Monografia de PFC Walter_FINAL
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Departamento de Engenharia e Ciências do Mar
Curso: Licenciatura em Engenharia Civil
Projecto Fim de Curso
MINDELO, SÃO VICENTE
DEZEMBRO DE 2012
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO
EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE UTILIZANDO
ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
WALTER MEDINA SILVA
ORIENTADOR: PROFESSOR FRANCISCO BORGES
CO-ORIENTADOR: PROFESSOR EURIDES COSTA
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
II
Agradecimentos
Agradeço a Deus, pela minha vida, saúde e persistência para superar todos os contratempos e
ultrapassar todos os obstáculos.
À minha mãe Ângela Maria Medina, ao meu pai Cipriano João Silva e às minhas irmãs Aleida
Cristina Medina Silva e Zoraida Medina Silva, pelo suporte e incentivo indispensável para
pudesse triunfar nessa etapa na minha vida.
Aos meus professores Francisco Borges e Eurides Costa pela orientação durante a elaboração
deste trabalho. A professora Iolanda Borges, da Uni Piaget pela fundamental ajuda
disponibilizada.
A todos os professores e funcionários do curso de Licenciatura em Engenharia Civil da
Universidade de Cabo Verde/Departamento de Engenharia e Ciências dos Mar
(UniCV/DECM), pela formação e pelos valiosos conhecimentos adquiridos.
A toda minha turma, pelo contributo, pela amizade e pelo conhecimento compartilhado
durante os quatro maravilhosos anos de curso.
Aos meus amigos que sempre estiveram comigo nesta longa jornada.
Enfim, agradeço a todos que, de alguma forma, colaboraram para a realização e conclusão
desta monografia e da minha licenciatura.
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
III
Resumo
Esta monografia versa sobre a problemática de abastecimento de água em zonas rurais de
Cabo Verde, tanto para o consumo doméstico como para as actividades de agricultura e
pecuária. Este trabalho tem como objectivo mostrar que o sistema de bombeamento de água
accionado por painéis fotovoltaico é o mais apropriado para as zonas rurais. Como solução a
esta problemática, propomos a utilização de sistemas de bombeamento de água para o
abastecimento acoplados a geradores fotovoltaicos como fonte de energia onde avalia as
vantagens e desvantagens destes sistemas no território nacional e os recursos hídricos
subterrâneos disponíveis para extracção de água. Sugere-se a utilização de uma metodologia
de dimensionamento que tenha larga aplicabilidade em Cabo Verde e que seja de fácil
manuseamento, instalação e manutenção, com o objectivo de estimular uma maior divulgação
desta tecnologia. Realizou-se uma análise económico-financeira e uma avaliação da
viabilidade do sistema, comprovando que a opção de bombeamento de água com tecnologia
solar fotovoltaica é um investimento crucial para o desenvolvimento rural comparado com
outros sistemas de bombeamento. Apresentamos como estudo de caso um projecto básico
para implementação do sistema na zona de Madeiral em São Vicente, Cabo Verde,
demostrando e comprovando a viabilidade deste sistema na realidade nacional.
Palavras-chave: sistema de bombeamento, energia fotovoltaica, dimensionamento,
viabilidade.
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
IV
Índice Geral
AGRADECIMENTOS ................................................................................................................................ II
RESUMO ................................................................................................................................................. III
ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................................................... V
ÍNDICE DE TABELAS ............................................................................................................................ VI
INTRODUÇÃO .......................................................................................................................................... 1
RELEVÂNCIA DO ESTUDO ......................................................................................................................................... 2
OBJECTIVOS DO PROJECTO ....................................................................................................................................... 2
METODOLOGIA DO TRABALHO ................................................................................................................................. 3
ESTRUTURA DO TRABALHO ...................................................................................................................................... 4
CAPÍTULO 1. REVISÃO DA LITERATURA ......................................................................................... 5
1.1. A ENERGIA FOTOVOLTAICA ............................................................................................................................ 5
1.2. SISTEMA HIDRÁULICO DE BOMBEAMENTO DE AGUA ..................................................................................... 7
1.3. SISTEMA DE BOMBEAMENTO FOTOVOLTAICO ................................................................................................. 9
1.4. APLICAÇÃO DA ENERGIA FOTOVOLTAICA NO BOMBEAMENTO DE ÁGUA EM CABO VERDE NAS ZONAS
RURAIS .......................................................................................................................................................... 17
1.5. RECURSOS HÍDRICOS SUBTERRÂNEOS EM CABO VERDE ............................................................................... 18
1.6. VANTAGENS E DESVANTAGENS DA UTILIZAÇÃO SISTEMA DE BOMBEAMENTO DE AGUA UTILIZANDO A
ENERGIA SOLAR EM CABO VERDE ................................................................................................................ 19
CAPÍTULO 2. DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA .......................................................................... 20
2.1. METODOLOGIA DE DIMENSIONAMENTO ........................................................................................................ 20
2.2. ANALISE ECONÓMICO-FINANCEIRO ............................................................................................................... 31
2.3. CREDIBILIDADE FUNCIONAL .......................................................................................................................... 36
CAPÍTULO 3. ESTUDO DE CASO ..................................................................................................... 36
3.1. DESCRIÇÃO DO SISTEMA................................................................................................................................ 37
3.1. DADOS PARA DIMENSIONAMENTO ................................................................................................................. 38
3.2. DIMENSIONAMENTO DO PROJECTO BÁSICO ................................................................................................... 39
3.3. ANÁLISE DE VIABILIDADE FINANCEIRA ......................................................................................................... 48
CONCLUSÃO ......................................................................................................................................... 51
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................................................... 52
ANEXOS ................................................................................................................................................. 54
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
V
ÍNDICE DE FIGURAS
Fig. 1: Corte transversal de uma célula solar ........................................................................................................... 7
Fig. 2: Esquema de uma instalação de Recalque ..................................................................................................... 8
Fig. 3: Ponto de operação do bombeamento ............................................................................................................ 8
Fig. 4: Sistema de Abastecimento de água por energia solar ................................................................................ 10
Fig. 5: Modalidades tecnológicas mais utilizadas nos sistemas de bombeamento fotovoltaico ............................ 10
Fig. 6: Gerador Fotovoltaico ................................................................................................................................. 11
Fig. 7: Conversores CC-CC ................................................................................................................................... 12
Fig. 8: Inversores CC-CA ..................................................................................................................................... 13
Fig. 9: Motores de CC .......................................................................................................................................... 13
Fig. 10: Motores de CA ......................................................................................................................................... 14
Fig. 11: Curva típica de uma bomba ..................................................................................................................... 15
Fig. 12: Bombas Hidráulicas Centrifugas .............................................................................................................. 15
Fig. 13: Sistemas de Bombeamento fotovoltaica instaladas em Cabo Verde no âmbito do Programa Regional
Solar II (2002-2009) ................................................................................................................................ 16
Fig. 14: Sistemas de Bombagem fotovoltaica instalada nas ilhas de Santiago e São Nicolau .............................. 17
Fig. 15: Modelo conceptual genérico da hidrologia nas ilhas vulcânicas .............................................................. 18
Fig. 16: Parâmetros de um poço ao longo do bombeamento até o reservatório ................................................... 23
Fig. 17: Curva Característica Para Uma Dada Tubulação .................................................................................... 25
Fig. 18: Exemplo de Diagrama de mosaico .......................................................................................................... 27
Fig. 19: Exemplo de Diagrama em Colina ........................................................................................................... 27
Fig. 20: Determinação do ponto óptimo de trabalho ............................................................................................ 28
Fig. 21: Problemas normalmente registrados em sistemas de bombeamento fotovoltaico .................................... 36
Fig. 22: Esquema do sistema hidráulico de bombeamento de água para uso comunitário .................................... 37
Fig. 23: Esquema do sistema solar fotovoltaico para bombeamento de água para uso comunitário ..................... 37
Fig. 24: Curva Característica da Instalação de Bombeamento ............................................................................. 42
Fig. 25: Produtos Fornecidos Pela Empresa KSB ................................................................................................ 44
Fig. 26: Bomba KSB ETABLOC G 025-20.1/152 G11 ....................................................................................... 44
Fig. 27: Gráfico De Fluxo De Caixa Cumulativa .................................................................................................. 50
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
VI
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1 – Dimensão Do Gerador Em Função Da Altura Manométrica E Da Vazão ........................................... 11
Tabela 2 – Comparação De Sistemas De Bombeamento De Água ....................................................................... 16
Tabela 3 – Valores De Radiação Solar Diária Mensal Em Mindelo, Cabo Verde ................................................ 46
Tabela 4 – Analise Financeira e Viabilidade Financeira do Projecto Básico ........................................................ 49
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
1
Introdução
O aumento da população, o crescimento económico de Cabo Verde, a melhoria de qualidade
de vida da população, as mudanças climáticas juntamente com a pouca disponibilidade de
água potável, vem tornando esta um recurso natural cada vez mais escasso. Por estas razões
deve ser gerido de forma eficiente procurando limitar ao máximo as perdas e favorecer o
máximo de pessoas.
A falta de algumas infra estruturas nas zonas rurais tem tido como consequência um êxodo
rural aos centros urbanos ou às regiões mais desenvolvidas. Assim, torna-se necessário a
criação de algumas condições de saúde e económicas que melhoram consideravelmente o
nível de vida nessas zonas. O acesso a água é fundamental para a sobrevivência do ser
humano, e deste modo o seu o bom uso tem de ser equilibrado nas regiões rurais como nas
regiões urbanas.
Para o desenvolvimento económico de uma região rural é necessário garantias hídricas,
evidentemente para a prática da agricultura e da pecuária, e a falta de água pode invalidar
essas actividades por completo. Nesta perspectiva, deve-se então considerar essas garantias
hídricas como uma das principais necessidades a ser atendida. Sendo que, apenas a construção
de reservatórios não é a melhor solução adequada para o atendimento a essa necessidade.
Na actual situação mundial, onde recorre-se quase que exclusivamente às fontes de energia
não renováveis, mais concretamente, combustíveis fósseis como o petróleo caminham
inevitavelmente para extinção das reservas naturais. Por questões ambientais, desde a década
de 80, novas formas de energias as denominadas renováveis estão constantemente a ser
consideradas para a solução da problemática energética e ambiental. Mas a sua predominância
no contexto global, ainda é insuficiente, o que para alguns pode significar que tais energias
têm um carácter um tanto futurista. (FEDRIZZI, 2003)
Ainda, segundo a mesma autora (2003) a Conferência do Milénio, promovida pelas Nações
Unidas em 2000, determinou que seja reduzida a metade o número de pessoas sem acesso à
água potável, até o ano de 2015. Para isso, é necessário difundir soluções energéticas que
facilitem o acesso a água, pois, grande parte da população com deficiente abastecimento de
água não beneficia de energia para sua captação e transporte. (WHO, 2003)
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UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
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Nas zonas rurais em Cabo Verde, onde a agricultura e a criação de gado são na maioria das
vezes a principal actividade económica, é fundamental a implementação de meios
tecnológicos e energéticos para seu desenvolvimento. As tecnologias geradas para o
aproveitamento das energias renováveis (fotovoltaica, eólica, hidroeléctricos), têm alcançado
bons níveis de amadurecimento e confiança, o que as torna opções viáveis para a solução
desse tipo de problema no meio rural. No entanto, a divulgação dessa tecnologia tem sido
limitada e pouco eficaz. Assim, tem-se aplicado a tecnologia fotovoltaica como alternativa
para o problema de bombeamento e distribuição de água em muitas regiões rurais.
Geralmente, o problema de distribuição e bombeamento de água está relacionado com as
deficiências energéticas locais para a execução dos trabalhos de extracção e transporte da
água do reservatório ou manancial para o ponto da sua utilização.
Neste sentido, o dimensionamento de sistemas de distribuição e bombeamento incorporado no
sistema fotovoltaico com instalação descentralizada seria uma das principais soluções para a
resolução destes problemas.
Relevância do estudo
O presente projecto justifica-se pela necessidade de se debruçar sobre esta problemática que
faz parte da realidade da população que vive nas zonas rurais e, que constantemente lida com
a carência de água e/ou com sistemas tradicionais de captação e distribuição deste recurso tão
precioso e fundamental para o desempenho das suas actividades económicas.
Nesta perspectiva, consideramos ser necessário pensar em soluções viáveis para o
abastecimento de água em zonas rurais de Cabo Verde, principalmente para o consumo
doméstico e para as actividades económicas. E para que esteja disponível em quantidade e
qualidade adequadas para as gerações actuais e futuras, servindo para o desenvolvimento
sustentável, redução da pobreza e promoção do bem-estar nas zonas rurais de Cabo Verde.
