Bombeamento solar – Utilize a energia do sol para recalcar água

O que é bombeamento solar de água?

Chamamos de bombeamento solar de água o processo de recalcar água utilizando a energia solar captada por painéis fotovoltaicos (solares) para alimentar os motores das bombas.

Nos últimos anos, a tecnologia e o preço do bombeamento solar evoluíram fortemente, viabilizando o bombeamento solar.

A capacidade dos sistemas de recalque utilizando a energia solar foi expandida. As primeiras bombas solares tinham desempenho limitado e estavam restritas a aplicações de bombeamento de água superficiais e com baixa demanda de água.

Atualmente, as bombas podem atingir poços mais profundos (500 metros), e recalcar volumes de água maiores (1.500 m3/dia). A eficiência das bombas também aumentou consideravelmente.

Quais são as aplicações do bombeamento solar?

A maior demanda está dentro de áreas rurais desassistidas de rede elétrica, ou que dependem de geração elétrica baseada em combustíveis fósseis. As aplicações potenciais incluem:

• Abastecimento de água potável para instituições (tradicional nicho de mercado para escolas e postos de saúde)
• Esquemas de abastecimento de água em escala comunitária (esquemas de aldeias maiores)
• Abastecimento de água para gado (individual ou comunitário)
• Irrigação em pequena escala (agricultores individuais ou cooperativas)

O bombeamento solar é mais competitivo em regiões com alta insolação solar, que incluem a maior parte da África, América do Sul, Sul e Sudeste Asiático.

Mapa global de radiação solar. Fonte: The World Bank.

Embora todas essas regiões do planeta tenham alta radiação (ver Figura), a disponibilidade dos recursos hídricos varia significativamente.

Vantagens do bombeamento solar

• Os sistemas de bombeamento solar consomem pouco ou nenhum combustível. Ao utilizar a luz solar disponível gratuitamente, eles permitem eliminar a utilização de combustíveis caros e poluentes. Ao contrário dos sistemas à base de diesel (ou seja, onde um gerador a diesel alimenta a bomba), o bombeamento solar produz energia limpa.
• Os sistemas de bombeamento solar são duráveis e confiáveis. Os painéis fotovoltaicos têm uma vida útil de mais de 20 anos e as bombas solares têm poucas partes móveis e requerem pouca manutenção (ao contrário das bombas a diesel).
• Os sistemas de bombeamento solar são modulares, portanto, podem ser adaptados às necessidades atuais de energia e facilmente expandidos com a adição de painéis fotovoltaicos e acessórios.
• Sistemas solares instalados corretamente são seguros e de baixo risco devido à baixa tensão do sistema. O projeto adequado minimiza o risco de acidentes.

Como funciona o bombeamento solar de água?

Um sistema de bombeamento de água movido a energia solar é como qualquer outro sistema de bombeamento, exceto que sua fonte de energia é a energia solar. A tecnologia de bombeamento solar abrange todo o processo de conversão de energia, desde a luz solar, à energia elétrica, à energia mecânica, à energia armazenada. O processo é elegante e simples.

Funcionamento do bombeamento solar – Fonte: The World Bank.

Dimensionamento do sistema de bombeamento solar

O projeto conceitual de sistemas de bombeamento solar é melhor realizado analisando os seguintes sete parâmetros principais:

• Demanda de água
• Fontes de água
• Vazão de água necessária
• Armazenamento da água
• Altura manométrica do recalque
• Localização dos painéis fotovoltaicos
• Recurso solar

O processo de projeto é complementado pelo domínio das tecnologias que serão utilizadas no sistema. Depois disso, deve ser possível fazer um cálculo aproximado de dimensionamento e custo do sistema de bombeamento solar.

Demanda de água

O dimensionamento do sistema de água solar depende principalmente da demanda de água, medida em m3/dia ou litros/dia. A água é considerada para consumo humano e/ou pecuário ou para irrigação.

