. However, once the equipment is acquired some tests are recommended, specially to verify its performance. One of the most relevant parameters to qualify a pumping system is the daily water delivered (m3/day) as a function of daily solar irradiation (Wh/m2). Facilities that fit different boundaries conditions, as for example constant total head (m) are not easily available, and just few laboratories have this capability. In this way a simple instrumentation with the capability to determine the daily performance of PV pumping systems is presented. The proposed test tools use a hydraulic circuit with two pumps, one connected to the PV system and the other to the electric grid. The total head is maintained constant by the variablespeed drive connected to the grid.
Introdução
O bombeamento fotovoltaico, utilizado principalmente para o abastecimento rural desde a década de 1970, teve grandes avanços tecnológicos. A previsão de seu crescimento indica cifras da ordem de 150.000 sistemas instalados até o ano de 2010 (EPIA, 1996). Esta expansão ocorre, fundamentalmente, pela redução dos preços de seus componentes, pelo aprimoramento tecnológico, pela iniciativa governamental de alguns países (GALDINO & LIMA, 2002) e por programas de Cooperação Internacional.
Apesar de visualizar-se um panorama promissor no crescimento do bombeamento fotovoltaico, uma análise da real situação de projetos no campo apresenta a ocorrência de inúmeros problemas que podem comprometer sua difusão. Constata-se que grande parte dos problemas não ocorre com o equipamento estritamente solar, o gerador fotovoltaico, mas com outros elementos do sistema de abastecimento de água (MALBRANCH et al., 1994; SAPIAN et al., 2000; FEDRIZZI, 2003). Para exemplificar, no levantamento da situação de 801 sistemas de bombeamento fotovoltaico instalados no Brasil, foram registradas 337 ocorrências, sendo que 57 % das avarias ocorreram com os grupos motobomba, 41 % com os equipamentos de condicionamento de potência e apenas 2 % com os módulos fotovoltaicos (BEZERRA, 2002).
Além de avarias nos equipamentos, outro problema de comum ocorrência é a discrepância entre as informações dos catálogos comerciais e os resultados obtidos em campo. É usual que os sistemas de bombeamento apresentem em campo uma capacidade de fornecimento de água aquém das encontradas nos catálogos comerciais (FEDRIZZI et al., 2004). Isto mostra a necessidade de um maior controle de qualidade na aquisição desse tipo de equipamento. Para tanto, são recomendados testes de desempenho dos equipamentos, especialmente quando o empreendimento requerer alto grau de confiabilidade como é o caso do bombeamento de água para consumo humano. Neste sentido, este trabalho oferece uma proposta de bancada para ensaio de bombas que permite manter a pressão constante ao longo de um dia de bombeamento. Além de simular as condições de funcionamento, a instrumentação revela-se como excelente ferramenta para ajuste de configurações entre conversores de freqüência e bombas trifásicas convencionais, modalidade esta com previsão de expansão no mercado (EYRAS et al., 2004).
A bancada de ensaio proposta
Os ensaios para a verificação do desempenho operacional vão determinar a produção diária de água (m3/dia) em função da irradiação diária (Wh/m2.dia) e da altura manométrica total (mca). Em decorrência das características intrínsecas do sistema de bombeamento solar fotovoltaico1, a potência que chega ao sistema é variável e acompanha as flutuações da irradiância (W/m2), conforme ilustra a figura 1. Esta situação requer a adoção de instrumentação e procedimentos que mantenham a altura manométrica total a um valor estável ao longo do ensaio.
A bancada de ensaio proposta funciona com duas bombas que trabalham confrontadas uma com a outra, submersas em um mesmo reservatório, conforme diagrama esquemático da figura 2. O princípio de funcionamento é o seguinte, a medida em que a bomba que está sendo testada aumenta sua capacidade de bombeamento, devido ao aumento da irradiância, aumentará a pressão na tubulação. Nessa situação, para a estabilização da pressão interna, a outra bomba reduz sua capacidade de bombeamento. Da mesma forma, quando a bomba que está sendo testada reduzir sua capacidade de bombeamento, devido a redução da irradiância, a outra bomba aumentará sua capacidade de bombeamento, de forma a manter a pressão em torno do valor pré-estabelecido.
O reservatório contém uma divisória onde, num dos compartimentos coloca-se a bomba a ser testada e no outro a bomba reguladora da pressão e a tubulação de saída da água bombeada. A divisória tem a finalidade de evitar possíveis interferências sobre a bomba a ser testada, por bolhas de ar formadas pela turbulência da descarga da água bombeada. Na saída de cada bomba instala-se um rotâmetro que permite a leitura da vazão instantânea de cada uma delas e, a continuação dos rotâmetros, no final da tubulação, há uma chave de acionamento manual que permite o ajuste inicial da pressão de trabalho.
O controle da motobomba que regula a pressão na tubulação é realizado por um conversor de freqüência (CF) que possui internamente um controlador proporcional integral derivativo (PID). O sinal de realimentação é fornecido por um transdutor de pressão instalado na saída da bomba a ser testada, obtendo-se assim, um sistema em malha fechada. Na tabela I, estão listados os equipamentos básicos da bancada de ensaio.