Ainda, justifica-se pela necessidade de sistemas de bombeamento de água acoplado a um
sistema de produção de energia solar fotovoltaica que seja uma mais-valia e, tenha larga
aplicabilidade em Cabo Verde, bem como de fácil manuseamento, montagem e manutenção.
Objectivos do projecto
A realização bem sucedida de qualquer projecto de investigação requer a definição de
objectivos cujo rigor permite-nos caminhar com segurança para a sua concretização. Deste
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
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modo, o nosso estudo tem como principais objectivos apresentar de forma simplificada uma
metodologia de dimensionamento de sistemas de bombeamento de água acoplado a um
sistema de produção de energia solar fotovoltaica, e mostrar que o sistema de bombeamento
de água accionado por painéis fotovoltaico é o mais adequado para as zonas rurais, a partir de
uma análise económico-financeiro e uma avaliação de viabilidade.
Sendo assim, traçamos os seguintes objectivos específicos:
Demonstrar a necessidade de instalação de um sistema de bombeamento de água nas
zonas rurais, bem como a sua importância;
Identificar as vantagens e desvantagens do uso de energia fotovoltaica para o
bombeamento de água em Cabo Verde nas zonas rurais;
Demonstrar as vantagens e desvantagens da utilização de energia fotovoltaica em
detrimento da utilização de energias fósseis (combustível) para o bombeamento de
água;
Fazer uma análise económico-financeiro da viabilidade de um sistema de
bombeamento de águas nas zonas rurais;
Fazer o dimensionamento do sistema de bombeamento de água incorporado a um
sistema de produção de energia solar fotovoltaica;
Metodologia do Trabalho
A metodologia integra um estudo sistemático sobre práticas de investigação e os princípios
que as fundamentam, assim sendo, faz referência aos métodos e técnicas de investigação e
seus respectivos limites e virtualidades, ou seja, é “a organização crítica das práticas de
investigação” (Almeida e Pinto, 1995). Neste sentido, em qualquer trabalho de investigação
científica, temos que obrigatoriamente socorrer de métodos e técnicas que possibilitam a
recolha e tratamento da informação. Deste modo, de acordo com Gil (1999) o método consiste
num meio para prosseguir a investigação (conjunto de etapas) que permite a selecção de
técnicas mediante os objectivos do trabalho, os quais podem ser de foro extensivo ou
intensivo. Por sua vez, as técnicas são um conjunto de processos operativos destinados à
obtenção de dados fundamentais nas fases de recolha e análise da informação. Deste modo, o
método concretiza-se por via das técnicas, as quais por seu turno somente ganham sentido
quando enquadradas numa matriz teórica (Oliveira, 2002).
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
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Deste modo, para a realização do nosso projecto de conclusão de curso foi necessário recorrer
e orientarmo-nos pelo conjunto das etapas de investigação, e porque pretendíamos elaborar
um trabalho sustentado teórica e empiricamente, fizemos o uso da pesquisa bibliográfica e
documental na sua maioria através da internet. Aspecto, este, que sabemos tratar-se de uma
das limitações do nosso trabalho.
Em relação à metodologia empregue para o dimensionamento do sistema de bombeamento de
água para distribuição local, iniciamos pela determinação do tipo e tamanho do sistema que
poderá satisfazer às necessidades dos moradores da zona do Madeiral, o nosso estudo de caso.
Consideramos ser fundamental, o dimensionamento mais adequado possível, não só para
evitar custos desnecessários, como também para que o sistema funcione na perfeição, dê
garantias de uma larga escala de utilização de cada uma de suas partes, seja viável e de fácil
manutenção.
As necessidades de água devem ser levantadas, com base no consumo previsto de acordo com
o sistema de distribuição adoptado e com as potencialidades de usos diversos (residencial,
irrigação, etc.), levando-se em conta que, quanto maior for a quantidade diária bombeada,
maior será o número de módulos fotovoltaicos utilizados e, portanto, maior será o
investimento inicial.
Estrutura do trabalho
O trabalho está estruturado em três capítulos, para além da introdução temática, ao longo dos
quais apresenta-se os pontos desta investigação, de forma a se poder acompanhar a sua
evolução.
No primeiro capítulo apresenta-se a revisão da literatura de referência sobre o tema em
estudo, no qual apresentamos os conceitos-chave, as suas definições e importâncias no
trabalho.
No segundo capítulo apresenta-se a metodologia do dimensionamento simplificado e preciso a
utilizar detalhadamente, bem como a análise económico-financeiro e a avaliação da
credibilidade funcional do sistema.
No terceiro capítulo é apresentado o estudo de caso realizado na zona rural do Madeiral, São
Vicente onde é implementado a metodologia apresentada no capítulo anterior.
E, por ultimo a conclusão, as referencias bibliográficas e os anexos.
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
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Capítulo 1. Revisão da Literatura
Este capítulo constitui a parte inicial do desenvolvimento do nosso projecto, no qual
apresenta-se o quadro conceptual iniciada pela leitura da bibliografia de referência, e a
apropriação teórica mediante leituras e reflexões contribuiu para o aprofundamento de
conhecimentos sobre o objecto de estudo e para a orientação metodológica. A fase seguinte
consistiu na selecção de conceitos, que se foram relacionando entre si e forneceram os
parâmetros para o desenvolvimento da investigação. Assim, procede-se ao levantamento
primeiramente sobre energia fotovoltaica incluído um breve historial, o funcionamento do
efeito fotovoltaico para a produção de electricidade, bem como as suas vantagens em relação
a outras fontes de energia. Seguidamente é abordado o sistema de bombeamento de água, os
seus constituintes, definições e esquemas de instalação
Apresentamos, ainda, a descrição de um sistema de bombeamento fotovoltaico, mostrados os
principais componentes para o seu dimensionamento. E, por fim é mostrado as aplicações do
sistema nos meios rurais de Cabo Verde bem como as suas vantagens e desvantagens para o
território nacional.
1.1. A Energia Fotovoltaica
A energia fotovoltaica é gerada a partir uma fonte de energia que, através do uso de células
fotovoltaicas, converte directamente a energia luminosa em electricidade. É um sistema de
energia muito vantajoso pois não consome combustível, não polui nem contamina ambiente, é
resistente a condições climáticas extremas (vento, temperatura e humidade), exige pouca
manutenção. Os combustíveis fósseis e nucleares produzem, quando são produzidos, grandes
quantidades de resíduos sólidos, líquidos, gasosos, e radioactivos e ainda considerando os
riscos de acidentes, sejam eles decorrentes de falhas técnicas ou humanas, no transporte, na
pesquisa, na geração ou ainda nos canteiros de resíduos. A tecnologia solar fotovoltaica
constitui uma das opções energéticas menos prejudiciais ao ambiente (FEDRIZZI, 2003).
A produção de energia fotovoltaica resulta de um módulo, que por sua vez é composto de
células conectadas em arranjos com a finalidade de obtenção de tensão e corrente em níveis
adequados para utilização, pois cada célula convencional é capaz de gerar 30mA/cm2 e de
0,46 a 0,48V, tendo uma área variando de 50 a 150 cm2. Actualmente a matéria-prima básica
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para a produção de células fotovoltaicas se concentra nas lâminas de silícios mono e
policristalino (JÚNIOR, 2005).
Apesar do efeito fotovoltaico ter sido observado pela primeira vez em 1839, por Alexandre
Edmond Becquerel1, a tecnologia é relativamente recente, iniciando-se com a revolução dos
semicondutores, em meados de 1950. As primeiras células fotovoltaicas produzidas tinham
alguns problemas técnicos que foram superados pela química quando Calvin Fuller2 misturou
silício primeiro com arsénio e depois com boro obtendo células que exibiam elevados níveis
de eficiências. A primeira célula solar foi formalmente apresentada na reunião anual da
National Academy of Sciences, em Washington, e anunciada numa conferência de imprensa
no dia 25 de Abril de 1954. No ano seguinte a célula de silício viu a sua primeira aplicação
como fonte de alimentação de uma rede telefónica em Americus, na Geórgia. Hoje já se pode
dizer que a tecnologia apresenta um alto grau de maturidade, e isto se reflecte na elevada
confiabilidade, eficiência e vida útil dos equipamentos.
1.1.1. O Efeito Fotovoltaico
Segundo o guião prático da SolarTerra, os módulos fotovoltaicos são compostos de células
solares de silício que são bons condutores eléctricos porque o silício é um material com
características intermédias entre um condutor e um isolante. O cristal de silício puro não
possui electrões livres, portanto, é um mau condutor eléctrico. É então que executa-se o
processo de dopagem, ou seja, acrescentam-se pequenas percentagens de outros elementos.
Mediante a dopagem do silício com o fósforo obtém-se um material com electrões livres ou
material com portadores de carga negativa (silício tipo N). Realizando o mesmo processo,
mas acrescentando boro ao invés de fósforo, obtém-se um material com características
inversas, ou seja, défice de electrões ou material com cargas positivas livres (silício tipo P).
Cada célula solar compõe-se de uma camada fina de material tipo N e outra com maior
espessura de material tipo P. Separadamente, ambas as capas são electricamente neutras. Mas
ao serem unidas, gera-se um campo eléctrico devido aos electrões do silício tipo N que
ocupam os vazios da estrutura do silício tipo P. (SOLARTERRA)
1 Físico francês que estudou o espectro solar, magnetismo, electricidade
e a óptica. É conhecido pelos seus
trabalhos sobre a luminescência e fosforescência. Descobriu o efeito fotovoltaico, que é a base de funcionamento
da célula solar 2 Físico-químico estadunidense, co-inventor da célula fotoeléctrica. Em particular, descobriu como purificar o
silício, desenvolvendo um forno especial e um processo de fusão para a retirada de suas impurezas
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
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Fig. 1: Corte transversal de uma célula solar
Fonte: Guião Pratico SolarTerra
Logo, o efeito fotovoltaico é produzido ao incidir a luz sobre a célula fotovoltaica, onde os
fotões que a incorporam chocam-se com os electrões da estrutura do silício oferecendo-lhe
energia e transformando-os em condutores eléctricos. Devido ao campo eléctrico gerado na
união das camadas de silício P e N, os electrões são orientados e fluem da camada "P" para a
camada "N". Por meio de um condutor externo, conecta-se a camada negativa à positiva.
Gera-se assim um fluxo de electrões (corrente eléctrica) na conexão. Enquanto a luz continuar
a incidir na célula, o fluxo de electrões se manterá. A intensidade da corrente gerada variará
proporcionalmente conforme a intensidade da luz incidente. Cada módulo fotovoltaico é
formado por uma determinada quantidade de células conectadas em série. Ao unir-se a
camada negativa de uma célula com a positiva da seguinte, os electrões fluem através dos
condutores de uma célula para a outra. Este fluxo repete-se até chegar à última célula do
módulo, da qual fluem para o acumulador ou a bateria. Cada electrão que abandona o módulo
é substituído por outro que regressa do acumulador ou da bateria. O cabo da interconexão
entre módulo e bateria contém o fluxo, de modo que quando um electrão abandona a última
célula do módulo e dirige-se para a bateria outro electrão entra na primeira célula a partir da
bateria. (SOLARTERRA)
1.2. Sistema Hidráulico De Bombeamento De Agua
Sistemas hidráulicos de bombeamento de água são sistemas projectados especificamente para
bombeamento de água de poços, lagos e rios. O objectivo do sistema de bombeamento é
colectar a água do reservatório inferior de sucção, e transporta-la até um reservatório superior
de abastecimento, ou reservatório de recalque a fim de utilizar a água recolhida tanto para o
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
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consumo como para rega. A função da bomba é fornecer a energia ao líquido, vencendo as
resistências da canalização, seus acessórios e o desnível entre os reservatórios.
Fig. 2: Esquema de uma instalação de Recalque
Fonte: Apostila Turbomaquinas, Eurides Costa, 2011
Considerando as características do sistema e da bomba, representadas por suas curvas, o ponto
de operação do bombeamento será a intersecção das curvas de instalação e da bomba. Neste
ponto a bomba cede energia ao fluido para vencer a altura H (m) com a vazão Q (m3/h).
Fig. 3: Ponto de operação do bombeamento
Fonte: Apostila Turbomaquinas, Eurides Costa, 2011
A curva de desempenho da bomba ou curva do sistema é a curva que exprime, em função do
caudal, a altura total de elevação exigida pela instalação, e a curva de carga do sistema ou
curva característica da bomba é a curva que descreve o comportamento da bomba, para a
vazão Qm e a altura total Hm. Os fabricantes fornecem as cuvas envolvendo alturas, vazão e
rendimento para facilitar a especificação da bomba adequada.