A água potável para consumo humano em uma vila/cidade é estimada a partir do tamanho da população e o consumo diário de água per capita. Por exemplo, se o sistema for atender uma população de 2.000 e o padrão de fornecimento é de 30 litros per capita por dia, então a capacidade de projeto do sistema deve ser de pelo menos 60.000 litros/dia ou 60 m3/dia. Da mesma forma, a demanda de água para o gado dependerá do tipo e quantidade de gado.

A avaliação da demanda de água para irrigação é consideravelmente mais complexa e depende da área, do solo, hidratação e propriedades, taxas de evaporação, seleção de culturas, espaçamento, épocas de cultivo, tipo de irrigação, etc., e é melhor determinado por um agrônomo, para evitar o super ou sub abastecimento de água, e para determinar as épocas ideais de cultivo. Os padrões usados para determinar a demanda de água geralmente são obtidos junto aos órgãos e agências governamentais do país. Projetos normalmente consideram o crescimento populacional e a sazonalidade da demanda.

Fontes de água

A água potável é geralmente obtida através de fontes abertas ou águas superficiais, como rios, córregos e barragens; ou fontes de águas subterrâneas, como poços. Cada fonte de água apresenta um nível de segurança de abastecimento e de qualidade. Em geral, as águas subterrâneas são preferidas para água potável.

Ao avaliar as fontes de água de superfície, os seguintes aspectos devem ser cuidadosamente considerados:

• Disponibilidade de água e níveis de bombeamento. A contabilização das variações sazonais é extremamente importante, uma vez que algumas fontes podem secar, enquanto outras podem ser propensas a inundações e alto risco. O nível de água pode variar consideravelmente entre as estações, afetando a altura de bombeamento.
• Qualidade da água. Detritos, lodo e sedimentos podem causar danos às bombas se não forem devidamente filtrados na entrada da bomba.

A água subterrânea é uma fonte de água comumente usada. As águas subterrâneas estão contidas em aquíferos, reservatórios de água subterrâneos acessados por poços ou cavernas. Um teste de bombeamento é realizado para avaliar a quantidade de água que pode ser bombeada de um determinado aquífero. O teste determina a capacidade máxima (em m3/h), bem como o rebaixamento, ou profundidade a que o nível de água o poço cairá para uma determinada vazão e duração (rendimento por metro de rebaixamento). Quanto menor o rebaixamento, maior a capacidade do manancial.

A demanda de água que excede a capacidade de um aquífero pode levar ao bombeamento excessivo. O bombeamento excessivo é evidenciado pelo rebaixamento do nível do lençol. Isso pode levar à precipitação de metais pesados, causando a infiltração de nitrato e pesticidas na água e a formação de sedimentos que podem entupir a bomba. Este ciclo vicioso leva ao aumento dos custos de manutenção da bomba, necessidade de tratamento de água, esgotamento de aquíferos de longo prazo e, possivelmente, redução da vida dos aquíferos.

Vazão de água necessária

A vazão de projeto de uma bomba é obtida dividindo-se a quantidade diária de água demanda pelo número total de horas de bombeamento em um dia. As aplicações de bombeamento solar, no entanto, usam o número de horas de sol de pico para estimar as horas diárias de bombeamento.

Por exemplo, em um recurso solar com média de 7,0 kWh/m2/dia, o horário de pico do sol é de 7 horas/dia. Para uma necessidade diária de água de 70 m3/dia, a vazão de projeto é de 70.000 litros/dia/7 horas/dia = 10.000 litros/hora. A vazão de projeto não deve exceder o bombeamento máximo da fonte de água permitido para a fonte de onde a água será recalcada. A vazão de projeto é usada para futuros cálculos de queda de pressão da água e dimensionamento da tubulação.

Armazenamento de água

A maioria dos sistemas de bombeamento solar requer capacidade de armazenamento de água para melhorar o desempenho e a confiabilidade. A confiabilidade é melhorada quando um reservatório é usado para armazenar a água extraída durante as horas de sol para atender às necessidades de água à noite ou em caso de tempo nublado ou tempo de inatividade do sistema.