A bancada de ensaio agrega, também, um sistema de monitoração e aquisição de dados onde cinco variáveis são monitoradas: irradiância, tensão e corrente do gerador fotovoltaico ou da fonte cc, pressão de operação do sistema e vazão da motobomba em teste (tabela II).
Devido a limitação da capacidade do reservatório, particularmente para teste de bombas com potência elevada, pode ocorrer um sobre aquecimento da água em decorrência do arrefecimento dos motores das bombas. A refrigeração pode ser implementada através da circulação da água em um trocador de calor externo. A figura 3 apresenta um vista frontal da bancada de ensaio.
Ajuste e teste operacional da bancada de ensaio
Inicialmente deve-se programar o conversor de freqüência para operar na pressão desejada e, em seguida, com a bomba estabilizadora da pressão em funcionamento, regula-se a chave de passo manual até alcançar o valor de pressão pré-estabelecido no conversor de freqüência. É importante observar que, para que o sistema funcione adequadamente, a bomba estabilizadora da pressão seja de capacidade maior a da motobomba a ser testada, caso contrário, não será possível a regulação da pressão de operação em determinadas condições.
Na figura 4, são apresentados os resultados de ensaios realizados para distintos perfis de operação (céu claro e nublado). Observa-se que a variação da pressão de trabalho, em ambos os casos, foi menor do que 1,5 %, valor considerado não significativo para os índices de precisão que se trabalha neste tipo de sistema. Constata-se que a resposta do conversor de freqüência para a manutenção da estabilidade do sistema é imediata, demonstrando a adequação da configuração proposta para ensaios de bombas.
Possibilidades de utilização da bancada de ensaio proposta
Este tipo de bancada de ensaio é versátil e permite realizar um diagnóstico completo de qualquer tipo de sistema de bombeamento fotovoltaico. Pode-se determinar a eficiência do dispositivo de condicionamento de potência mais motobomba, obter a curva de capacidade instantânea (vazão x potência cc), o nível de irradiância de arranque da bomba, e o volume diário bombeado (m3/dia), além de propiciar a elaboração de ábacos que facilitem o dimensionamento de sistemas de bombeamento. A bancada é útil, também, para a determinação do melhor arranjo entre bomba convencional e conversor de freqüência (BRITO & ZILLES, 2006). Algumas destas possibilidades são ilustradas nas figuras 5 a 8, em ensaios realizados com um sistema fotovoltaico convencional de 480 Wp.
Comentários finais
A bancada de ensaio descrita neste trabalho pode simular poços com altura manométrica total de até 100 mca, com um custo "chave em mão" de U$ 9.000,00, incluindo o sistema de aquisição de dados. Sua implantação é relativamente simples e não exige excessiva infra-estrutura física. Além de permitir avaliar o desempenho do sistema e fornecer dados para a confecção de ábacos de dimensionamento de um sistema de bombeamento fotovoltaico, esta instrumentação é uma excelente ferramenta para ajuste de configurações entre conversores de freqüência e bombas trifásicas convencionais. Portanto, sua aplicação e difusão são de grande utilidade para os profissionais envolvidos na implantação de projetos e ajuste de configurações de sistemas fotovoltaicos de bombeamento. Ela é, ainda, uma excelente ferramenta didática para a capacitação de alunos/técnicos/instaladores de sistemas de bombeamento.
Agradecimentos
A bancada de ensaio apresentada foi desenvolvida no âmbito do projeto P&D/ANEEL P&D 2974-001/2003, PETROBRÁS/IBIRITERMO.
Referências
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Brito, A U, Zilles, R; Systematized Procedure for Parameter Characterization of a Variable-speed Drive Used in Photovoltaic Pumping Applications, Progress in Photovoltaics, Published online in Wiley InterScience (www.interscience.wiley.com), DOI:10.1002/pip.666, 2006.
EPIA; Photovoltaics in 2010; Commission of the European Communities - Directorate General for Energy; Summary Report; 1996.
Eyras R, Perpiñán O, Hungría J, Rai I; PV pumping systems: Cases of study; 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2004; 2063-2065.
Fedrizzi M C; Sistemas fotovoltaicos de abastecimento de água para uso comunitário: lições apreendidas e procedimentos para potencializar sua difusão; Tese doutorado; Universidade de São Paulo; São Paulo; 2003.
Fedrizzi M C, Brito A U, Zilles R; Procedimento para averiguação operacional de sistemas fotovoltaicos de bombeamento; AGRENER; Campinas; 2004; 1-8.
Galdino M A, Lima J H G; PRODEEM - O programa nacional de eletrificação rural baseado em energia solar fotovoltaica; Congresso Brasileiro de Energia; Rio de Janeiro; 2002.
Malbranch P, et al; Recent developments in PV pumping applications and research in the European Community ;12th European Photovoltaic Solar Energy Conference; Amsterdã; Holanda; 1994; 476-481.
Sapiain R, Schmidt R, Flores C, Torres A; Evaluación técnica de sistemas de bombeo fotovoltaico; Información Tecnológica; 2000; 11; 19-26.
1 Sem a utilização de baterias.