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
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Dentro de um sistema hidráulico de bombeamento de água existem perdas de pressão
denominadas perdas de perdas estáticas (Hst) que, compreende o desnível entre reservatórios,
comprimento da tubulação, diâmetro, quantidade de curvas, joelhos e válvulas. O desnível
entre os reservatórios recebe no nome de altura estática de elevação e sua unidade é o metro
(m). Representa a quantidade de energia por unidade de massa que a bomba precisa adicionar
ao líquido para uma determinada vazão.
As perdas dinâmicas (Hde) que compreendem as perdas na tubulação são proporcionais ao
quadrado da vazão, sendo a sua unidade também o metro (m). É a energia, por unidade de
massa, que o fluido necessita para vencer as resistências, permitindo, a vazão especificada.
E, por ultimo as perdas totais (Hv) que e a soma das perdas estática mais a perda dinâmica,
representa a altura total da instalação de recalque e depende, em parte, da vazão.
Hv = Hde + Hst (1)
Hv - Perdas totais
Hde - Perdas dinâmicas
Hst - Perdas estáticas
1.3.Sistema De Bombeamento Fotovoltaico
Actualmente, apesar da tecnologia fotovoltaica não ser das modalidades de geração eléctrica
mais baratas, ela encontra seu retiro de competitividade principalmente em comunidades
isoladas. É neste tipo de aplicação, em sistemas remotos autónomos, que se enquadram os
bombeamentos de água para consumo doméstico e irrigação, bem como para sistemas de
drenagem e circulação de água em aquacultura (FEDRIZZI, 2003).
Ao longo do tempo a indústria de equipamentos vem buscando optimizar seus produtos
visando aumentar a eficiência desse conjunto. Observa-se a tendência de substituição dos
poços de cisterna com bombas submersas e motores em superfície por poços tubulares de
pequeno diâmetro com motores e bombas eléctricas submersas, de fabricação especial
buscando a maior performance pela adequação às características da energia fotovoltaica.
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
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Fig. 4: Sistema de Abastecimento de água por energia solar:
Fonte: FEDRIZZI, 1997
Segundo FEDRIZZI (1997), o sistema de bombeamento fotovoltaico padrão é constituído de
gerador fotovoltaico, mecanismo de condicionamento de potência (inversor, controlador,
seguidor do ponto de máxima potência), grupo motor-bomba e reservatório de água. A
evolução dos equipamentos de bombeamento fotovoltaico passou de um sistema no qual a
bomba se encontrava em localização submersa e o motor e os demais componentes de
condicionamento de potência em superfície, ligados por um eixo, para um sistema compacto
em que todo o mecanismo se encontra em localização submersa ou flutuante, tendo como
configurações mais utilizadas as apresentadas na figura 5, sendo as linhas em azul-escuro as
de maior ocorrência e, em azul claro, as menos frequentes.
Fig. 5: Modalidades tecnológicas mais utilizadas nos sistemas de bombeamento fotovoltaico.
Fonte: FEDRIZZI, 1997
Em geral, para aplicações de baixa potência (< 200Wp) são utilizadas muitas modalidades de
bombas. Já para aplicações de maiores potências a oferta do mercado se reduz basicamente às
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UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
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bombas centrífugas multiestágios. No entanto, para profundidades muito elevadas as bombas
centrífugas podem apresentar alguma redução na eficiência.
Gerador Fotovoltaico - consiste em um ou conjunto de módulos fotovoltaicos que por
sua vez são compostos por células solares. O arranjo fotovoltaico é uma fonte variável de
tensão, portanto a tensão de funcionamento dependerá da carga. No caso de bombeamentos
isto se torna determinante na escolha do tipo de accionamento.
Fig. 6: Gerador Fotovoltaico
Fonte: Google
Sendo o gerador de energia fotovoltaica o item de maior custo dentro de um sistema de
bombeamento solar, também, o cuidado no dimensionamento do sistema é de importância
fundamental para não inviabilizar projectos, ver tabela 1.
Tabela 1 – Dimensão do gerador em função da altura manométrica e da vazão
Fonte: PEREIRA BRAGA, 2008
Números de Módulos Fotovoltaicos - 100W
Altura
Manométrica
Vazão diária media (m3/dia)
1 1.5 3 4 5 7.5 10 15 20 25 30
2 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2
5 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 3
8 1 1 2 2 2 2 2 3 3 3 4
10 1 1 2 2 2 2 2 3 3 3 5
15 1 1 2 2 2 2 3 4 5 6 7
20 1 1 2 2 2 2 3 5 6 8
25 1 2 2 2 2 3 4 6 8
30 1 2 2 2 2 3 4 8
40 2 2 2 3 3 4 5
50 2 2 3 3 4 5 6
60 2 2 3 4 4 5
70 2 3 3 4 5 7
80 2 3 4 4 6
90 2 3 4 6 7
100 2 3 4 7 8
110 2 3
120 2 3
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12
Mecanismo de Condicionamento de Potencia - os condicionadores de potência são os
elementos electrónicos utilizados na regularização da potência do sistema onde se encontram-
se os conversores CC-CC, inversores CC-CA. Estes equipamentos são auxiliares e tem como
função obter as aplicações adequadas e um óptimo rendimento do sistema para cada aplicação
concreta. (FEDRIZZI, 2003).
Os conversores CC-CC equipamentos electrónicos que transporta uma potência de entrada de
tensão contínua, em potência diferente com tensão de saída também contínua, podendo ser a
tensão de saída maior ou menor do que a de entrada. Os conversores CC-CC podem ser
utilizados para substituir a bateria nos sistemas de bombeamento. Sua função nesse caso é
adaptar o funcionamento do motor ao do gerador.
Fig. 7: Conversores CC-CC
Fonte: Google
Por sua vez os inversores CC-CA tem por objectivo converter a corrente contínua do gerador
fotovoltaico e/ou das baterias, em corrente alternada, com a tensão desejada. É um elemento
de grande importância quando se deseja optimizar a electricidade gerada por módulos
fotovoltaicos, principalmente quando se trata de algo mais do que pequenas cargas CC. No
caso específico de sistemas de bombeamento fotovoltaico, é comum utilizar-se um inversor
conectado ao gerador fotovoltaico através de um seguidor do ponto de máxima potência. Para
estas aplicações, em geral são usados inversores com ondas pseudo-senoidais ou senoidais,
cujo rendimento ronda os 90%.
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13
Fig. 8: Inversores CC-CA
Fonte: Google
Motores Eléctricos CC e CA - escolha destes motores dependerão da vazão, da altura
manométrica, do rendimento, do custo, da instalação, se submerso ou não, da confiabilidade,
da facilidade de manutenção e da disponibilidade do equipamento no mercado. Estes motores,
tanto o CC como o CA têm a função de accionar as bombas hidráulicas centrifuga.
Os motores de CC, geralmente, apresentam eficiência mais elevada e possuem um alto grau
de compatibilidade com a fonte de energia fotovoltaica. Porém, são motores de custo maior e
exigem mais manutenção periódica, principalmente quando utilizam substituição de escovas.
No entanto já se encontram motores de CC sem escovas, que utilizam dispositivos
electrónicos para controlo do fluxo de corrente. Como vantagens, estes motores trabalham
com desgaste menor e, consequentemente, menor necessidade de manutenção. No entanto o
facto de inserir dispositivos electrónicos pode aumentar a incidência de defeitos.
Fig. 9: Motores de CC
Fonte: Google
Os motores de CA exigem a utilização de um inversor de frequência. Esta inclusão acarretará
alguma perda de energia e acrescentará um custo ao conjunto; no entanto como vantagens
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
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14
ocorrerão a redução do custo do motor e um motor bem menos exigente de manutenção.
Actualmente o mercado já oferece motores com inversores embutidos. Apontando para a
simplificação, os sistemas de última geração contam com o auxílio da electrónica de potência
embutindo, além do inversor CC/CA, seguidor do ponto de máxima potência, sensores de
nível do poço e reservatório, dispositivos de protecção, tornando os motores compactos e, ao
mesmo tempo, procurando manter a robustez dos equipamentos antigos. Todo este conjunto é
conectado à bomba submersível, que pode ser centrífuga ou helicoidal, permitindo, desta
forma, cobrir uma faixa mais ampla de vazão e altura manométrica.
Fig. 10: Motores de CA
Fonte: Google
Bombas hidráulicas são máquinas que recebem energia potencial (força motriz de um
motor ou turbina), e transformam parte desta potência em energia cinética (movimento) e
energia depressão (força), cedendo estas duas energias ao fluido bombeado, deforma a
transportá-lo de um ponto a outro. Estas bombas classificam-se como:
Bombas Centrífugas onde a movimentação do fluido ocorre pela acção de forças que se
desenvolvem na massa do mesmo, em consequência da rotação de um eixo no qual é acoplado
um disco (rotor, impulsor) dotado de pás (palhetas, hélice), o qual recebe o fluido pelo seu
centro e o expulsa pela periferia, pela acção da força centrífuga. Em função da direcção do
movimento do fluido dentro do rotor, estas bombas dividem-se em Centrífugas Radiais (a
movimentação do fluído dá-se do centro para a periferia do rotor, no sentido perpendicular ao
eixo de rotação), e Centrífugas de Fluxo Axial ou Helicoidais (o movimento do fluído ocorre
paralelo ao eixo de rotação). Por característica as bombas centrífugas são equipamentos que
se adequam muito bem à saída do arranjo fotovoltaico.
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UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
15
A curva da bomba mostra que a vazão e a perda de pressão são inversamente proporcionais. A
medida que a bomba fornece ao fluido mais energia para uma maior vazão, a perda de pressão
(altura H) fica menor.
Fig. 11: Curva típica de uma bomba
Fonte: Google
Estas bombas podem ser submersíveis ou de superfície. Em geral, se tratando de bombas de
superfície é recomendada uma altura de sucção máxima de 6 metros.
a) b)
Fig. 12: Bombas Hidráulicas Centrifugas: a) monoestagio superficial, b) multiestagio submerso
Fonte: Google
Bombas Volumétricas, ou de Deslocamento Positivo, a movimentação do fluido é causada
directamente pela acção do órgão de impulsão da bomba que obriga o fluido a executar o
mesmo movimento a que está sujeito este impulsor (êmbolo, engrenagens, lóbulos, palhetas).
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
16
Referindo-se a importância e modo de instalação do sistema de bombeamento fotovoltaico,
segundo BRAGA (2008), o bombeamento de água conectado por sistemas fotovoltaicos
constitui-se como forma eficaz e confiável de abastecimento de regiões longínquas e
desassistidas de energia eléctrica.
Fig. 13: Sistemas de Bombeamento fotovoltaica instaladas em Cabo Verde no âmbito do Programa Regional
Solar II (2002-2009) – Fonte: FERRER, 2010
Comparando-se o custo de bombas de água utilizando geração fotovoltaica com sistemas a
diesel, as “bombas solares” são, geralmente, consideradas mais baratas, para vazões menores
que 50 m³ por dia e alturas manométricas menores do que 20 metros (muito embora isto varie
com as condições locais, níveis de insolação diário e custo do combustível).
Tabela 2 – Comparação de sistemas de bombeamento de água
Fonte: Próprio
Tipo de Bomba Vantagens Desvantagens
Manual
Baixo custo Manutenção frequente
Fácil manutenção Baixo vazão de água
Não necessita de combustível Demanda tempo e energia
que podia usar com mais
produtividade em outras
actividades
Usado em poços escavados
manualmente
Solar (ou accionada
por geradores
fotovoltaicos)
Pouca manutenção
Investimento inicial elevado Não necessita de combustível
Fácil de instalar
Confiável
Grande durabilidade
Menor produção em climas
com baixo recurso solar
Não necessita de supervisão
Poucos custos repetitivos
Sistema modular fácil de adaptar a
demanda
Diesel Inversão capital moderada Manutenção frequente
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UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
17
Portátil Combustível caro e
abastecimento irregular
Tecnologia bem conhecida Problemas de ruido e
poluição Fácil de instalar
Os sistemas de bombeamento acoplados a sistemas solares fotovoltaicos podem ser instalados
de dois modos: directo e indirecto. No modo Directo, o painel fornece energia directamente à
bomba, permitindo o seu funcionamento continuo enquanto houver luz solar incidindo no
arranjo fotovoltaico. Para esse tipo de sistema o investimento para implantação e instalação é
menor, visto que o painel fotovoltaico liga-se directamente à bomba, prescindindo a
incorporação de baterias e controladores de carga.
Entretanto, a capacidade de bombeamento estará sujeita à variação das condições climáticas.
No entanto, no Modo Indirecto, já há a adição de controladores e baterias ao sistema, o que
possibilita que a energia produzida pelo arranjo fotovoltaico seja armazenada para uso futuro.