Em geral, os reservatórios de água para sistemas bombeamento solar devem ser dimensionados para armazenar pelo menos 2 a 3 dias de abastecimento de água (demanda diária (m3/dia) x 3 dias = volume de armazenamento (m3). Os dados da pesquisa de campo indicam que muitos reservatórios são muito pequenas e acontecem transbordamento de água durante o dia, e escassez à noite.

O dimensionamento do reservatório deve levar em conta o padrão de demanda horária de água, bem como possíveis variações de insolação.

Altura manométrica de bombeamento – Total dynamic head (TDH)

A altura manométrica é a diferença em metros entre o nível do manancial e o terminal da tubulação que verte a água no reservatório. A carga dinâmica total (TDH) ou a carga total de bombeamento é a soma de três componentes, conforme representado na figura.

Dynamic water level (DWL) – O nível de água dinâmico é a profundidade do nível da superfície do aquífero. Isso aumenta gradativamente devido ao rebaixamento, daí o termo “dinâmico”.

Discharge head – A cabeça de descarga corresponde à altura acima do solo da superfície da água dentro do reservatório (geralmente 5-10 m). Esta água é descarregada para usuários por gravidade, daí o nome “descarga”.

Friction head – A cabeça de atrito é responsável pelo atrito da água contra o interior dos tubos (tanto verticais e horizontais). É tipicamente 10% do DWL mais a cabeça de descarga.

Um teste de bombeamento pode fornecer informações sobre o DWL e a altura de descarga, enquanto o atrito pode ser obtida com mais precisão a partir de gráficos de perda de carga para tubos na vazão necessária e características do tubo.

Localização dos painéis fotovoltaicos

Embora não seja crítico para o dimensionamento inicial do sistema, os painéis fotovoltaicos devem ser instalados próximos à bomba e a fonte de água, voltados para o equador, em ângulo de inclinação ideal para o horizonte e sem sombra em qualquer parte da estrutura de painéis solares ao longo do dia. Os painéis devem estar situados em um local seguro e protegido. Esses ajustes podem ser feitos durante a instalação final, mas para fins de projeto preliminar, é aceitável que o painel solar não esteja localizado próximo à bomba e, para isso, o dimensionamento dos cabos deve ser feito de maneira a minimizar perdas.

Recurso solar

A insolação solar é uma medida da energia acumulada recebida em uma área específica durante um período de tempo. É uma medida de energia, normalmente expressa em quilowatts-hora (kWh/m2/dia). As características do recurso solar no local são críticas para o projeto do sistema. A luz do sol atinge a terra através da radiação. A energia solar é a potência da radiação solar recebida por unidade de área.

Irradiância é a medição instantânea de potência, em watts ou quilowatts por metro quadrado (W/m2 ou kW/m2). A irradiância é afetada pelo ângulo do sol, e a qualquer hora do dia é mais alta quando um módulo é perpendicular aos raios solares incidentes. Como a posição do sol no céu muda durante o dia, a irradiância aumenta durante a manhã até o meio-dia (quando é mais alta), e depois diminui até pôr do sol, uma vez que os raios do sol percorrem um percurso maior de atmosfera para atingir a terra.

Irradiância ao longo do dia. Fonte: Renewable Energy Primer-Solar.

A insolação solar é igual à área sob a curva de irradiância solar. Horas de sol de pico por dia é apenas outro termo para insolação solar e é sempre medido em kWh/m2/dia.

Os recursos solares variam com a região. Como a figura ilustra, a radiação solar é geralmente maior nas regiões próximas ao equador. Fatores que afetam a quantidade de radiação solar em uma determinada área incluem latitude, prevalência de períodos nublados, umidade, clareza atmosférica e variações sazonais.