1.4.Aplicação Da Energia Fotovoltaica No Bombeamento De Água Em Cabo Verde Nas
Zonas Rurais
Em 1986 os chefes de estado dos 9 países membros do CILSS (Comité Inter Estados de Luta
Contra a Seca no Sahel), Burkina Faso, Cabo Verde, Gâmbia, Guiné-Bissau, Mali,
Mauritânia, Níger, Senegal e Chade reuniram na cidade da Praia e lançaram com apoio da
União Europeia, um Programa de Energia Solar Fotovoltaica para beneficiação da população
rural. Este programa teve como objectivo melhorar as condições de vida das populações das
zonas rurais, consolidar o processo de descentralização da gestão da água e reforçar do sector
privado fotovoltaico cabo-verdiano.
Segundo FERRER (2010), de 1994 a 1998 no âmbito do Programa Regional Solar, PRS I,
precederam-se a instalação de 29 sistemas de bombagem de água e 30 sistemas de iluminação
comunitárias, e de 2002 a 2009 o PRS II instalou cerca de 26 sistemas de bombagem de água,
todos nos municípios rurais da ilha de Santiago e São Nicolau.
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18
Fig. 14: Sistemas de Bombagem fotovoltaica instalada nas ilhas de Santiago e São Nicolau
Fonte: FERRER, 2010
Este programa trouxe alguns benefícios a população pois nas ilhas de Santiago e São Nicolau
cerca de 14010 pessoas foram beneficiadas, trazendo muitas vantagem as crianças que
ficaram com mais tempo para dedicar as actividades escolares e, as mulheres que tem água
disponível mais próximo das casas e podem dedicar-se a outras actividades.
1.5.Recursos Hídricos Subterrâneos Em Cabo Verde
Para o USGS (Sience for a Changing World), em Cabo Verde, os recursos hídricos
subterrâneos fornecem a água para a agricultura, para a indústria e para o consumo humano.
Esses recursos são limitados e susceptíveis à contaminação. Os recursos hídricos subterrâneos
adicionais são necessários para um desenvolvimento contínuo da agricultura, especialmente
durante os períodos de seca, mas um aumento no uso e/ou nas alterações climáticas podem ter
efeitos drásticos sobre a quantidade e qualidade da água potável disponível.
Nos aquíferos situados nas ilhas vulcânicas, como os de Cabo Verde, veios de água
subterrânea potável encontram-se tipicamente em cima de uma camada de água salobra, na
fronteira com a água salgada, e um aumento no bombeamento podem provocar a intrusão da
água salgada ou de outras contaminações.
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19
Fig. 15: Modelo conceptual genérico da hidrologia nas ilhas vulcânicas
Fonte: USGS (Sience for a Changing World)
Estima-se que existem cerca de 2.304 nascentes, 1.173 poços e 238 furos. A maior parte
desses pontos de água encontram-se na ilha de Santo Antão e Santiago (cerca de 85%).
O volume global dos recursos explorados em Aguas subterrâneas é estimado em cerca de
99.409 m3/dia, ou seja, 36,28 milhões de m3/ano. Desse volume, as nascentes contribuem
com 61%, os poços com 24% e os furos com 15%.
Nalgumas ilhas, designadamente, Boavista, Sal e São Vicente, não existem recursos
subterrâneos em quantidade e qualidade suficientes para cobrir as necessidades, e a
dessalinização da água do mar constitui a fonte básica de produção.
1.6. Vantagens E Desvantagens Da Utilização Sistema De Bombeamento De Agua
Utilizando A Energia Solar Em Cabo Verde
Perante as mudanças climáticas verifica-se a necessidade de uma gestão sustentável e durável
da água, maior incremento tecnológico no acesso a água e educação ambiental.
Um sistema de bombagem de água utilizando a energia solar em Cabo Verde tem como
vantagem a sua contribuição para a diminuição do dióxido de carbono libertado para a
atmosfera, pois, um sistema de 1500 Wc, gera aproximadamente 9 kWh/dia sendo 3285
kWh/ano originando uma redução de emissão de 4,6 toneladas de dióxido de carbono. Tem
como vantagem também a sua contribuição para a diminuição da poluição sonora e
diminuição a dependência perante as energias fósseis (FERRER, 2010).
Mas também os desafios encontrados na sua instalação leva a reflectir muito antes da escolha
dessa opção de bombeamento de água, pois como desvantagens podemos encontrar como o
principal, o preço do fornecimento e da instalação dos sistemas solares que é muito elevado
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
20
(cerca de 943000 Euros); a dependência do mercado internacional pois o custo de importação
também é caro; o reforço do sector privado com formações dos técnicos e criação de novas
empresas e nas Universidades em áreas técnicas para a instalação e manutenção dos sistemas
solares; e na construção de sistema com maior segurança para diminuição dos vandalismos, o
que também é despesa.
Capítulo 2. Dimensionamento Do Sistema
Neste capítulo apresentamos a metodologia de dimensionamento simplificada de um sistema
de bombeamento de água destinada para a distribuição nas zonas rurais, bem como os
parâmetros necessários para a análise económico – financeira, para mostrar a viabilidade do
sistema proposto.
2.1. Metodologia De Dimensionamento
O dimensionamento de um sistema de bombeamento de água consiste, basicamente, em
definir a potência de pico do gerador fotovoltaico, seleccionar a motobomba e o tipo de
controlador electrónico eventualmente necessário, que satisfará as necessidades do usuário.
Logo é necessário fazer um dimensionamento exacto, para que a instalação funcione no seu
ponto óptimo de trabalho e tenha uma longa vida útil de cada uma de suas partes.
Segue-se, para o dimensionamento do sistema as seguinte metodologia:
1) Estimativa do caudal do projecto para consumo da população tendo em conta a
demanda da água;
2) Escolha da tubulação a partir da elaboração de uma tabela apropriada para obtenção
do diâmetro económico, já que os custos envolvidos são bem maiores que os
praticados no bombeamento convencional;
3) Característica do poço e alturas manométricas
4) Determinação das curvas características do sistema e da bomba
5) Cálculo da potência do(s) conjunto(s) motor-bomba;
6) Escolha da quantidade de conjuntos motor-bomba a partir das características da
instalação hidráulica, e dos custos envolvidos, possibilitando uma economia na
potência fotovoltaica instalada;
7) Especificação do ponto óptimo de trabalho
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
21
8) Dimensionamento do arranjo fotovoltaico a partir da potência absorvida do motor
eléctrico.
2.1.1. Estimativa do Caudal do Projecto
A estimativa da vazão do projecto, neste caso de acoplação aos sistemas fotovoltaica, depende
da demanda de água necessária para irrigação e/ou para o consumo domestico. O grau de
utilização de um sistema de abastecimento de água em comunidades rurais vai depender de
inúmeros factores, como do tipo de produção agrícola, da climatologia local, das
características socioeconómicas e culturais da população, das características organolépticas da
água, entre outros, variando em função da distância do ponto de extracção ao local de
consumo. Assim, os principais elementos a considerar a este respeito no projecto de
bombeamento de água para abastecimento rural são os seguintes:
Horizonte do projecto e período de vida dos empreendimentos: número de anos que o
sistema tem que servir em boas condições
População de projecto: população a servir no horizonte do projecto
Caudais de projecto: são as bases quantitativas a considerar no dimensionamento dos
diferentes órgãos
Área de projecto: na qual se têm que avaliar as densidades populacionais e os
quantidades de água a considerar nas suas zonas
Hidrologia do projecto ou dados hidrológicos para avaliar as disponibilidades de água
superficiais e/ou subterrâneas.
Para a avaliação dos caudais para satisfazer os consumos domésticos, é indispensável
conhecer, por um lado, a situação demográfica actualizada da zona a servir, em termos de
população residente e flutuante, esta última se aplicável, e avaliar a sua evolução previsível
para o ano horizonte de projecto, e os consumos de água domésticos.
Quando não se dispõe de informação correcta dos consumos, estes devem ser avaliados a
partir de valores da capitação estimados, atendendo à dimensão e às características do
aglomerado, ao nível de vida da população e seus hábitos higiénicos e às condições climáticas
locais. Nestas condições, o caudal diário médio para satisfazer o consumo doméstico é dado
através da seguinte fórmula:
CapPopQm (L/dia) (2)
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22
Pop. – população servida (residente e flutuante) (hab.)
Cap. – capitação (L/ (hab.dia))
Logo para estimar o caudal do projecto a dimensionar deve-se multiplicar o caudal médio
diário pela factor de segurança, necessária para prever o envelhecimento da instalação. Este
factor de segurança deve-se encontrar entre no mínimo 1.1 e no máximo 1.5.
2.1.2. Dimensionamento da tubulação
Em função do fluido a ser transportado e da sua temperatura de escoamento, procura-se,
então, estabelecer o material da tubulação. Logo deve – se considerar, a partir dos dados
iniciais, as condições do fluido transportado e sua temperatura, ou seja:
Peso específico, que é fundamental para especificação por exemplo da carga de
pressão;
Viscosidade, que é fundamental para o cálculo da perda de carga;
Pressão de vapor, que é fundamental para a verificação do fenómeno de cavitação;
E sua temperatura
Após o preestabelecimento do material e da velocidade económica, (a figura do ANEXO I
apresenta as velocidades económicas e material de tubulação em função do fluido bombeado)
calcula-se o diâmetro da tubulação a partir da seguinte equação:
Veq
QpDeq
4 (3)
Qp – Caudal do projecto
Veq – Velocidade económica
Deq – Diâmetro económico
Através do diâmetro calculado pela equação, consultando uma tabela normalizada, e
especificamos o diâmetro nominal. A partir daí deve-se, por fim, especificar os comprimentos
das tubulações, as singularidades (conexões) e os seus respectivos comprimentos
equivalentes.
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
23
2.1.3. Característica do poço e alturas manométricas
Um dos primeiros procedimentos a se realizar antes mesmo da concepção de qualquer
projecto de abastecimento de água é a avaliação do manancial a ser utilizado, pois o fracasso
de muitos empreendimentos pode estar relacionado à deficiente informação das características
do recurso hídrico local.
É importante que sejam levantadas as características do poço, principalmente o nível estático
e dinâmico, e as capacidades de fornecimento de água para as épocas mais críticas do ano,
confrontando-as com as necessidades de água da comunidade. Cuidar para que as
necessidades de água não sejam superiores à capacidade do poço.
Fig. 16: Parâmetros de um poço ao longo do bombeamento até o reservatório
Fonte: FEDRIZZI, 1997
Definida a posição do reservatório podem-se calcular as alturas manométricas envolvidas para
os diversos níveis de água do poço.
Sendo altura manométrica (Hm) dado pela equação 4:
Hm = Hv + hf + he (4)
Hv - Altura vertical (m).
hf - Perda de carga ao longo da tubulação (m).
hl - Perda de carga em pontos singulares (m).
A altura vertical (Hv) é a soma das alturas dinâmica (Hdt) e do reservatório (Hr).
As perdas de carga na tubulação (hf) e nos pontos singulares (he) (juntas, curvas, válvulas,
etc.) são obtidas nas equações 5 e 6 respectivamente, ou ainda podem ser utilizados ábacos
fornecidos pelas empresas fabricantes dos materiais em questão. O factor f da equação 5 é
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24
determinado através do diagrama de Moody encontrado na figura do ANEXO II, o qual é
obtido em função da rugosidade das paredes da tubulação e do número de Reynolds que
determina as características do regime do fluido.
Sendo que a altura manométrica (Hm) e dada pela equação 4:
gD
VLfhf
2
2
(5)
E as perdas de carga nos pontos singulares (hl) dado equação 5:
g
VKhl
2
2
(6)
Onde:
f - Coeficiente de atrito ou perda de carga adimensional.
L - Comprimento da tubulação (m).
D - Diâmetro interno da tubulação (m).
V - Velocidade média do fluido (m/s).
g - Aceleração da gravidade (9,81 m/s).
K - Coeficiente para o cálculo das perdas singulares.
O coeficiente K é obtido a partir de tabelas dos comprimentos equivalentes (a tabela do
ANEXO III apresenta o coeficiente K, para várias conexões e as perdas de carga em
tubulação do PVC).
2.1.4. Determinação Das Curvas Características Do Sistema E Da Bomba
A curva característica da bomba é a representação gráfica que traduz o funcionamento da
bomba a escolher, obtidas através de experiências do fabricante, ou seja, através da utilização
de catálogos comerciais os quais são facilmente acessíveis no mercado especializado. Estes
catálogos caracterizam o desempenho de cada modelo, apresentados em forma de tabela ou
gráfico. (ver exemplo de catalogo de bomba no ANEXO IV)
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UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
25
A curva característica do sistema é a representação gráfica que traduz a altura manométrica
total correspondente a cada vazão, dentro de uma determinada faixa de operação do sistema, e
pode ser escrita a partir da fórmula de Darcy – Weisbach, ou seja:
(7)
Hm – Altura manométrica
Hv – Altura vertical
Q – Caudais fixados dentro da faixa de operação do sistema (entre o ponto de vazão nula até o
ponte de vazão do projecto)
r – Coeficiente geométrico de atrito
A razão pelo qual se escreve a fórmula de Darcy – Weisbach dessa forma é facilitar a solução
de problemas que evolvem redes de condutas (tubos em serie e/ou em paralelos).
O coeficiente geométrico de atrito (r) é obtido na seguinte equação:
2Q
hlhfr
(8)
hf - Perda de carga ao longo da tubulação (m).
hl - Perda de carga em pontos singulares (m).
Q – Caudal do projecto
Logo enta curva, para uma dada tubulação tem a forma:
Fig. 17: Curva Característica Para Uma Dada Tubulação
Fonte: Apostila Turbomaquinas, Eurides Costa, 2011
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26
2.1.5. Cálculo da potência do (s) conjunto (s) motor-bomba
Para solucionar qualquer complexidade de fornecimento de água, a potência do conjunto
motor-bomba é essencial para o dimensionamento e tal começa com o cálculo básico da
potência hidráulica (PH) requerida, para elevar a água a uma certa altura manométrica (Hm),
uma determinada vazão (Qm).
Logo a potência hidráulica (em CV) é calculada através da equação seguinte:
270
HQPh
(9)
Hm – Altura manométrica
Q – Caudal do projecto
γ – Peso específico do fluido em kgf/dm3
270 – Factor de conversão
Para a determinação da potência consumida pela bomba, ou seja, a potência do conjunto,
basta utilizarmos o valor do rendimento da bomba, pois a potência hidráulica, não é igual a
potência consumida, pois existem perdas por atrito no próprio motor, na bomba, etc.
O rendimento da bomba então será:
P
Ph (10)
Ph - potencia hidráulica
P – potencia consumida pela bomba
Analogamente ao tratamento dispensado à potência hidráulica, pode-se escrever a potência
consumida pela bomba da seguinte forma:
270
HQP (11)
Hm – Altura manométrica
Q – Caudal do projecto
γ – Peso específico do fluido em kgf/dm3
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
27
270 – Factor de conversão
η – Rendimento, lido na curva da bomba
2.1.6. Escolha do tipo e da quantidade de conjuntos motor-bomba
Uma vez conhecidos o caudal e a altura manométrica requerida, o próximo passo é consultar
o gráfico de pré-selecções de bombas fornecido pelo fabricante.
Para os principais tipos de bomba, os fabricantes fornecem o chamado Diagrama em
Mosaicos (ou mosaicos de utilização), sendo cada mosaico referente a uma determinada
velocidade de rotação. Para cada mosaico haverá um modelo de bomba, com dimensões
próprias e com comportamento hidráulico específico, definido pelas curvas características.
Fig. 18: Exemplo de Diagrama de mosaico
Fonte: Apostila Turbomaquinas, Eurides Costa, 2011
O mesmo modelo de bomba pode ainda apresentar soluções diversas, com diferentes
diâmetros de rotor ou impulsor e com diferentes velocidades de rotação; a confirmação da
escolha é feita pela consulta do Diagrama em Colina respeitante à bomba pré-seleccionada.
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28
Fig.19: Exemplo de Diagrama em Colina
Fonte: Apostila Turbomaquinas, Eurides Costa, 2011
Uma vez especificadas a(s) bomba(s) será necessário avaliar o funcionamento desta(s), caso
se decidir instala-las em serie ou em paralelo, se necessário.
Uma das vantagens de se instalar bombas em paralelo é que leva a um aumento de vazão sem
aumentar a altura manométrica máxima. Mas também tem-se a opção de trabalhar só com
uma bomba sob as radiações de menor intensidade, sendo que as demais iriam entrando em
funcionamento com o aumento da potência disponível. Isto é vantajoso porque bombas
menores tendem a exigir menores potências para pontos de operação coincidentes com os das
bombas maiores. Assim, como a radiação está relacionada linearmente com a potência
(FEDRIZZI, 2008), isto significa que se pode recalcar em radiações com menor intensidade
utilizando-se bombas de menor potência, possibilitando, assim, uma economia na potência
fotovoltaica instalada.
Em relação a escolha de quantidade de bombas, este resume-se, à determinação da quantidade
ideal de motobombas em paralelo que diminua a exigência de potência instalada, mas que,
contudo, não force mais ainda o custo final.
2.1.7. Especificação do ponto óptimo de trabalho
O equipamento a ser escolhido deve ter seu ponto óptimo de trabalho o mais próximo possível
do ponto de trabalho determinado pelo dimensionamento, ou seja, o ponto de trabalho deve
estar o mais próximo possível da curva do sistema a ser utilizado.
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
29
A conjugação destes dois factores implica em uma maior eficiência de funcionamento do
equipamento, bem como num menor desgaste do mesmo. Logo se juntarmos a curva do
sistema no mesmo gráfico onde estão as curvas características das bombas, obteremos o ponto
óptimo de trabalho na intersecção destas curvas.
Fig. 20: Determinação do ponto óptimo de trabalho
Fonte: Apostila Turbomaquinas, Eurides Costa, 2011
O ponto óptimo de trabalho seria, então, os valores do caudal (Qt), altura (Ht), potencia
consumida (Pt) e rendimento (ηt) relativos, obtidos após a união das curvas, mais próximos
possíveis dos valores determinados pelo dimensionamento.
2.1.8. Dimensionamento do arranjo fotovoltaico
Conforme CRISTINA FEDRIZZI (1997), a principal característica de um sistema de
bombeamento de água acoplado com energia solar fotovoltaica, é o facto de ser um sistema
independente e autónomo em termos de dependência de combustível e sendo o recurso solar
gratuito, para que a energia radiante seja acessível em forma de energia eléctrica e produza
trabalho deve haver o elemento conversor (célula fotovoltaica), o qual, como já mencionado
anteriormente, ainda apresenta elevado preço de mercado. Assim sendo, há a necessidade de
que o dimensionamento seja preciso, uma vez que a unidade de conversão fotovoltaica é a
parte mais dispendiosa de todo o sistema.
Na realização da metodologia de dimensionamento do arranjo fotovoltaico deve ser efectuada
uma segmentação dos processos mais importantes para o sistema. Para o correto
dimensionamento do arranjo fotovoltaico é preciso saber qual a energia utilizada pela bomba
durante o período em que ela permanecer em funcionamento, ou seja, a energia eléctrica da
bomba é dado como:
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
30
TPE bombabomba (12)
Pbomba – potencia eléctrica máxima da bomba em volt ampare
T – tempo de funcionamento da bomba em horas por dia
Para calcular a energia gerada por um painel fotovoltaico (EP), multiplica-se a potência
nominal do painel fotovoltaico (PP) pelo tempo de horas a Sol Pleno. Logo é necessário
calcular o número de horas a Sol Pleno para a situação mais extrema e será utilizada a
irradiação solar com menor valor entre os 12 meses do ano.
SPPE PP (13)
PP – potência nominal do painel fotovoltaico
SP – horas de sol pleno
Logo o número mínimo de painéis que formarão o arranjo fotovoltaico é dado pelo resultado
aproximado da divisão da energia da bomba (EB) pela energia gerada por um único painel
(EP).
P
BFV E
En (14)
EB – energia eléctrica da bomba
EP – energia gerada por um único painel
Para o dimensionamento das Baterias, caso necessário, recomenda-se optar por baterias de
descarga profunda, pois possuem melhor rendimento e podem trabalhar com até 90% de sua
capacidade, fora o fato de sua vida útil ser maior que a das baterias convencionais
normalmente utilizadas em automóveis. Os cálculos para dimensionamento do banco de
baterias são baseados no consumo de carga da bomba, que será constante durante um dia. O
consumo da bomba consiste em dividir a energia da bomba (EB) pela tensão nos terminais da
bateria, ou seja:
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
31
TbE
C BB (15)
EB – energia eléctrica da bomba
Tb – tensão no terminal da bateria
A capacidade do banco de baterias (CR) é dada pelo consumo de carga da bomba
multiplicado pelo tempo de autonomia e pela capacidade para descarga que o banco terá sem
energia, ou seja:
adescautonomiaCC BR arg (16)
CB – consumo da bomba
Essa capacidade deverá ser dividida entre algumas baterias. Para descobrir quantas serão
necessárias basta dividir a capacidade do banco de baterias (CR) pela capacidade de uma
única bateria, então:
CC
n RR (17)
CR – capacidade do banco de baterias
C – capacidade de uma única bateria
2.2. Analise Económico-Financeiro
Um sistema de bombeamento de água acoplado num gerador fotovoltaico para que seja
atractivo deve essencialmente ter baixa pressão, baixo vazão e ser instalado num local de
electrificação deficiente.
Para a análise económico-financeira do sistema em estudo é apresentado de seguida, uma
metodologia para a determinação dalguns parâmetros de cálculo que dependem
essencialmente dos custos de investimento, de reposição e de operação e manutenção, para
um mesmo período de vida útil do projecto. A análise e avaliação económico-financeira
(incluindo os parâmetros de cálculo e a viabilidade financeira) foram baseadas nas seguintes
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
32
fontes: Fedrizzi, na sua obra Fornecimento de água com sistemas de bombeamento
fotovoltaico – dimensionamento simplificado e análise de competitividade para sistemas de
pequeno porte, e em Fraidenraich, e Vilela no artigo científico Avanço em sistemas de
abastecimento de água com bombeamento fotovoltaico para comunidades rurais. Os dados
recolhidos nas fontes supra citadas serviram de base de referência para a análise económica e
financeira, por na nossa realidade não existir nenhum estudo do tipo que pudesse servir de
referência.
2.2.1. Parâmetros de Calculo
Os parâmetros de cálculo empregados para avaliação económico-financeira são o Custo do
Ciclo de Vida, o Custo do Ciclo de Vida Anualizado, o Custo do Volume Bombeado e o
Custo do Volume Bombeado pela Altura Manométrica de Bombeamento.
Para a execução de tais cálculos utilizou-se também o Factor de Recuperação de Capital para
determinadas Taxas de Desconto, ao longo da vida útil dos sistemas.
Custo do ciclo de vida (CCV) determina o custo total do investimento levando em
conta o valor do dinheiro no tempo em função da taxa de desconto utilizada.
N
n
n
iCMBii
iCOMICCV
1
1
110 (18)
I0 - Custo do investimento inicial
COM - Custo em Operação e Manutenção.
i - Taxa de desconto (% ao ano)
n - Vida útil (anos).
CMB - Custo do sistema motobomba
N – Vida útil da bomba.
Taxa de desconto (i) é o índice pelo qual estima-se o valor presente de determinada
quantidade de moeda no futuro.
1
/1
n
VF
VPi (19)
VP - Valor presente.
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
33
VF - Valor futura.
n - Número de períodos (anos)
Custo do Ciclo de Vida Anualizado (CCVA) é o custo anual requerido para o
pagamento total do investimento ao longo de sua vida útil.
FRCCCVCCVA (20)
CCV - Custo Do Ciclo De Vida
FRC - Factor de Recuperação de Capital
Factor de Recuperação de Capital é o índice pelo qual o investimento total do projecto
é recuperado anualmente em função de uma determinada taxa de desconto, dentro de
seu período da vida útil.
1
1
11
n
n
ii
iFRC (21)
i - Taxa de desconto (% ao ano)
n - Vida útil (anos).
Custo do Volume Bombeado proporciona o custo unitário do volume bombeado
(CVB), metro cúbico, para cada uma das opções utilizadas.
VBa
CCVACVB (22)
CCVA - Custo do Ciclo de Vida Anualizado
VBa – Volume Bombeado por ano
Custo do Volume Bombeado pela Altura Manométrica de Bombeamento determina o
custo do volume bombeado em metro cúbico, segundo a Altura Manométrica total de
bombeamento (CVBH).
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
34
H
CVBCVBH (23)
CVB – Custo do Volume Bombeado
H – Altura Manométrica do Bombeamento
2.2.2. Parâmetros envolvidos no custo final do sistema
Os parâmetros a seguir representam com elevado peso no custo final dos sistemas de
bombeamento fotovoltaico, pois são parâmetros que ajudam melhor na percepção do tamanho
do investimento económico e na sua viabilidade financeira.
Potência requerida - A potência requerida para o bombeamento vária em função do
caudal óptimo, da altura manométrica, da eficiência do sistema. Neste sentido,
proporcionalmente à potência requerida variam também os custos de bombeamento.