Dados meteorológicos estatísticos de longo prazo de estações meteorológicas são geralmente fornecidos na forma de dados médios mensais para insolação em uma superfície horizontal, e inclui variações diárias da insolação. Como o dimensionamento de sistemas de bombeamento solar requer ajustes e otimizações adicionais para esses dados para dar conta de painéis solares não horizontais ou inclinados orientados para o equador, a natureza complexa desses cálculos sugere a doção de softwares dedicados.

Cálculo do sistema de bombeamento solar

O dimensionamento do sistema de bombeamento solar pode ser estimado usando fórmulas simples. O princípio básico para o dimensionamento é criar um “balanço de energia”. O balanço de energia para o sistema é determinado por:

Energia elétrica (recurso solar, painel solar, condicionador de energia) × eficiência da moto bomba = energia hidráulica (volume entregue, altura manométrica, perdas por atrito).

O rendimento de energia elétrica para a moto bomba pode ser estimado da seguinte forma:

Esys = Parray_STC × fman × fdirt × ftemp × Htilt × ηpv_inv × ηinv × ηinv_sb

Onde:

• Esys = average yearly energy output of the PV array, in kWh
• Parray_STC = rated output power of the array under standard test conditions, in kWp
• fman = de-rating factor for manufacturing tolerance, dimensionless (100%)
• fdirt = de-rating factor for dirt, dimensionless (95%)
• ftemp = temperature de-rating factor, dimensionless (95%)
• Htilt = daily insolation value (kWh/m2/day) for the selected site
• ηpv_inv = efficiency of the subsystem (cables) between the PV array and the inverter (98%)
• ηinv = efficiency of the inverter, dimensionless (95%)
• ηinv_sb = efficiency of the subsystem (cables) between the inverter and the switchboard (95%)

A eficiência global é, portanto, de cerca de 77,4%. Observe que a cobertura de nuvens reduzirá ainda mais a produção.

A energia hidráulica da saída da bomba pode ser calculada da seguinte forma:

Ehydraulic = Q x TDH x ρ x g / 3,600,000 (J/kWh)

onde:

• Ehydraulic = hydraulic energy in kWh
• Q = daily water output (m3/day)
• TDH = total dynamic pumping head (m)
• ρ = density of water = 1,000 kg/m3
• g = 9.8 kg.m/s2

Exemplo de cálculo

Um sistema de bombeamento solar para para uma comunidade rural de 2.000 pessoas deve ser projetado para fornecer água potável com 30 litros/capita/dia. O nível da fonte de água subterrânea está a 100 m de abaixo do nível do solo. O rebaixamento do poço é de 5 m a 5 m3/hora e 10 m a 10 m3/hora. A altura do reservatório de armazenamento, deverá ser de 10 m acima do nível do solo. O recurso solar no local é em média 4,5 kWh/m2/dia a uma inclinação de 20 graus da horizontal, orientada para o equador, o que otimiza o rendimento solar no pior mês. Qual é a dimensão do sistema de bombeamento?

Dimensionamento:

1. Dados de projeto:

• Q = 30 litros/capita x 2.000 pessoas = 60 m3/dia
• Vazão = 60 (m3/dia) / 7 (horas de bombeamento/dia) = 8,5 m3/hora
• TDH = 100 m estático + 8,5 m de rebaixamento + 10 m de elevação + 10% de perdas dinâmicas = 118,5 m × 110% = 130 m

1. Energia hidráulica total necessária = 60 m3/dia x 130 m x 1.000 × 9,8 / 3.600.000 = 21,23 kWh
2. Suponha que o motor da bomba esteja dimensionado de maneira ideal em seu ponto de operação de 60% de eficiência
3. Energia elétrica necessária = 21,23 kWh/dia/60% = 35,4 kWh/dia
4. Tamanho da matriz necessária: 35,4 kW/dia = matriz kWp x 77,4% x 4,5 kWh/m2/dia – Portanto: tamanho da matriz = 10,16 kWp
5. O volume de armazenamento do tanque de água deve ser de aproximadamente 180 m3 e é calculado da seguinte forma:

• Reservatório = Q (m3/dia) x 3 dias = 180m3

O que afeta o desempenho do bombeamento solar na vida real?