Preço do sistema motobomba - A variação no preço do grupo motobomba não ocorre
de forma linear, ela se dá em função da potência requerida e a “saltos”, de modelo
para modelo, mesmo dentro da mesma serie e marca comercial. Ao variar o
requerimento de potência do equipamento, há a necessidade de mudar a serie e até
mesmo o modelo ou tipo, segundo as curvas de funcionamento.
Preço do gerador fotovoltaico - O preço do gerador fotovoltaico é determinado em
função da sua potência nominal, o qual apresenta uma certa variação no mercado
internacional
2.2.3. Analise dos Custos do Sistema e as Tendências de Redução
A grande dificuldade para a divulgação deste sistema está centrada essencialmente no seu
custo. O custo elevado impossibilita a sua demanda, e a sua fraca demanda sustenta o custo
elevado.
Para FRAIDENRAICH & VILELA (1999),
“Excluindo custos de armazenamento e distribuição, uma instalação típica de 1500 W
fornecendo 25 m3 de água por dia a uma altura manométrica de 30 m, custa em torno
de US$ 20.000 (vinte mil dólares americanos). Quando se adiciona o custo do poço, o
custo de um pequeno sistema de armazenamento (atendendo um dia de armazenagem)
e a tubulação para três pontos de distribuição, o preço total do sistema duplica. Em
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
35
particular, o custo do gerador fotovoltaico, que é aproximadamente igual à metade do
custo do sistema de bombeamento, passa a representar 25% do custo total (Servant,
1994). Essa composição de custos determina que o custo total do sistema de
abastecimento de água seja pouco sensível aos custos dos conversores fotovoltaicos, e
que futuras reduções destes não venham a ter uma incidência muito grande no custo
final da água produzida. ”
E ao transpor este plano estatístico para o território nacional pode-se afirmar seguramente que
o governo de Cabo Verde por si só não seria capaz de financiar um projecto deste calibre,
pois, depara-se com obstáculos quase que impossíveis de ultrapassar neste momento. Motivo
este bem claro para um país de desenvolvimento médio como Cabo Verde. Exemplo disso é o
Programa Regional Solar (PRS) onde, de 1994 a 1998, numa primeira fase do programa
foram instaladas 29 sistemas de bombeamento de água utilizando energia solar fotovoltaica e
de 2002 a 2009, numa segunda fase, foram instaladas mais 26 sistemas de bombeamento de
água nas zonas rurais das ilhas de Santiago e São Nicolau. Neste programa o maior
financiador foi a União Europeia com um montante de 2.965.144 euros, seguidos do Plano
Indicativo Nacional e Plano Indicativo Regional com os montantes de 1.812.000 euros e
1.032.144 euros, respectivamente. O governo de Cabo Verde, de acordo com as suas
possibilidades financeiras apenas contribui com um montante de 121.000 euros.
Todavia, actualmente têm-se notado um aumento do mercado de células fotovoltaicas,
estimulado pela venda, em alguns pontos do globo, a custos estimulados por taxas de
descontos ligeiramente elevados e através de contractos de pagamentos por prestações a longo
prazo. Contudo, mesmo com estas taxas tão expressivas de crescimento, o custo de
investimento da tecnologia fotovoltaica permanece elevado quando confrontado com o custo
das outras tecnologias para bombeamento de água como a manual e a diesel.
Ao longo das últimas décadas, foram feitas previsões optimistas para o preço da tecnologia
fotovoltaica e estimava-se que poderia haver uma redução do custo na ordem dos 31%,
previsão que não se concretizou. No entanto, a tendência de redução do preço deve continuar
à medida que a produção de células solares para painéis fotovoltaicos aumenta e passa a
auferir as vantagens da economia de escala.
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
36
2.3. Credibilidade Funcional
Apesar de os sistemas de bombeamento de água utilizando a energia solar fotovoltaica como
accionamento necessitarem de um investimento inicial muito elevado, estes sistemas
evidenciarão ao longo da sua funcionalidade altamente credíveis e seguros. Visto que a
credibilidade funcional destes sistemas são avaliados pelo tempo médio entre falhas (TMEF),
segundo um trabalho publicado pelo Banco Mundial (BARLOW, 1993) registaram-se TMEF
aproximadamente de 30.000 horas para sistemas fotovoltaicos, enquanto para bombas diesel e
manuais são citados apenas valores ultrapassando ligeiramente os 1500 horas.
A principal constatação refere-se ao facto de que a maior parte dos problemas ocorrem não
com o elemento estritamente solar, o gerador fotovoltaico, mas com outros elementos da
cadeia que conforma o complexo sistema de abastecimento de água como um todo
(FEDRIZZI, 2003). Por exemplo, das falhas normalmente observadas, 90% são atribuídas a
limpezas das bombas e a problemas nas redes hidráulicas e eléctricas e apenas 10% foram
relacionadas a defeitos no inversor (7%), motor (2%) e bomba (1%), como ilustra a figura 21.
(FRAIDENRAICH&VILELA, 1999)
Fig. 21: Problemas normalmente registrados em sistemas de bombeamento fotovoltaico
Fonte: FEDRIZZI, 2003
Capítulo 3. Estudo de Caso
Para a aplicação da metodologia de dimensionamento hidráulico e fotovoltaico proposto e
bem como a análise económico-financeira foi indispensável projectar um sistema hidráulico
de abastecimento de água e tomou-se conforme anteriormente citado a zona do Madeiral na
ilha de São Vicente, Cabo Verde. A intenção do projecto é renovar os sistemas anteriores,
onde a água era bombeada de um manancial de captação (poço) por um sistema de
bombeamento utilizando energia eólica. Os dados recolhidos para este projecto foram
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
37
recolhidos através da técnica da entrevista a alguns proprietários de terrenos, valores
estatísticos e probabilísticos e pesquisa bibliográfica.
3.1. Descrição do Sistema
O sistema de bombeamento será composto por uma parte hidráulica onde se inclui o sistema
hidráulico de bombeamento e distribuição de água para a comunidade, e uma outra parte
fotovoltaico onde se inclui o sistema fotovoltaico para accionar o sistema motor-bomba.
A parte hidráulica será constituída pelo manancial de captação de água a céu aberto (poço),
uma estação elevatória, um reservatório de distribuição. E do sistema existente só será
aproveitado o manancial de captação. Logo, será necessário apenas dimensionar a estação
elevatória, ou mais concretamente o grupo motor-bomba e o reservatório de distribuição
(Sentina).
Fig. 22: Esquema do sistema hidráulico de bombeamento de água para uso comunitário
Fonte: KSB – Bombas, Válvulas e Sistemas
A parte fotovoltaica será igualmente constituída pelo arranjo fotovoltaico, pelo controlador de
carga, um banco de baterias, inversor, até ao grupo motor-bomba. A energia gerada pelo
arranjo fotovoltaico alimentará a motobomba e o seu excedente será armazenado pelo banco
de baterias e poderá ser usado caso a energia gerada nos terminais dos painéis não seja
suficiente para accionar a carga.
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
38
Fig. 23: Esquema do sistema solar fotovoltaico para bombeamento de água para uso comunitário
Fonte: Desconhecido
3.1. Dados para Dimensionamento
A zona do Madeiral tem aproximadamente cerca de 200 habitantes. Analisando o crescimento
geométrico da povoação, verificou-se que o aumento da mesma nos últimos 5 anos foi de 1%
ao ano, com relação a um ano base e de acordo com as suas características, pode-se prever um
aumento de sua população com, a mesma taxa, para os 5 anos seguintes.
Sendo assim, em relação a demanda de abastecimento este projecto deverá atender as
necessidades da povoação durante os próximos 10 anos. Sabendo que o consumo de agua “per
capita” esta directamente ligado as necessidades básicas dos habitantes da zona, resolveu-se
adoptar um consumo médio diário de 50 litros de agua por habitante, por dia.
Em relação as características do manancial de captação é um poço do tipo artesiano, com um
diâmetro de aproximadamente 2 metros e lençol freático a uma profundidade de 5 m da
superfície do solo, sofrendo uma variação sazonal de cerca de 1 metro, medida pela análise de
profundidades entre os meses de Setembro (após as chuvas) e Fevereiro (tempo “seco”).
Estima-se que este poço atende a uma demanda diária de aproximadamente 13 m3de água,
segundo o proprietário do referido poço. Impõe-se a condição que o manancial tenha a
capacidade de atender a demanda média diária durante 1 dia. A distância do manancial à
estação elevatória é de 10 metros de comprimento.
No dimensionamento do reservatório de distribuição deve-se considerar para a capacidade de
armazenamento um volume duas vezes maior do que volume da demanda atendida pelo poço
incluído a reserva adicional de emergência sobre a capacidade exigida. A entrada do
reservatório de distribuição encontra-se a uma cota de 20 metros acima do solo, e a uma
distância da estação elevatória de 50 metros de comprimento.
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
39
A bomba da estação elevatória deverá trabalhar somente 6 horas por dia nos próximos 10
anos. Na escolha da bomba é necessário especificar a rotação da bomba para que a mesma
proporcione um melhor rendimento.
Em relação ao fluido nas tabulações, a velocidade da água nas canalizações deverá estar
compreendida entre 1 a 2 m/s. O diâmetro da tubulação de sucção devera ser no mínimo um
diâmetro comercial acima do utilizado no recalque. A água a ser recalcada encontra-se a
temperatura ambiente, e tem um peso específico de 1000 kgf/m3 e viscosidade cinemática de
0,000001 m2/s. A aceleração da gravidade é de 9,8 m2/s e a pressão barométrica é de 1
atmosfera
3.2. Dimensionamento do Projecto Básico
Adoptando a metodologia descrita anteriormente, e com os dados fornecidos para os
dimensionamentos, podemos dimensionar um projecto básico para o abastecimento local da
zona em questão. Estes cálculos foram efectuados numa folha de cálculo Excel (ver folha de
calculo no anexo V).
Estimativa Do Caudal De Projecto
Visto que esta povoação rural apresenta uma população aproximada de 200 habitantes e o
crescimento geométrico da povoação, últimos 5 anos, foi de 1% ao ano, deve-se então
dimensionar o sistema para um horizonte de projecto de 10 anos.
Neste caso para estimativa da população para o horizonte de 10 anos de funcionamento,
aplicamos o método de cálculo geométrico de evolução de populações dado pela seguinte
equação:
010
ttkPP
(24)
P – população futura
P0 – população ano referencia
K – taxa de crescimento geométrico
Logo a população servida para 10 anos de funcionamento é de 221 habitantes.
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
40
Sabendo que o consumo de água “per capita” adoptada é de 50 litros de água por habitante,
por dia, aplicando a equação 2, do caudal médio diário, temos então um caudal de 11050 litros
de água por dia a bombear até o armazenamento. Aplicando o factor de segurança temos um
caudal de dimensionamento de projecto de 16575 litros de água por dia, o que equivale a
aproximadamente 16,575 toneladas por dia, e, sabido que a bomba funciona apenas 6 horas
por dia, 2,7625 toneladas por hora.
Dimensionamento Da Tubulação
Para o sistema a dimensionar necessita-se então tubos de PVC. O tubo de Policloreto de
Vinilo (PVC) obtém-se por polimerização do monómero cloreto de vinilo. Através de uma
composição adequada, as características físicas deste composto podem variar numa vasta
gama de valores (como é o caso da elasticidade que pode ir da rigidez idêntica à da madeira
até à maleabilidade da borracha). O excelente acabamento das superfícies interiores dos tubos,
define-os como "hidraulicamente lisos". Tais características, reduzem consideravelmente as
perdas de carga das condutas, relativamente às condutas de todos os outros materiais. Acresce
ainda que a baixa rugosidade se mantém inalterável ao longo dos anos, já que devido à sua
inércia química e baixa condutibilidade eléctrica, não admite incrustações nem sofre corrosão.
Deste modo, é desnecessário sobre dimensionar o diâmetro dos tubos, relativamente ao
cálculo hidráulico.
Aplicando a equação 3, do diâmetro económico, em função das velocidades económicas
máximas e mínimas dadas anteriormente e do caudal de dimensionamento obtém-se os
diâmetros seguintes:
1. Diâmetros económico comercial de recalque de 32 mm
2. Diâmetros económico comercial de sucção de 40 mm
Como conexões de sucção foram adoptadas as seguintes:
1. Uma válvula de pé de crivo
2. Uma curva de 90º
E como conexões de recalque foram, também, adoptadas as seguintes:
4. Uma válvula de retenção,
5. Duas curvas de 90º,
6. Um joelho de 90º
7. Um registo globo.
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
41
Avaliação Do Manancial
Como foi determinada anteriormente, o caudal necessário para servir a população da
povoação é de 11,05 toneladas de água por dia. O manancial em estudo pode atender a uma
demanda de 12 tonelada de água por dia. Visto que necessita-se que o manancial atende a
demanda diária durante 1 dia, pode-se dizer seguramente que os recursos hídricos manancial
conseguem abastecer a população desta povoação.