O algoritmo de dimensionamento apresentado permite entender a dinâmica do dimensionamento, e é suficiente para condições de projeto estimados. Na realidade, existem parâmetros que não são constantes e que podem afetar o desempenho do sistema de bombeamento ao longo de um ano. Portanto, para cálculos mais conservadores e precisos de dimensionamento, devemos levar em conta as condições ao longo de um ano inteiro para determinar a alteração do desempenho. Abaixo estão algumas das principais variáveis:

• Mudanças sazonais na radiação solar. Essencialmente, a saída de água do bombeamento é proporcional à irradiação. O dimensionamento preliminar é baseado na insolação média do ano, ou talvez no pior mês do ano. É necessário avaliar a saída para os dias em que a radiação será menor que a média anual e inferior à média mensal.
• Mudanças sazonais na altura de bombeamento. Da mesma forma, quedas nos níveis de água afetarão a saída da bomba. A saída de água é proporcional à altura de bombeamento. Um cálculo muito conservador resultará em superdimensionamento do sistema.
• Dias ensolarados versus dias nublados. A insolação média é insuficiente. Uma variável chave é o índice de cobertura de nuvens e a intermitência do sol. Bombas acionadas por inversores tendem a perder a eficiência devido as operações de partida e parada quando a energia é interrompida pela falta de insolação. Assim, enquanto 2 dias podem ter a mesma quantidade de insolação cumulativa, uma manhã clara sem sol da tarde provavelmente produzirá uma saída de água muito maior do que um dia intermitentemente nublado. A redução de eficiência para este tipo de variabilidade é importante conforme o tipo de bomba utilizada.

FU9000SI Inversor de frequência para bombeamento solar

O inversor de bomba solar da série USFULL FU9000SI é um inversor de alto desempenho e alta eficiência desenvolvido e especialmente projetado para bomba CA no sistema de bombeamento solar.

A Alfacomp fornece soluções personalizadas e suporte pós-venda. O inversor de bomba solar FU9000SI é amplamente utilizado em irrigação, reservatório de água, abastecimento de água rural, piscina e outros projetos de abastecimento de água.

O inversor da bomba solar FU9000SI é totalmente automático, sem necessidade de configuração antes de funcionar. A operação e manutenção são fáceis e simplificadas. Com MPPT automático (Maximum Power Point Tracking), a eficiência do inversor pode chegar a 99%. Na presença de nuvens o inversor fica em espera, e quando as nuvens se dissipam o inversor reinicia automaticamente.

Instalação do inversor para bombeamento solar FU9000SI

O inversor solar FU9000SI pode ser instalado na parede ou em um painel elétrico. O inversor irá converter a energia CC diretamente do painel solar e gerar a energia CA para acionar as bombas ou motores.

Inversor com display e teclado destacável

• PRG/ESC: Entra ou sai do menu de programação.
• DATA/ENT: Navega pelos níveis do menu de programação / confirma ajuste dos parâmetros.
• SHIFT: Seleciona os parâmetros apresentados pelo display, e seleciona o dígito a ser modificado quando se está ajustando parâmetros.
• RUN: Dá partida no funcionamento do inversor.
• STOP/RST: Faz parar o inversor. Faz o reset do inversor quando o mesmo está em modo “falha”.
• QUICK/JOG: Seleção de funções de acordo com P7-01, podendo ser definido como comando ou direção. Seleção de menu: redireciona modos de menu de acordo com PP-03.

Dimensões compactas

Créditos:

Baseado no e-book “Solar Pumping – The Basics“ – World Bank. 2018. “Solar Pumping: The Basics.” World Bank, Washington, DC.