Alturas Manométricas
As alturas manométricas são importantes para o dimensionamento pois através dela pode-se
determinar o tipo e a quantidade de bomba a utilizar para o bombeamento. Conhecendo os
valores da altura vertical de bombeamento e os parâmetros da tubulação e conexões nela
instaladas pode-se retirar a altura manométrica a partir da equação 4. Neste caso serão
necessários também determinar os valores das perdas de carga ao longo da tubulação
(equação 5) e em pontos singulares como as conexões (equação 6).
A partir das equações, os resultados das perdas de carga foram:
1. Perdas de carga ao longo da tubulação de sucção e de recalque foram 0,12 metros e 1,84
metros, respectivamente.
2. Perdas de carga em pontos singulares (conexões) de sucção e de recalque foram 0,36
metros e 1,55 metros, respectivamente.
Logo a partir dos valores das perdas de carga e a altura vertical de 25 metros resultado obtido
para as alturas manométricas foram:
Altura manométrica de sucção é 5,48 metros
Altura manométrica de recalque é 23,38 metros
Altura manométrica total de 28,85 metros
A potência da bomba é em função da altura manométrica e do caudal. Prontamente os dados
para a sua determinação já foram totalmente retirados.
Curvas Características Do Sistema
A instalação pode ser representada matematicamente pela curva envolvendo as alturas
manométricas H (em metros) e caudal Q (em m3 / hora).
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
42
A curva característica do sistema é a partir da fórmula de Darcy – Weisbach, equação 7, onde
neste caso será necessário adquirir valor do coeficiente geométrico de atrito (equação 8).
Então a partir a equação 8, o coeficiente de atrito adopta os seguintes valores:
Coeficiente geométrico de atrito de sucção de 634386,73 s2/m5
Coeficiente geométrico de atrito de recalque de 8905575,45 s2/m5
Coeficiente geométrico de atrito total de 9539962,18 s2/m5
Neste caso será necessário converter o Coeficiente geométrico de atrito em horas por
metros, ou seja, h2/m5. Logo divide-se o coeficiente pelo quadrado de 3600 segundos e
obtém-se o seguinte valor aproximado:
Coeficiente geométrico de atrito total de 0,74 h2/m5
Consequentemente a curva característica do sistema, a partir da fórmula de Darcy – Weisbach
(equação 7), pode ser escrita pela seguinte equação:
(25)
Hm – Altura manométrica
Q – Caudais fixados dentro da faixa de operação do sistema (entre o ponto de vazão nula até o
ponte de vazão do projecto)
E, consequentemente, a curva representante da instalação ficará descrita da seguinte forma:
Fig. 24: Curva Característica da Instalação de Bombeamento
Fonte:Próprio
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Alt
ura
Man
om
etr
ica
em
me
tro
s
Caudal em toneladas por hora
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
43
Observando a curva da instalação de bombeamento podemos destacar que para o caudal do
projecto, 2,7625 m3/h, a altura manométrica adopta o valor de 30,7 metros, o que fornece
uma margem extra de segurança no que se refere a altura manométrica.
Escolha E Determinação Da Potencia Do Conjunto Motor-Bomba
Sendo o sistema uma instalação de recalque de pequeno porte com diâmetros, caudais e
alturas manométricas muito reduzidas optou-se para bombear a água até o reservatório uma
bomba centrifuga pois usadas para instalações residenciais, alimentação de caldeiras, poço
profundo, de processo, química, de recirculação, petroquímica, de esgotos, efluentes, polpa,
combate a incêndio, condensado, entre outros.
Feita a escolha preliminar do tipo de bomba hidráulica a utilizar, deve-se seguidamente
decidir pelo fabricante da bomba. Para a escolha da bomba foram adoptadas os seguintes
critérios:
1. Escolha em função da aplicação
2. Escolha em função da altura manométrica e caudal do projecto
3. Escolha em função do rendimento pois é fundamental operarmos com o rendimento o mais
próximo do rendimento máximo, já que escolhemos a bomba para o caudal de projecto,
que é superior ao caudal desejado, portanto, ao operamos com esta, provavelmente,
estaremos obtendo um rendimento maior
4. Escolha em função da velocidade do rotor da bomba pois se tivermos que optar entre uma
bomba de 1750 rpm e uma de 3500 rpm, geralmente escolheremos a de 3500 rpm, porque
são bombas menores, o que correspondem a um custo menor e são bombas que requerem
motores eléctricos com menor número de pólos o que implica em um custo menor.
Para a instalação do sistema a dimensionar optou-se pelo fabricante de bombas KSB. A
empresa KSB tem fornecido gerações de clientes em todo o mundo com bombas, válvulas,
produtos de automação e serviços, e é internacionalmente conhecida pela sua confiabilidade
dada pelos seus 130 anos de experiencia no ramo.
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
44
Fig. 25: Produtos Fornecidos Pela Empresa KSB
Fonte: KSB – Bombas, Válvulas e Sistemas
Ainda, para ajudar o dimensionamento utilizou-se o software de selecção de bombas,
denominado KSB EasySelect, permite ao cliente encontrar a bomba e válvula certas, de um
modo rápido e fácil. Apenas necessita-se de introduzir os dados do projecto, e esta ferramenta
guiá-lo-á, passo a passo, de forma sistematizada pela enorme gama de produtos da KSB, até
que encontre a bomba e válvula certas para a sua aplicação.
Através do software, seleccionou-se uma bomba KSB de modelo ETABLOC G tamanho 025-
20.1/152 G11, monobloco instalada horizontalmente.
Fig. 26: Bomba KSB ETABLOC G 025-20.1/152 G11
Fonte: KSB – Bombas, Válvulas e Sistemas
Esta bomba e uma bomba monobloco, monocelular, com corpo de voluta, com camisa do
veio e anéis de desgaste do corpo substituíveis. São aplicadas essencialmente em irrigação por
aspersão, irrigação, sistemas de abastecimento de água e de drenagem, sistemas de
aquecimento e de ar condicionado, transporte de condensados, piscinas, bombagem de água
quente, água de arrefecimento, água de serviço de incêndios, água do mar, petróleo, salmoura,
água potável, produtos de limpeza, água salobra, água de serviço, entre outros As bombas
ETABLOC conseguem trabalhar com diâmetros nominais de 25 - 150 mm, com um caudal
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
45
máximo de 660 m3/h, a alturas manométricas máximas de 120 metros e com fluidos com
temperaturas máximas de 140ºC.
Para instalação do nosso sistema, a bomba irá funcionar no seguinte ponto óptimo de trabalho
(as folhas de dados, as curvas de funcionamento e o desenho esquemático da bomba esta
disponível no Anexo VI):
1. Caudal óptimo de 2,8 m3/h
2. Altura Manométrica óptima de 30,8 metros
3. Potencia absorvida de 1,5 cv
4. Rendimento de 21,4%
5. Com rotor de diâmetro 161 mm a velocidade de 2860 rpm
A bomba será suportada por um motor eléctrico do mesmo fabricante, KSB, de tamanho 90S
com 2 pólos, 50 Hertz de frequência, 230 Volt de tensão de funcionamento, 5,8 Ampares de
corrente eléctrica nominal e potência nominal de 1,5 kW.
Dimensionamento do arranjo fotovoltaico
Para o dimensionamento do arranjo fotovoltaico foi avaliadas a metodologias de
dimensionamento pelo sol pleno, considerando-se apenas a potencia absorvida pela bomba e
não levando em consideração o efeito da temperatura ambiente.
Tendo em conta o custo do painel e a disponibilidade de importação para o território nacional
escolheu-se um modelo fotovoltaico com as seguintes especificações:
1. Máxima potência de 200 Watt
2. Tensão de Máxima Potencia de 17 Volt
E, também, pelo custo de baterias e disponibilidade de importação para o território nacional
foi escolhido um modelo com as seguintes especificações:
1. Capacidade de bateria de 200 Ampere-hora
2. Tensão da Bateria de 24 Volt
3. Capacidade de descarga profunda de 90%
Seguindo a metodologia de dimensionamento de arranjos fotovoltaicos apresentado na secção
anterior, primeiramente será necessário determinar as horas de sol pleno para a situação mais
extrema de escassez de radiação solar.
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ÁGUA PARA DISTRIBUIÇAO EM ZONAS RURAIS DE CABO VERDE
UTILIZANDO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
46
Tabela 3 – Valores De Radiação Solar Diária Mensal Em Mindelo, Cabo Verde
Fonte:Próprio
Mês Radiação solar diária
(kWh/m²/d) Janeiro 4,63
Fevereiro 5,49 Março 6,57 Abril 7,61 Maio 7,76
Junho 7,22 Julho 6,70
Agosto 6,08 Setembro 6,02 Outubro 5,43
Novembro 4,78 Dezembro 4,27
Pela tabela o mês mais extremo de escassez de radiação solar é o mês de Janeiro, logo, pela
definição de horas de Sol Pleno, o tempo em horas é obtido pela divisão da radiação solar do
mês de Janeiro com o caso de toda a energia solar diária disponível fosse obtida sob uma
radiação constante de 1000 W/m2. O tempo de Sol Pleno, então é 4,63 horas por dia.
Com o tempo de sol pleno, seguidamente necessita-se da energia gerada por um único painel
fotovoltaico.
Aplicando a equação 13, a energia gerada por um único painel em função do tempo de sol
pleno e a máxima potência gerada por um único painel (200 W), é de 926 Wh/dia.
Para determinar o número de painéis fotovoltaicos, é de extrema importância que se calcule a
energia eléctrica consumida pelo conjunto motor-bomba. Pela equação 12, a energia eléctrica
em função da potência absorvida pelo conjunto, determinada na secção anterior (1,5 kW), e o
tempo de funcionamento da bomba (6 horas por dia) é de 9000 Wh/dia.
Portanto, pela equação 14, o número dos painéis fotovoltaicos a utilizar é de 9,72.
Arredondando temos um gerador constituído por 10 painéis fotovoltaicos em paralelo do
modelo apresentado anteriormente.
Dimensionamento do banco de baterias
Para o dimensionamento do banco de baterias, foram consideradas situações extremas de
escassez de radiação solar, como por exemplo em dias chuvosos. Estabeleceu-se que o banco
de baterias deverá ter uma autonomia de 2 dias, ou seja, será capaz de suprir energia à carga
durante esse período.
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Pela equação 15, o consumo da bomba em função da energia da bomba (9000 W) e a tensão
da bateria (24V), é de 375 Amperes.
Através do consumo da bomba pode-se determinar a capacidade da bateria. Aplicando a
equação 16, a capacidade do banco da bateria, para 2 dias de autonomia e uma capacidade de
descarga profunda de 90%, é de 675 Amperes.
Com os dados necessários para saber o número de baterias que irão constituir o banco, e
aplicando a equação 17, temos que o banco de baterias irá ser constituído por 4 baterias em
paralelo do modelo apresentado anteriormente.
Apresentação da configuração do sistema
Nesta etapa do dimensionamento do projecto proposto é apresentada a configuração do
sistema: Dados da demanda, especificação do conjunto motor-bomba, módulos, inversor,
controlador e baterias, como se verifica a seguir.
Dados da demanda
1. População de horizonte de projecto – 221 habitantes
2. Consumo per – capita – 50 litros por habitante por dia
3. Demanda de Projecto – 11050 litros de agua por dia
Especificações do Conjunto Motor-Bomba
1. Bomba KSB ETABLOC G 025-20.1/152 G11
a. Potencia 1,5 CV e Rendimento 21,4%
b. Diâmetro do rotor – 161 mm a Velocidade 2860 rpm
2. Motor KSB 90S com 2 polos
a. Potência nominal – 1,5 kW
b. Frequência – 50 Hz
c. Tensão – 230 V
d. Corrente eléctrica – 5,8 A
Gerador Fotovoltaico (10 Painéis)
1. Máxima potência por painel – 200 W
2. Tensão de Máxima Potencia por painel – 16 V
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Banco de Baterias (4 Baterias)
1. Capacidade de bateria de 200 Ah
2. Tensão da Bateria de 24 V
3. Capacidade de descarga profunda de 90%
Controlador de Carga Solar
1. Tensão do sistema – 12V/24V
2. Corrente suportada – 10 A
Inversor
1. Potência CC máxima – 5750 W
2. Tensão máxima de entrada – 600 V
3. Corrente máxima de entrada – 26 A
3.3. Análise de Viabilidade Financeira
O nosso objectivo nesta etapa do estudo do caso é fazer uma análise financeira do sistema
proposto e avaliar a viabilidade do mesmo em relação a um sistema de referência. Deste
modo, a electricidade na rede de forma designar a opção fotovoltaica seria a mais indicada
Para esta análise temos que levar em conta alguns parâmetros financeiros, o total de custo de
investimento inicial, o pagamento anual de custos de operação e manutenção, e um total de
economia e receita anual. Os seguintes parâmetros de avaliação financeira serão divulgadas a
seguir de forma detalhada.
1. Parâmetros financeiros
a. Taxa de inflação de 3,5% para o ano de 2013
b. Horizonte de projecto de 10 anos
c. Razão de divida de 0%
2. Custo de investimento inicial (Total de 603.050 CVE)
a. Conjunto motor-bomba (Fornecimento e instalação) de 71.500 CVE
b. Sistema de produção de electricidade para bombeamento (incluindo arranjo
fotovoltaico, banco de baterias, inversor e controlador de carga) de 531.550
CVE
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3. Pagamento anual de custos de operação e manutenção de 25.000 CVE, este incluído
pequeno salario de operação e manutenção de apenas um especialista.
4. Total de economia e receita anual de 121.184 CVE, ou seja, o total que se pouparia em
energia eléctrica, para este caso.
Para se fazer a respectiva análise foi utilizado o software de análise de projectos de energia
limpa, RetScreen Internacional versão 4.0.
O RetScreen Internacional é um programa de análise para projectos de energias renováveis
desenvolvido em Microsoft Excel. Este programa engloba as áreas fotovoltaica, eólica,
pequenas centrais hidroeléctricas, aquecimento solar de ar e água, biomassa e bombas
geotérmicas. É utilizado para a realização de estudos preliminares. Na área fotovoltaica pode
determinar para os 3 tipos básicos de aplicações (sistemas ligados à rede, sistemas autónomos
e bombeamento de água) os custos de produção de energia e redução de gases emitidos, as
configurações de sistemas híbridos simples também podem ser avaliados. Possui uma base de
dados de radiação para mais de 1000 localidades no mundo.
Após a introdução dos dados no software RetScreen, os resultados obtidos foram as melhores
possíveis.
Tabela 4 – Analise Financeira e Viabilidade Financeira do Projecto Básico
Fonte: Próprio
Análise Financeira
Parâmetros Financeiros
Taxa de inflação % 3,5%
Vida do projecto Ano 10
Razão da dívida % 0%
Custos Iniciais
Sistema de produção de electricidade CVE 531.550 88,1%
Conjunto Motor-Bomba (Fornecimento e Instalação) CVE 71.500 11,9%
Total de custos de investimento CVE 603.050 100,0%
Pagamento anual de custos e empréstimos
Custo (economia) de COM CVE 25.000
Custo combustível - Caso proposto CVE 0
Outro CVE 0
Total de custos anuais CVE 25.000
Economia anual e receita
Custo combustível - caso de referência CVE 121.184
Outro CVE 0
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Total de economia e receita anual CVE 121.184
Viabilidade Financeira
TIR antes impostos - activos % 13,4%
Retorno simples Ano 6,3
Retorno do capital próprio Ano 5,6
Fig. 27: Gráfico De Fluxo De Caixa Cumulativa
Fonte:Próprio
Como podemos observar, o sistema proposto é viável financeiramente mesmo com o elevado
investimento inicial, ou seja, pela avaliação dos indicadores chaves de viabilidade financeira
do projecto pode-se afirmar seguramente que este seria uma mais-valia para a povoação que
irá usufruir do mesmo, tanto na disponibilidade dos recursos hídricos como na poupança de
energia. Pois, o retorno simples ou o número de anos para recuperar custos adicionais das
economias anuais, é de 6,3 anos e o retorno de capital fixo é de 5,6 anos nos 10 anos de
horizonte de projecto. Isto implica dizer que a partir destas datas, o investimento inicial será
liquidado e o saldo do orçamento passará a ser positivo.
E a taxa interna de retorno (TIR), ou os ganhos do projecto durante os seus 10 anos de
horizonte de projecto atinge uns valiosos 13,4%, o que implica que aos 10 anos de
funcionamento, de acordo com os parâmetros financeiros adoptados inicialmente, o fluxo de
caixa culminativo atingirá valores próximos de 590.000 CVE. Esta constatação pode ser
verificada no gráfico de fluxo de caixa culminativo da figura 27.
-800.000
-600.000
-400.000
-200.000
0
200.000
400.000
600.000
800.000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Flu
xo
de
ca
ixa
cu
mu
lati
vo
(C
VE
)
Ano
Gráfico de fluxo de caixa cumulativo
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Conclusão
Em jeito de conclusão, podemos afirmar que os sistemas de bombeamento de água com vista
a distribuição em zonas rurais utilizando energia solar fotovoltaico para caudais menores de
50m3 por dia são a melhor opção para comunidades cujo abastecimento de água é deficitário.
Nesta monografia, foi apresentado uma proposta de metodologia de dimensionamento
simplificado, de fácil aplicação para os especialistas, bem como uma avaliação de viabilidade
financeira onde posteriormente esta metodologia de dimensionamento e avaliação de
viabilidade financeira é aplicada num estudo de caso, isto é, um projecto desenvolvido para a
região de Madeiral, São Vicente.
Tendo-se como objectivo principal apresentar de forma simplificada uma metodologia de
dimensionamento de sistemas de bombeamento de água acoplado a um sistema de produção
de energia solar fotovoltaica, e mostrar que este sistema é o mais adequado para as zonas
rurais, pode-se então concluir a partir do estudo de caso que estes sistemas são viáveis
financeiramente e que a metodologia proposta é simples, exacta e segura, sem
sobredimensionamentos tanto no sistema hidráulico (tubulações e conjunto motor-bomba)
como nos arranjos fotovoltaicos. Visto que o abastecimento de água está directamente ligado
a disponibilidade de energia e recursos hídricos subterrâneos, e que a ampliação da rede
eléctrica é cara, principalmente para as populações rurais isoladas, bem como a extracção de
água por vezes é de difícil obtenção e, ainda existem muitas dificuldades e obstáculos, as
formas de geração autónoma de energia podem contribuir significativamente para a solução
deste problema em muitos casos.
Uma das limitações foi a quase inexistência de fontes e, os valores estatísticos, probabilísticos
e outros valores utilizados no estudo de caso foram obtidos na sua maioria a partir de
consultas e pesquisas na internet.
Como recomendação futura aconselha-se fazer um estudo comparativo dos custos de
bombeamento para as outras opções consideradas como a diesel e eléctrica, e mostrar também
como os diversos parâmetros envolvidos interferem nos custos finais dos projectos. Também
deve ser feito um estudo de todas as possibilidades e variáveis existentes, segundo as
condições específicas de cada local.
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Referências Bibliográficas
FEDRIZZI, Maria Cristina. Fornecimento de água com sistemas de bombeamento
fotovoltaico – dimensionamento simplificado e análise de competitividade para sistemas de
pequeno porte. Dissertação (Mestrado), Programa Inter - Unidades de Pós-Graduação em
Energia da Universidade de São Paulo, 1997.
FEDRIZZI, Maria Cristina. Sistemas fotovoltaicos de abastecimento de água para uso
comunitário: Lições apreendidas e procedimentos para potencializar sua difusão. Dissertação
(Doutoramento), Programa Inter - Unidades de Pós-Graduação em Energia da Universidade
de São Paulo, 2003.
FRAIDENRAICH, Naum, VILELA, Olga de Castro. Avanço em sistemas de abastecimento
de água com bombeamento fotovoltaico para comunidades rurais. Revista Brasileira de
Recursos Hídricos, Jul./Set 1999, pág. 69-81, Recife, PE
WHO, The World Health Organization. The right to water. Geneva: World Health
Organization, 2003.
LOPES JÚNIOR, Álvaro Polido, A energia solar fotovoltaica utilizada em bombeamentos de
água – Aplicações e perspectivas. Monografia (especialista). Curso de Pós-Graduação em
Fontes Alternativas de Energia no Departamento de Engenharia da Universidade Federal de
Lavras, Minas Gerais, 2005
SOLARTERRA, Energias Alternativa, Energia Solar Fotovoltaica – Guião Pratico. Editado
por SolarTerra – Soluções em Energia Alternativa, São Paulo.
COSTA, Eurides, Turbomáquinas. Apostila de aula de Hidráulica II, Curso Pós-graduação em
Engenharia Civil na Universidade de Cabo Verde / Departamento de Engenharia e Ciências
do Mar, Mindelo, 2011
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PEREIRA BRAGA, Renata, Energia Solar Fotovoltaica: Fundamentos E Aplicações.
Dissertação (Licenciatura), Curso de Pós-Graduação em Engenharia Electrónica na Escola
Politécnica Da Universidade Federal Do Rio De Janeiro, 2008
FERRER, Raquel, Aplicação Da Energia Renovável Na Bombagem De Água Em Cabo Verde
- Bombagem De Água Em Cabo Verde - Energia Solar. Programa Regional Solar Cabo
Verde/ União Europeia, Praia, 2010
BARLOW, R., McNELIS, B. & DERRICK, A. Solar pumping. An introduction and update
on the technology, performance, costs and economics. World Bank, Relatório Técnico n°168,
1993
SERVANT, J. M. Recent developments in PV pumping applications and research in
European Community. 12th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Amsterdão,
Holanda, 1994
D’OLIVEIRA, Teresa. Teses e dissertações. RH Editora, Lisboa, 2002
GIL, António Carlos. Como Elaborar Projectos de Pesquisa. Ed. Editora Atlas S.A., São
Paulo, 1999
ALMEIDA, João Ferreira; PINTO, José Madureira. A Investigação nas Ciências Sociais.
Editorial Presença. 5ª Ed. Lisboa, 1995
OUTRAS REFERENCIAS:
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RETSCREEN INTERNATIONAL (http://www.retscreen.net/pt/home.php) Data de Acesso
5/12/12
LOBOSOLAR – Energias Renováveis (http://www.lobosolar.com/) Data de Acesso 8/12/12
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Anexos
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Anexo I
VELOCIDADES ECONÓMICAS E MATERIAL DE TUBULAÇÃO EM FUNÇÃO DO
FLUIDO BOMBEADO
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Anexo II
DIAGRAMA DE MOODY
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Anexo III
COEFICIENTE K, PARA VÁRIAS CONEXÕES E AS PERDAS DE CARGA EM
TUBULAÇÃO DO PVC
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Anexo IV
CATALOGO COMERCIAL DE BOMBA ELÉCTRICA
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Anexo V
FOLHA DE CALCULO DO DIMENSIONAMENTO DO PROJECTO BÁSICO
Demanda de Projecto
Taxa de Crescimento geométrico 1,0%
População
Ano 0 200 Hab
Ano 10 221 Hab
Per - capita 50 L/hab/dia
Caudal Projecto 11046,22125 L/dia
0,000511399 t/s
Caudal Dim. 0,000767099 t/s
Dimensionamento da tubulação
Velocidade económica 1 m/s
Diâmetro económico 31,3 mm
Diâmetro Comercial
Recalque
32 mm
Diâmetro Comercial
Sucção
40 mm
Alturas manométricas
Sucção Recalque
f 0,025 f 0,023
k (m) 19,5 k (m) 30,5
Hv (m) 5 Hv (m) 20
L (m) 10 L (m) 50
v (m/s) 0,6 v (m/s) 1
Altura Manométrica Sucção 5,47 m
Altura Manométrica Recalque 23,39 m
Altura Manométrica Total 28,86 m
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Curva Característica da Instalação
Coeficiente geométrico de atrito de sucção 634405,44 s2/m
5
Coeficiente geométrico de atrito de recalque 8905838,1 s2/m
5
Coeficiente geométrico de atrito total
9540243,5 s2/m
5
0,74 h2/m
5
Equação da Curva Característica H=25+0,74*Q2
Q (m3/h) Hm (m)
0 25
1 25,74
2 27,96
3 31,66
4 36,84
5 43,5
6 51,64
7 61,26
8 72,36
9 84,94
10 99
11 114,54
12 131,56
13 150,06
14 170,04
15 191,5
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15
Alt
ura
Man
om
etr
ica
em
me
tro
s
Caudal em toneladas por hora
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Anexo VI
FOLHAS DE DADOS, AS CURVAS DE FUNCIONAMENTO E O ATRAVANCAMENTO
DA BOMBA
Folha De Dados:
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62
Curva de Funcionamento:
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63
Desenho Esquemático do Motor-Bomba: