8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
1/152
UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA "JLIO DE MESQUITA FILHO"
FACULDADE DE CINCIAS AGRONMICASCMPUS DE BOTUCATU
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE CONTROLE PARA
AVALIAO DE FONTES DE ENERGIAS RENOVVEIS NOBOMBEAMENTO DE GUA
JOS FERNANDO PRESENO
Tese apresentada Faculdade de CinciasAgronmicas da UNESP - Campus deBotucatu, para obteno do ttulo de Doutorem Agronomia - rea de Concentrao emEnergia na Agricultura.
BOTUCATU - SPSetembro de 2007
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
2/152
UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA "JLIO DE MESQUITA FILHO"
FACULDADE DE CINCIAS AGRONMICASCMPUS DE BOTUCATU
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE CONTROLE PARA
AVALIAO DE FONTES DE ENERGIAS RENOVVEIS NOBOMBEAMENTO DE GUA
JOS FERNANDO PRESENO
Orientador : Prof. Dr. Odivaldo Jos Seraphim
Tese apresentada Faculdade de CinciasAgronmicas da UNESP - Campus deBotucatu, para obteno do ttulo de Doutorem Agronomia - rea de Concentrao emEnergia na Agricultura.
BOTUCATU - SPSetembro de 2007
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
3/152
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
4/152
FICHA CATALOGRFICA ELABORADA PELA SEO TCNICA DE AQUISIO E TRATAMEN-TO DA INFORMAO SERVIO TCNICO DE BIBLIOTECA E DOCUMENTAO - UNESP -FCA - LAGEADO - BOTUCATU (SP)
Preseno, Jos Fernando, 1958-P933d Desenvolvimento de um sistema de controle para avalia-
o de fontes de energias renovveis no bombeamento de -gua / Jos Fernando Preseno. Botucatu : [s.n.], 2007.
x, 141 f. : il. color., grfs., tabs.
Tese (Doutorado) -Universidade Estadual Paulista, Fa-culdade de Cincias Agronmicas, Botucatu, 2007
Orientador: Odivaldo Jos SeraphimInclui bibliografia
1. Energia - Fontes alternativas. 2. Bombas hidrulicas.3. Controladores programveis. 4. Bombeamento de gua. I.Seraphim, Odivaldo Jos. II. Universidade Estadual Paulis-ta Jlio de Msquita Filho (Campus de Botucatu). Facul-dade de Cincias Agronmicas. III. Ttulo.
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
5/152
SUMRIO
Pgina
1 RESUMO.........................................................................................................................................01
1.1 SUMMARY..............................................................................................................................03
2 INTRODUO...............................................................................................................................04
3 REVISO BIBLIOGRFICA ........................................................................................................07
3.1 Energia renovvel e no renovvel ...........................................................................................08
3.2 Fontes renovveis......................................................................................................................09
3.3 Energia elica...........................................................................................................................093.3.1 Tipos de aerogeradores .......................................................................................................11
3.3.2 Velocidade do vento .........................................................................................................13
3.3.3 Variao da velocidade do vento com a altura .................................................................13
3.3.4 Influncia da superfcie do terreno na velocidade do vento .............................................14
3.3.5 Disponibilidade de energia ...............................................................................................15
3.3.6 Fator de capacidade...........................................................................................................15
3.3.7 Medio da velocidade do vento.......................................................................................173.4 Energia solar .............................................................................................................................18
3.4.1 Gerao fotovoltaica .........................................................................................................19
3.4.2 Silcio monocristalino .......................................................................................................19
3.4.3 Silcio policristalino..........................................................................................................21
3.4.4 Silcio amorfo....................................................................................................................22
3.4.5 Mdulo fotovoltaico..........................................................................................................23
3.4.6 Caractersticas eltricas dos mdulos fotovoltaicos .........................................................233.4.7 Eficincia do mdulo fotovoltaico....................................................................................25
3.4.8 Configurao dos sistemas fotovoltaicos..........................................................................26
3.4.9 Medio da radiao solar ................................................................................................26
3.4.10 Piranmetros .....................................................................................................................27
3.5 Baterias ......................................................................................................................................28
3.5.1 Tenses em uma bateria......................................................................................................28
3.6 Controlador lgico programvel...............................................................................................29
3.6.1 Partes constituintes de um CLP ..........................................................................................32
3.7 Sistemas hbridos ......................................................................................................................33
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
6/152
3.8 Bombeamento de gua com sistemas elicos...........................................................................34
3.8.1 Avaliao do potencial elico............................................................................................35
3.8.2 Equipamentos e mecanismos elicos para bombeamento de gua....................................37
3.9 Bombeamento de gua com sistema fotovoltaico.....................................................................38
3.9.1 Equipamentos para sistemas fotovoltaicos de bombeamento.............................................41
4 MATERIAL E MTODOS.............................................................................................................44
4.1 Material.....................................................................................................................................44
4.1.1 Localizao fsica...............................................................................................................44
4.1.2 Sistema hidrulico..............................................................................................................45
4.1.3 Aerogerador .......................................................................................................................49
4.1.4 Painis solares....................................................................................................................50
4.1.5 Equipamentos de medies meteorolgicas ......................................................................53
4.1.6 Equipamentos do sistema de controle................................................................................58
4.2 Mtodos.....................................................................................................................................59
4.2.1 Sistema automatizado de operao com CLP....................................................................59
4.2.2 Avaliao das caractersticas hidrulicas e energticas do sistema painel
solar-bomba Shurflo em ligao direta ..............................................................................61
4.2.3 Avaliao do potencial elico no local do experimento ....................................................64
5 RESULTADOS E DISCUSSO.....................................................................................................65
5.1 Sistema automatizado com CLP ...............................................................................................65
5.1.1 Comandos para monitorao de dados ...............................................................................70
5.2 Avaliao do sistema painel solar-bomba Shurflo em ligao direta .......................................71
5.3 Desempenho do sistema elico.................................................................................................82
5.4 Horrios de efetivo funcionamento...........................................................................................83
6 CONCLUSO.................................................................................................................................846.1 Automatizao com controlador lgico programvel...............................................................84
6.2 Avaliao hidrulico energtica do painel solar ligado na bomba Shurflo ..............................85
6.3 Avaliao do sistema elico......................................................................................................86
7 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS.............................................................................................88
APNDICE 01 Programa em linguagem Ladder aplicado no sistema de automao ......................97
APNDICE 02 Dados meteorolgicos e hidrulicos semanais registrados .....................................106
APNDICE 03 Horrios de efetivo funcionamento do sistema solar direto....................................133APNDICE 04 Mtodo para determinao da altura manomtrica .................................................136
APNDICE 05 Valor de correntes, temperatura e ndice pluviomtrico mensal.............................139
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
7/152
LISTA DE FIGURAS
Pgina
Figura 1 Aerogerador Savonius .......................................................................................................11
Figura 2 Aerogerador Darrieus ........................................................................................................11
Figura 3 Aerogerador de eixo horizontal.........................................................................................12
Figura 4 Aerogerador de ps mltiplas............................................................................................12
Figura 5 Silcio Monocristalino .......................................................................................................20
Figura 6 - Silcio Policristalino...........................................................................................................21Figura 7 - Curva caracterstiva V x I ..................................................................................................24
Figura 8 - Curva caracterstica Potncia x Voltagem .........................................................................24
Figura 9 Partes constituintes do CLP...............................................................................................32
Figura 10 Laboratrio de Energizao Rural , FCA, Unesp............................................................45
Figura 11 Bomba Shurflo 8000.....................................................................................................46
Figura 12 - Hidrmetro Eletrnico .....................................................................................................46
Figura 13 - Layout do Sistema Hdrulico (Elevao) ........................................................................47
Figura 14 Sistema Hidrulico ..........................................................................................................48
Figura 15 Caixa Superior com Sensores e Solenide ......................................................................48
Figura 16 Aerogerador AIR X , 400 W ........................................................................................49
Figura 17 Painl Policristalino , S 70 , Shel ....................................................................................51
Figiura 18 - Painel Heliodinmica, 45 W ...........................................................................................52
Figura 19 Painel Siemens , SP65 .....................................................................................................52
Figura 20 Torre para instalao de equipamentos meteorolgicos..................................................53
Figura 21 Anemmetro RM-Young Winder Monitor .....................................................................53
Figura 22 - Sonda Termo Higrmetro HMP45C ................................................................................56
Figura 23 Datalogger CRX 22 , Campbel........................................................................................57
Figura 24 Dispositivos eltricos utilizados......................................................................................58
FIgura 25 Caixas de Acondicionamento do Equipamento Eltrico.................................................58
Figura 26 Fontes de energia utilizada..............................................................................................59
Figura 27 - Medio de corrente com resistor Shunt ..........................................................................62
Figura 28 Sistema de alimentao das bombas................................................................................66Figura 29 Mapa de utilizao do CLP ............................................................................................66
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
8/152
Figura 30 Volume bombeado x Radiao mdia por perodo .........................................................73
Figura 31 Relao entre radiao mdia x volume bombeado ........................................................73
Figura 32 Radiao Mdia x Volume Bombeado, ms abril/2006..................................................74
Figura 33 Volume bombeado x Energia Consumida, ms abril/2006.............................................74
Figura 34 Radiao Mdia x Volume Bombeado, ms maio/2006................................................74
Figura 35 Volume bombeado x Energia Consumida, ms maio/2006 ............................................74
Figura 36 Radiao Mdia x Volume Bombeado, ms jnho/2006 ..................................................75
Figura 37 Volume bombeado x Energia Consumida, ms junho/2006..........................................75
Figura 38 Radiao Mdia x Volume Bombeado, ms julho/2006.................................................75
Figura 39 Volume bombeado x Energia Consumida, ms julho/2006...........................................75
Figura 40 Radiao Mdia x Volume Bombeado, ms aagosto/2006.............................................76
Figura 41 Volume bombeado x Energia Consumida, ms agosto/2006..........................................76
Figura 42 Radiao Mdia x Volume Bombeado, ms setembro/2006...........................................76
Figura 43 Volume bombeado x Energia Consumida, ms setembro/2006.....................................76
Figura 44 Radiao Mdia x Volume Bombeado, ms outubro/2006............................................77
Figura 45 Volume bombeado x Energia Consumida, ms outubro /2006.......................................77
Figura 46 Radiao Mdia x Volume Bombeado, ms novembro/2006........................................77
Figura 47 Volume bombeado x Energia Consumida, ms novembro/2006....................................77
Figura 48 Radiao Mdia x Volume Bombeado, ms dezembro/2006 ........................................78
Figura 49 Volume bombeado x Energia Consumida, ms dezembro /2006...................................78
Figura 50 Radiao Mdia x Volume Bombeado, ms janeiro/2007..............................................78
Figura 51 Volume Bombeado x Energia Consumida, ms janeiro/2007.........................................78
Figura 52 Radiao Mdia x Volume bombeado, ms fevereiro/2007 ...........................................79
Figura 53 Volume Bombeado x Energia Consumida, ms fevereiro/2007.....................................79
Figura 54 Radiao Mdia x Volume Bombeado, ms maro/2007 ...............................................79Figura 55 Volume Bombeado x Energia Consumida, ms maro/2007..........................................79
Figura 56 - Coeficiente mensal r (l/w/m2.).........................................................................................80
Figura 57 Coeficiente K (wh/l)........................................................................................................81
Figura 58 Velocidade mdia do vento por ms ...............................................................................82
Figura 59 Esquema para determinao do horrio de efetivo funcionamento.................................83
Figura 60 Dados caractersticos da bomba Shurflo 8000 ...............................................................138
Figura 61 Correntes mximas registradas por semana ...................................................................140Figura 62 Temperaturas mdias mensais........................................................................................141
Figura 63 ndice pluviomtrico mensal ..........................................................................................141
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
9/152
LISTA DE TABELAS
PginaTabela 1 Fator de rugosidade do terreno..........................................................................................14
Tabela 2 - Classificao da velocidade dos ventos por Beaufort........................................................35
Tabela 3 Caractersticas da Bomba Shurflo 8000............................................................................45
Tabela 4 Especificaes Tcnicas do Aerogerador .........................................................................50
Tabela 5 Caractersticas Eltricas do mdulo fotovoltaico Shell- 1000W/m2................................50
Tabela 6 - Caractersticas Eltricas mdulo fotovoltaico Heliodinmica -1000W/m2 ......................51
Tabela 7 Caractersticas Eltricas do mdulo fotovoltico Siemens, SP65.....................................52Tabela 8 - Especificaes tcnicas do anemmetro............................................................................54
Tabela 09 - Especificaes tcnicas do piranmetro ..........................................................................55
Tabela 10 Especificaes tcnicas da sonda termo higrmetro.......................................................56
Tabela 11 - Especificaes tcnicas do datalogger.............................................................................57
Tabela 12 Seleo de modo de operao .........................................................................................67
Tabela 13 Operao do sistema em modo automtico.....................................................................67
Tabela 14 Determinao da fonte, conforme prioridade .................................................................68
Tabela 15 Acionamento de sada real no modo automtico ............................................................68
Tabela 16 Comandos para reincio de escaneamento .....................................................................68
Tabela 17 Comandos utilizados para modo manual ........................................................................69
Tabela 18 Comando para reset geral................................................................................................69
Tabela 19 Comandos para nveis mximo e mnimo.......................................................................69
Tabela 20 Comandos para determinao de fluxo...........................................................................70
Tabela 21 - Valores das variveis hidrulicas e energticas por ms .................................................72
Tabela 22 Relao Volume Bombeado x Radiao Mdia Mensal................................................80
Tabela 23 Relao entre energia consumida e volume bombeado ..................................................81
Tabela 24 Velocidade do vento no local de teste.............................................................................82
Tabela 25 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 2 a 4,2006..................................107
Tabela 26 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 9 a15/4,2006 ...........................107
Tabela 27 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 16 a 22/4,2006 ........................108
Tabela 28 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 23 a 29/4,2006 ........................108
Tabela 29 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 30 a 6/5,2006 ..........................109Tabela 30 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 7 a 13/5,2006 ..........................109
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
10/152
Tabela 31 - Dados energticos, Meteorolgicos, Hidrulicos de 14 a 20/5,2006 .........................110
Tabela 32 - Dados energticos, Meteorolgicos, Hidrulicos de 21 a 27/5,2006 ...........................110
Tabela 33 - Dados energticos, Meteorolgicos, Hidrulicos de 28 a3/6,2006 ............................111
Tabela 34 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 4 a10/6,2006 ...........................111
Tabela 35 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 11 a17/6,2006 .........................112
Tabela 36 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 18 a24/6,2006 .........................112
Tabela 37 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 25 a 1/7,2006 ..........................113
Tabela 38 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 2 a 8/7,2006 ............................113
Tabela 39 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 9 a 15/7,2006 ...........................114
Tabela 40 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 16 a 22/7,2006 ........................114
Tabela 41 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 23 a29/7,2006 .........................115
Tabela 42 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 30 a5/8,2006 ...........................115
Tabela 43 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 6 a12/8,2006 ...........................116
Tabela 44 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 13 a 19/8,2006 ..........................116
Tabela 45 - Dados energticos, Meteorolgicos, Hidrulicos de 20 a 26/8,2006 ...........................117
Tabela 46 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 27 a 2/9,2006 ..........................117
Tabela 47 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 3 a 9/9,2006 ............................118
Tabela 48 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 10 a16/9,2006 .........................118
Tabela 49 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 17 a23/9,2006 .........................119
Tabela 50 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 24 a 30/9,2006 ........................119
Tabela 51 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 1 a 7/10,2006 ..........................120
Tabela 52 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 8 a 14/10,2006 ........................120
Tabela 53 - Dados energticos, Meteorolgicos, Hidrulicos de 15 a 21/10,2006 .........................121
Tabela 54 - Dados energticos, Meteorolgicos, Hidrulicos de 22 a 28/10,2006 ........................121
Tabela 55 - Dados energticos, Meteorolgicos, Hidrulicos,29 a 4/11,2006 ................................122Tabela 56 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 5 a 11/11,2006 ..........................122
Tabela 57 - Dados energticos,Meteorolgicos,Hidrulicos de 12 a 18/11,2006 ...........................123
Tabela 58 - Dados energticos, Meteorolgicos, Hidrulicos de 19 a25/11,2006 ..........................123
Tabela 59 - Dados energticos, Meteorolgicos,Hidrulicos de 26 a 2/12,2006 ...........................124
Tabela 60 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 3 a 9/12,2006 ..........................124
Tabela 61 - Dados energticos, Meteorolgicos, Hidrulicos de 10 a 16/12,2006 ........................125
Tabela 62 - Dados energticos, Meteorolgicos, Hidrulicos de 17 a 23/12,2006 .........................125Tabela 63 - Dados energticos, Meteorolgicos, Hidrulicos de 24 a 30/12,2006 .........................126
Tabela 64 - Dados energticos, Meteorolgicos, Hidrulicos de31/12 a 6/1,2007 .........................126
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
11/152
Tabela 65 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 7 a 14/1,2007 ..........................127
Tabela 66 - Dados energticos, Meteorolgicos, Hidrulicos de 15 a 21/1,2007 ...........................127
Tabela 67 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 22 a 27/1,2007 ........................128
Tabela 68- Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 4 a 10/2,2007 ............................128
Tabela 69 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de11 a 17/2,2007 ..........................129
Tabela 70 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 18 a 24/2,2007 .........................129
Tabela 71 - Dados energticos, Meteorolgicos, Hidrulicos de 25/2 a 3/3,2007 ..........................130
Tabela 72 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 4 a 10/3,2007 ...........................130
Tabela 73 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de11 a17/3,2007 ...........................131
Tabela 74 - Dados energticos , Meteorolgicos, Hidrulicos de 18 a 24/3,2007 .........................131
Tabela 75 - Dados energticos, Meteorolgicos, Hidrulicos de 26/3 a 1/ 4,2007 .........................132
Tabela 76 - Horrios de efetivo funcionamento, 2 a 8/4 de 2006......................................................134
Tabela 77 Horrios de efetivo funcionamento, 9 a 15/4 de 2006 ...................................................134
Tabela 78 Horrios de efetivo funcionamento,16 a 22/4 de 2006 ..................................................135
Tabela 79 Horrios de efetivo funcionamento,23 a 29/4 de 2006 ..................................................135
Tabela 80 - Valores das correntes mximas, em amperes, registradas por semana..........................140
Tabela 81 Potncia mdia gerada, em Watts, pelo painel solar......................................................141
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
12/152
1 RESUMO
A utilizao de sistemas energticos alternativos, nos dias atuais, uma
necessidade de carter urgente devido aos problemas que o planeta vem enfrentando como o
aquecimento global, efeito estufa e a perda da camada de oznio.A limitao das fontes de energias convencionais outro problema que ter
de ser equacionado para o futuro da humanidade; deve-se considerar que as pessoas esto habitando,
cada vez mais, locais afastados e desprovidos de infra-estrutura energtica.
Aplicando-se tecnologias como as de automao e controle podemos
solucionar esse problema; portanto, o trabalho visou a aplicao de um equipamento de uso
industrial, o Controlador Lgico Programvel, em sistemas de energia renovveis, notadamente o
sistema de gerao elica e a gerao fotovoltaica, usados para bombeamento de gua, objetivando-se um controle automtico e mais eficiente nos locais onde haja disponibilidade simultnea dessas
fontes, baseados em critrio de prioridade pr-estabelecido.
Fez-se, tambm, uma avaliao do potencial hidrulico e energtico dos
sistemas de energia fotovoltaico e elico utilizados no sistema automtico de bombeamento de gua
no local de realizao do experimento para as condies fsicas pr-estabelecidas.
Os resultados mostraram que o sistema de controle utilizando o CLP
vivel, possui confiabilidade e o programa desenvolvido em linguagem Ladder pode ser adaptado
para a utilizao com vrias fontes de energia disponveis em um determinado local.
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
13/152
2
O sistema fotovoltaico de bombeamento direto, que utilizou um painel solar
policristalino de 70 Watts ligado a uma bomba Shurflo 8000, mostrou-se eficiente com vazes
significativas em quase todos os meses.
O sistema elico de bombeamento indireto, utilizando um mini aerogerador
de 400 Watts alimentando uma bateria ligada bomba Shurflo, no demonstrou capacidade
energtica suficiente para utilizao nesse tipo especfico de aplicao.
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
14/152
3
DEVELOPMENT OF A CONTROL SYSTEM FOR EVALUATION OF RENEWABLEPOWER PLANTS IN THE WATER PUMPING. Botucatu, 2003. 141p.
Tese (Tese em Agronomia, rea de concentrao Energia na Agricultura) Faculdade de Cincias
Agronmicas, Universidade Estadual Paulista.
Author: JOS FERNANDO PRESENO
Adviser: PROF. DR. ODIVALDO JOS SERAPHIM
SUMMARY
The use of alternative energy systems in the current days is an urgent
necessity due to the problems that the planet is facing as the heating and loss of ozone layer. The
scarcity of conventional energy is another problem that must be solved for the future of humanity. It
must be considered that the people are inhabiting places moved away not always with available
energy. The application of technologies as automation and control can help us to solve this problem.
Therefore, this work aimed at apply an equipment of industrial usage, the Programmable Logical
Controller, PLC, in alternative energies systems, as eolic generation and fotovoltaic generation usedfor water pumping, aiming the automatic control and the efficiency in the places where it has
simultaneous availability of these sources, based in criterion of priority that previously established
itself between them. It was made a hydraulic and energetic evaluation of the energy system, eolic
and fotovoltaic, used in the automatic control system of pumping, in the place of accomplishment of
the experiment, according to previously established physical conditions. The results have shown that
the control system using the PLC is practicable and has trustworthiness. The program developed can
be adapted for the use with several power plants in a specific application place. The fotovoltaic
system of pumping, using a polycrystalline of 70 Watts connected to a pump Shurflo 8000, showed
to be efficient with significant flows in almost all the months. The eolic system of pumping, using an
eolic generator of 400 Watts assembled in place of experiment, did not demonstrate energetic
capacity for use in this specific type of application.
Keywords: Automatic system, renewable energy, water pumping.
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
15/152
4
2 INTRODUO
H aproximadamente 750.000 anos at a Revoluo Industrial, houve pouca
evoluo na maneira de se utilizar a energia. Com a industrializao, a necessidade de se ter energia
aumentou e novas fontes foram introduzidas. Disseminou-se o uso do carvo mineral e uma era de
combustveis fsseis foi iniciada. A inveno de mquinas, no sculo XIX, lanou a base para a
introduo da moderna sociedade de consumo, caracterizada por uma intensidade energtica nuncavista na histria da humanidade. Logo, foi estabelecido o fim da era representada por
aproveitamentos hidrulicos, elicos e queima de madeira em pequena escala. Assim, foram
necessrios novos combustveis com maior poder energtico, sendo o petrleo aquele que reuniu o
maior potencial. Iniciou-se a chamada fase lquida, que se mantm at os dias de hoje. Aps a
Segunda Guerra Mundial, a energia nuclear parecia ser uma alternativa promissora, mas com
problemas de armazenamento dos resduos radioativos e com o acidente nuclear na Ucrnia, na
Usina de Chernobyl , em 1986 , ela sofreu vrios questionamentos.
Mas, todas as atividades humanas sobre a Terra levam a mudanas no meio
ambiente. E, sem dvida, muitos desses impactos so provenientes da gerao e uso de energia.
Avaliaes estatsticas sobre o uso de energia nos tempos atuais mostram que 86% do consumo
provem de fontes no renovveis, Petrleo, Gs Natural, Energia Nuclear e os restantes 14% de
fontes renovveis sendo que 53% desse consumo ocorre em 24 pases chamados de desenvolvidos.
Esta enorme dependncia de fontes no renovveis tem acarretado preocupao permanente com o
esgotamento destas fontes e com a emisso de dixido de carbono - CO2 - na atmosfera.
Especialistas acreditam que o aumento da temperatura mdia da biosfera terrestre seja devido a este
acrscimo de CO2 e outros gases, efeito conhecido como efeito estufa.
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
16/152
5
Vrios pases j se comprometeram com algum tipo de controle destas
emisses, mesmo que at o momento, estas aes tenham ficado mais ao nvel da retrica do que de
aes efetivas. O Protocolo de Kyoto, que entrou em vigor no incio deste ano, exige que os pases
mais desenvolvidos reduzam suas emisses de gases do efeito estufa em aproximadamente 5% at
2012, com bases nas emisses de 1990. Os Estados Unidos da Amrica, responsveis por mais de
35% das emisses de CO2 entre os pases industrializados, esto fora do acordo por acreditar que ele
prejudicial para sua economia e injusto por no impor metas de reduo tambm aos pases em
desenvolvimento, como o Brasil. Os EUA propem, como alternativa, o investimento em novas
tecnologias, capazes de reduzir as emisses sem prejudicar o crescimento econmico Imaginando-se
que os 47% dos pases ditos subdesenvolvidos ou em desenvolvimento possam atingir maiores
nveis de desenvolvimento na economia mundial, o consumo de energia e a emisso de CO2
acabaro inviabilizando a vida na Terra, a menos que se explorem e se desenvolvam outras fontes,
preferencialmente fontes renovveis de energia tais como Solar, Elica e Biomassa .
Dentro desse ponto de vista, para podermos desenvolver pases ou regies
subdesenvolvidas, a aplicao dessas fontes renovveis se faz necessrio e imprescindvel, no s
para a populao desses locais, mas para toda a humanidade.
Uma necessidade bsica dessas pessoas o consumo de gua, de forma
individual ou coletiva, para higiene, consumo ou irrigao. Em regies afastadas, isoladas, no
providas de energia eltrica, a obteno deste bem difcil e, muitas vezes, feito de forma arcaica, a
partir de rios e poos. Para poder-se aproveitar melhor esse bem e dar melhor qualidade de vida s
pessoas, devem ser instalados dispositivos que so usados em regies desenvolvidas, como bombas
de gua e chuveiros. Acontece que nem sempre h interesse por parte das companhias de
distribuio de energia eltrica em levar essa energia a essas comunidades. Logo, o melhor
aproveitamento da gua fica comprometido. A alternativa tecnolgica a aplicao de energia
renovvel, tais como a energia solar, a energia elica e a biomassa. A aplicao de forma individualde cada uma dessas fontes renovveis j bem difundida e estudada. Cada uma possui caractersticas
prprias de desempenho. A combinao delas formando um sistema chamado de hbrido para
abastecer essas comunidades uma alternativa relevante, pois na falta de uma dessas fontes, outra
pode suprir o abastecimento aumentando a capacidade energtica do sistema; para isso, o momento
de interveno de cada fonte no pode ocorrer de modo aleatrio, mas de modo programado,
baseado na fonte com maior eficincia em um determinado momento do dia. Isto conseguido com
a aplicao de sistemas automatizados de controle, que por sua vez, devem ser energizados pelasmesmas fontes alternativas renovveis que sero aplicadas no abastecimento da comunidade.
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
17/152
6
Com a aplicao de varias fontes renovveis, combinadas com um sistema
automatizado de controle, como um CLP, a disponibilidade de gua atingir uma boa eficincia
durante todo perodo do dia. Logo, a qualidade de vida pode aumentar de forma significativa.
Portanto, este trabalho tem como objetivos:
I) Desenvolver um sistema automatizado, usando Controlador Lgico
Programvel, aplicvel em sistemas com mais de uma fonte de energia, que deve escolher entre
fontes de energia renovveis disponveis no local de aplicao, qual a que acrescenta maior
eficincia para um determinado momento, baseado num sistema de tomada de deciso com critrio
de prioridade pr-definido.
II) Avaliar o potencial energtico e hidrulico da fonte solar e da fonte elica
utilizada no sistema de automao desenvolvido.
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
18/152
7
3 REVISO BIBLIOGRFICA
de conhecimento que cada indivduo tem um padro de consumo. Da
comida que comemos at os automveis que conduzimos afetam nossa vida; logo, quanto mais
pessoas vivem na Terra, maior ser o consumo de energia, de gua e consequentemente maiores
sero as emisses de gases para produzirmos esses bens. Talvez essas sejam as trs variveis de umaequao que ter de ser resolvida para no inviabilizarmos a vida na Terra.
Segundo BEN (2005), o Produto Interno Bruto Mundial dever crescer a uma
taxa de 2,92% ao ano (aa.) no perodo de 2000 a 2025. Os pases industrializados devero crescer a
uma taxa de 2,36 % aa., os em desenvolvimento, a 4,5% aa. e pases em reestruturao, a 4,21% aa.
A populao mundial ter um crescimento mdio de 1,03% aa. e atingir 7.840 milhes de
habitantes em 2025. Os pases desenvolvidos apresentam taxas de 0,46% aa., os em
desenvolvimento de 1,23% aa. e os em estruturao de -0,24% aa. Os pases em desenvolvimento,com as maiores taxas de crescimento econmico, chegaro em 2025 com 28% do PIB mundial e
com uma renda per capta de US$ 2871. Os pases industrializados, com uma renda per capta de US$
41.984 representaro ainda 68% do PIB mundial em 2025. Ainda, segundo BEN 2005, nesse
cenrio, a demanda mundial de energia- referncia 2004 chega a 15.697 milhes de toneladas
equivalentes de petrleo no ano de 2025, apresentando taxa mdia de crescimento de 1,09% aa. no
perodo, pois h um maior esforo de racionalizao do uso da energia em relao a perodos
anteriores. So pequenas as variaes na estrutura de participao das fontes de energia na oferta
mundial. O gs natural aumentou a participao fazendo com que o carvo mineral tivesse seu uso
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
19/152
8
diminudo. O petrleo e a energia nuclear apresentam pequena perda de participao e as fontes
renovveis, hidrulica, biomassa, elica e solar mantm a participao.
As emisses de CO2 - Dixido de Carbono - chegam a 37.127 milhes de
toneladas em 2025. Para os pases em desenvolvimento esperada uma reduo neste indicador de
0,05% aa. Os pases em estruturao reduzem em 0,15% aa. Os industrializados, espera-se que
mantenham os nveis atuais de emisso. Para o Brasil previsto um crescimento de 3,63% aa; a
populao deve crescer a uma taxa de 0,96% 0,96% aa. e o PIB brasileiro deve atingir 3,2% do PIB
mundial nesse perodo, com uma renda per capta de US$ 9.611 para uma populao de 216 milhes
de pessoas. O consumo de energia estimado para 2025 de 346 milhes de tep, com taxa de
crescimento de 2,42% aa.; o pas chega a 2025 consumindo 2,2% da energia mundial, mas com
apenas 1,93 % das emisses totais de CO2 pela utilizao de energia. A ONU prev que em 2050
mais de 45% da populao mundial no poder contar com a poro mnima individual de gua para
necessidades bsicas. Segundo dados estatsticos existem hoje 1,1 bilho de pessoas praticamente
sem acesso gua doce. Estas mesmas estatsticas projetam o caos em pouco mais de 40 anos. Os
dados que so utilizados pela mdia mundial so: De toda a gua disponvel na Terra, 97,6% est
concentrada nos oceanos. A gua fresca corresponde aos 2,4% restantes; destes 2,4%, somente
0,31% no esto concentrados nos plos na forma de gelo. Resumindo: de toda a gua na superfcie
da terra, menos de 0,02% est disponvel em rios e lagos na forma de gua fresca pronta para
consumo. (Jacobi, 2002)
O principal uso de gua na agricultura. As guas pblicas, que precisam
tratamento e transporte tm uma distribuio diferente; aproximadamente 60% desta gua ser usada
para fins domsticos, 15% para fins comerciais e 13% em indstrias. O restante para fins pblicos e
outras necessidades.
3.1 Energia Renovvel e No Renovvel
Considera-se fonte de energia toda substncia como
petrleo, carvo, urnio e biomassa, capaz de produzir energia em processos de transformao,
combusto, fisso nuclear, como tambm as formas de energia solar, gravitacional, energia das
ondas, hidrulica, e dos gases; energia elica, energia geotrmica, cuja transformao em outras
formas de energia pode ser realizada em larga escala. Considerando-se as fontes de energia hoje
conhecidas, podemos classific-las em dois tipos: fontes primrias, originadas de processosfundamentais da natureza, como a energia dos ncleos dos tomos ou a energia gravitacional e,
secundrias, derivadas das primeiras, representando apenas transformaes ou diferentes formas
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
20/152
9
daquelas, tais como a energia da biomassa, energia solar, a das mars e energia gravitacional.
(Silva & Cavaliero, 2003)
As fontes geradoras de energia atualmente conhecidas e exploradas, so
dividida em renovveis e no renovveis:
Energia renovvel: aquela que, num prazo de tempo muito longo, no esgota a sua reserva:
Energias no renovveis: so aquelas originadas de fontes fsseis como o petrleo.
As energias renovveis so cada vez mais utilizadas porque permitem um
desenvolvimento mais sustentvel, so menos poluentes e evitam a dependncia de energticos
fsseis esgotveis. Esta dependncia dos combustveis fsseis alm de aumentar o efeito estufa do
planeta nos torna mais vulnerveis com relao ao maior reservatrio mundial: o Oriente Mdio
(Palz, 2002).
3.2 Fontes Renovveis
Os sistemas convencionais de fornecimento de energia, desenvolvidos
principalmente atravs de unidades de produo e distribuio altamente centralizadas nem sempre
apresentam a melhor opo para satisfazer as necessidades dos consumidores, principalmente as do
setor rural. Isto se deve em parte elevada disperso das populaes das zonas rurais e s baixas
demandas de energia, j que as atividades econmicas destas populaes, em geral, so muito
reduzidas. O fornecimento de energia para o setor rural atravs de mtodos convencionais pode ter
custo elevado, pois o transporte e a distribuio acabam se tornando mais dispendiosos do que a
prpria gerao de energia.
Com a escassez das fontes convencionais de produo de energia outras
opes devem ser consideradas, como a utilizao de recursos energticos renovveis, que
apresentam mltiplas vantagens: possibilitam o uso da mo de obra local, no degradam o meioambiente e facilitam a possibilidade econmica de energia til em pequena escala para aplicaes
como a ligao de aparelhos eltricos tais como TV, Rdio e tambm para o bombeamento de gua,
tanto para consumo prprio como para irrigao. (Silva, 2003)
As fontes renovveis esto sendo utilizadas e seu emprego est cada vez mais
difundido. Cabe destacar a Energia Elica e Energia Solar.
3.3 Energia ElicaO uso de energia elica no mundo tem crescido muito nos ltimos anos, em
virtude de uma srie de fatores, entre os quais se destacam a disseminao da tecnologia, o
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
21/152
10
aperfeioamento das mquinas, os custos decrescentes de investimentos e em particular a procura
por fontes energticas limpas e renovveis cuja explorao resulte em pequenos impactos
ambientais. Em vrias regies do mundo, rgos governamentais e a iniciativa privada tm
investindo fortemente nessa fonte de energia, desde a produo em larga escala, at a produo de
energia eltrica para atender pequenas comunidades ou fazendas individuais.
No Brasil, a utilizao de energia elica, assim como de outras fontes de
energia renovvel, tem sido impulsionada, alm dos fatores j mencionados, pela necessidade do
aumento da oferta de energia eltrica para atender a demanda provocada pelo crescimento
econmico. Comparada com outras fontes de gerao renovveis, o aproveitamento da energia
elica, em locais com evidncias objetivas de ventos de rpida implantao, podendo ser,
inclusive, uma alternativa a demandas de curto prazo.
As medies j realizadas indicam que o Brasil possui um grande potencial
elico com caractersticas que contribuem para melhorar a qualidade de nossa matriz energtica. Em
regies do Norte e do Nordeste brasileiro, onde j existam outros sistemas de gerao de energia
eltrica, as hidreltricas, o comportamento dos ventos facilita a sua complementariedade, visto que o
perodo em que o volume de gua das represas menor aquele em que obtemos os melhores
ventos. Por outro lado, existem regies que no so assistidas por qualquer outra forma de gerao
de energia ou sistemas de gerao para os quais os custos de transporte de combustvel ou de
implantao de linhas de transmisso muito elevado, mas que apresentam bons indicativos de
vento, podendo a energia elica ser usada como fonte principal de energia A energia elica poder
ser usada para atender a duas finalidades : o bombeamento de gua e a gerao de eletricidade.
(S e Lopes, 2001).
O combustvel do sistema de energia elica o vento, movimento do ar na
atmosfera terrestre. Esse movimento do ar gerado principalmente pelo aquecimento da superfcie
da Terra nas regies prximas ao Equador e pelo resfriamento nas regies prximas aos plos; dessaforma, os ventos das superfcies frias circulam dos plos em direo ao Equador para substituir o ar
quente tropical que, por sua vez, desloca-se para os plos. O vento influenciado pela rotao da
Terra, provocando variaes sazonais na sua intensidade e direo, e pela topografia do local. Para
se utilizar a energia dos ventos de forma eficiente na gerao, necessrio medir-se a intensidade e a
direo desses ventos. Essas medies so feitas com anemmetros instalados a 10 metros do solo.
O conhecimento da velocidade mdia do vento fundamental para a estimativa da energia
produzida, pois os aerogeradores comeam a girar numa determinada velocidade de vento, cut-in, eparam de girar quando a velocidade ultrapassa determinado valor de segurana, cut-out; tambm se
utiliza a velocidade do vento para dimensionar o sistema de armazenamento. Qualquer corpo
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
22/152
11
exposto ao vento absorve parte de sua energia. No entanto, para um aerogerador, necessrio que
este absorva o mximo de energia possvel com um mnimo de massa e que haja um meio de retirar
essa energia. A porcentagem de energia dos ventos que pode ser transformada em energia eltrica
muito baixa. Mesmo os sistemas mais modernos no conseguem converter mais de 59,3% da energia
total dos ventos. (Albad, 2002)
3.3.1 Tipos de aerogeradores
Figura 1 Aerogerador Savonius
Aerogeradores de eixo vertical: Esse tipo de aerogerador possui um eixo vertical e aproveita o
vento que vem de qualquer direo. So mais indicados para moagem de gros, recargas de baterias
e irrigao. Entre os aerogeradores com eixo vertical, o Savonius, figura 1 e o Darrieus, figura 2, so
os mais usados ( CERPCH,2006)
Figura 2 Aerogerador Darrieus
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
23/152
12
Aerogeradores de eixo horizontal : So utilizados para bombeamento de gua e gerao de
eletricidade. Dependem da direo do vento e podem ter uma a quatro ps. Para funcionar, a
velocidade tem que variar de 35 a 30 km.h-1 e estar livre de obstculo a uma altura de 5 m do
cho.(CERPCH,2006)
Figura 3 Aerogerador eixo horizontal.
Aerogeradores de ps mltiplas ou cata-ventos: Possuem de 16 a 32 ps e chegam a ter 15 m de
altura. So bastante encontrados em fazendas americanas, por isso tambm so conhecidos comomoinhos americanos. So mais usados para o bombeamento de gua e produzem baixa potncia
devido ao nmero elevado de ps, conforme figura 4.
Figura 4 Aerogerador de ps mltiplas.Fig.
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
24/152
13
3.3.2 Velocidade do vento
As turbinas atuais comeam a funcionar quando o vento alcana uma
velocidade de 5,2 m.s-1 e atingem rendimento mximo com ventos entre 11,1 m.s -1 e 13,3 m.s-1;
param de funcionar quando os ventos atingem 27,7 m.s-1 . Os lugares ideais para instalao de
aerogeradores so aqueles que apresentam ventos com velocidade mdia anual de no mnimo 5,8
m.s-1. (Albad,2002)
Por ser um fenmeno natural, o vento pode variar dependendo do dia e da
estao do ano. Para um bom aproveitamento do vento no se deve ter nenhum obstculo, tais como
morros, mata fechada, prdios, etc. Os ventos que sopram em escala global e aqueles que se
manifestam em pequena escala so influenciados por diferentes aspectos entre os quais se destacam
a altura, a rugosidade, os obstculos e o relevo.
3.3.3 Variao da velocidade do vento com a altura
Analisando-se o perfil da velocidade dos ventos, desde a superfcie do solo
at uma determinada altura, percebe-se que estes se tornam mais uniformes medida que se afastam
da superfcie e atingem maiores velocidades; conhecendo-se a velocidade do vento a uma
determinada altura em relao ao solo, possvel estimar qual seria a velocidade do vento a uma
nova altura, como mostrado na equao 1:
Vel ( z ) = [ Vel (zo) x ( H(z) / H(zo) ] (1)n
onde :
Vel (z) - Velocidade do vento a ser estimada na altura desejada, em m.s-1
Vel (zo) - Velocidade do vento medida a uma altura conhecida, em m.s-1
H(z) - Altura em que se deseja estimar a velocidade do vento, em metros
H(zo) - Altura na qual foi medida a velocidade do vento, em metros
n - Parmetro relacionado com a rugosidade da superfcie local.
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
25/152
14
3.3.4 Influncia da rugosidade da superfcie e dos obstculos do terreno na
velocidade do vento.
Segundo S e Lopes (2001), a rugosidade refere-se ao conjunto de elementos
formado por rvores, arbustos, vegetao rasteira e pequenas construes sobre a superfcie do solo,
que, em conjunto, oferecem resistncia a passagem do vento alm de desviar a trajetria; portanto, o
valor do coeficiente de rugosidade de uma superfcie depender da altura e da forma como esses
elementos encontram-se distribudos em uma determinada rea. So considerados obstculos a
passagem do vento os elementos de dimenses conhecidas que causam reduo na sua velocidade.
As pedras e as rochas de grandes dimenses, os morros, as edificaes, as torres macias e as
agrupamentos de rvores de grandes alturas podem ser considerados, entre outros, como obstculos.
Tabela 1 Fator de rugosidade do terreno
DESCRIO DO TERRENO FATOR DE RUGOSIDADE ( n )
Terreno sem vegetao 0,10
Terreno gramado 0,12
Terreno cultivado 0,19
Terreno com poucas rvores 0,23Terreno com muitas rvores 0,26
Florestas 0,28Zonas urbanas sem edifcios altos 0,32
Fonte : Energia Elica, Artliber, 2002
Os obstculos no apenas obstruem o movimento dos ventos, como tambm
atuam modificando a distribuio de sua velocidade. Os obstculos causam perturbaes no vento,
tanto no sentido horizontal como vertical. Pode-se dizer que o vento incidente em um rotor elico,instalado na altura do obstculo e a uma distncia igual a dez vezes a altura do mesmo, ter a sua
velocidade reduzida entre 50 e 60%. Se o mesmo rotor elico for instalado na mesma altura do
obstculo, mas a uma distncia igual a 30 vezes a sua altura, o vento incidente ter a sua velocidade
reduzida entre 15 e 20 % . Mantendo-se essa posio e elevando-se o rotor a uma altura igual a 3
vezes a altura do obstculo , as perdas sero de 5%. O relevo tambm tem influncia marcante na
velocidade do vento. Assim sendo, recomenda-se, sempre que possvel, instalar os sistemas elicos
em locais mais elevados, onde os ventos ocorrem de maneira mais concentrada.
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
26/152
15
3.3.5 Disponibilidade de energia
A disponibilidade de energia elica est relacionada a vrios fatores fsicos e
geolgicos, dependendo da hora, do dia, estao do ano e de outros aspectos climticos. Sabemos
que o ar mais quente sobe na atmosfera e seu lugar ocupado por uma massa de ar mais frio, com
maior densidade. Essa diferena proporciona um deslocamento de massas denominado correntes de
conveco. A esse movimento das massas est associada uma energia denominada Energia Cintica.
Segundo Palz (2002), a energia cintica dada pela equao nmero 2,
2
. 2vm
E (2)
onde:
m - massa de ar que atravessa a rea A (m2 ) de varredura das ps em rotao
v velocidade do vento (m.s-1 ).
A massa m pode ser definida pela equao nmero 3:
m = A . . v (3)
onde a densidade do ar ( Kg . m-3).
A potncia elica total (P) da massa de ar com velocidade v(m.s -1),atravessando uma rea A (m2), pode ser calculada pela equao 4, sendo a potncia dada em
Watts (W ).
2
.. 3vaP
(4)
Deve-se notar que a potncia elica disponvel proporcional ao cubo da
velocidade do vento. Assim, se a velocidade do vento cai de 20 % , a potncia de sada reduzida de
quase 50 % . Considerando-se 0,3 o rendimento total do sistema eltrico e mecnico do aerogerador,
teremos que aproximadamente 30% da potncia disponvel convertida em potncia eltrica, dada
em Watts. (Albad, 2002)
.
3.3.6 Fator de Capacidade ( Cp )
Cp chamado de fator de capacidade; um nmero adimensional. um
dos elementos na medio da produtividade da gerao de energia. Ele compara a produo atual do
sistema num determinado perodo de tempo com a quantidade de energia que o sistema poderia ter
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
27/152
16
produzido em plena capacidade, para o mesmo perodo de tempo. (Albad, 2002). Como a potncia
elica proporcional ao cubo da velocidade, locais distintos com mesma velocidade mdia anuais
podem apresentar valores anuais de potncia ou energia muito diferentes se tiverem diferentes
freqncias de distribuio de velocidades do vento. Isto determina o Fator de Capacidade da
potncia instalada, importante conceito para dimensionar o gerador elico. Como exemplo extremo,
compara-se um local que tem metade do tempo, V = 0 e, durante a outra metade, V = 20m.s -1, com
outro stio onde a velocidade sempre constante de 10m.s-1. Ambos tm a mesma velocidade mdia
anual, mas extraem valores diferentes de energia durante o ano, para cada Kw instalado.
Assim, instalada uma mquina de 1 Kw, que tem velocidade nominal de 10
m.s-1 como mdia anual , ter-se-ia no primeiro caso fator de capacidade de 0,5, pois durante metade
do tempo no h gerao de energia. Na outra metade do tempo, h sempre gerao de 1 Kw,
embora fosse possvel estar gerando oito vezes mais energia, o que mostraria um erro de
dimensionamento da velocidade nominal de gerao, j que se poderia estar gerando com velocidade
nominal de 20 m.s-1 No segundo caso, o Fator de Capacidade seria igual a 1, sem desperdcio de
energia. Quanto mais uniforme for a velocidade do vento, mais prximo de 1 ser o Fator de
Capacidade. importante salientar que sistemas de gerao de energia elica e solar tm em comum
o fato de possurem fatores de capacidade inferiores aos dos sistemas ditos convencionais, hdricos,
trmicos, uma vez que, alm de enfrentarem os mesmos tipos de paradas das convencionais, como
manutenes preventivas e corretivas, faltas e falhas, so suscetveis s contingncias
meteorolgicas. (Campos, 2004). O Fator de Capacidade fortemente influenciado pela velocidade
mdia do vento. Quando Cp utilizado para calcular a estimativa de energia gerada anualmente,
importante considerar o Cp na velocidade mdia do vento no local da instalao. A produo anual
de energia calculada pela equao 6 :
EG = Pi . Cp . 8760 h / ano (5)onde:
EG a energia gerada em Wh
Cp o fator de capacidade
Pi a potncia instalada (W).
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
28/152
17
3.3.7 Medio da velocidade do vento
Para Castro (2004), idealmente, a caracterizao do recurso elico num local
deve ser feita com base em medies realizadas em vrios pontos da regio de interesse para o
aproveitamento da energia elica e ao longo de um nmero significativo de anos. Na prtica, a falta
de tempo e de recursos financeiros leva a que as decises sejam muitas vezes baseadas num nico
registro medido ao longo de apenas um ano.
Conforme a DWIA (2004), as medies das velocidades do vento se realizam
normalmente usando um anemmetro de canecas. Estes anemmetros tm um eixo vertical e trs
canecas que capturam o vento. O nmero de revolues por segundo pode ser registrado
eletronicamente. Normalmente, o anemmetro provido de um cata-vento para detectar a direo do
vento.
Para Mastranglo et al. (2004), os registros dirios da direo vento
permitem estabelecer para cada lugar um diagrama que permite conhecer os tempos relativos
expressos em porcentagem, durante os quais o vento tem soprado em uma direo determinada.
Comenta, ainda, que a direo recebe a designao do ponto cardeal de onde sopra. Chama-se
direo oeste se a corrente de ar vem da regio oeste.
Com relao aos equipamentos para medio da velocidade e direo dovento, Castro (2004) informa que essencial que a instrumentao esteja bem exposta a todas as
direes do vento, isto , os obstculos devem estar situados a uma distncia de, pelo menos, dez
vezes a sua altura. A medio do vento deve ser efetuada a uma altura prxima da altura a que vai
ficar o cubo do rotor da turbina. De forma a permitir correlacionar os dados do local com os registros
existentes em estaes meteorolgicas prximas, desejvel uma medida adicional altura
normalizada de 10 metros. A DWIA (2004) sugere que a freqncia de amostragem dos dados de
vento seja feita com mdias em intervalos de 10 minutos para que seja compatvel com os programasutilizados para anlise de dados. Na avaliao do potencial elico para bombeamento de gua na
Fazenda Lageado com uma velocidade mdia mensal do vento de 3,1m.s-1, suficiente para produzir
diretamente energia mecnica atravs de cataventos para bombear um volume dirio na faixa de
110,09 litros a 6,61m3, em funo da altura manomtrica variando de 2 a 20m, respectivamente,
devido a potncia hidrulica gerada e do dimetro das ps do rotor. O rotor de 3,28 m capaz de
bombear um volume dirio de 110,09 litros a 11,01 m3. O volume de gua a ser bombeado
suficiente para uso direto do consumo humano ou de animais, para pequenos sistemas de irrigao
ou ainda armazenado em reservatrios para uma posterior utilizao por gravidade, dependendo
sempre da altura manomtrica e da quantidade de gua solicitada pelo usurio.
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
29/152
18
3.4 Energia Solar
A Terra recebe anualmente 1,5 x 1018 Kwh de energia solar, o que
corresponde a 10.000 vezes o consumo mundial de energia neste perodo, constituindo-se, desta
forma , numa enorme fonte energtica (CRESESB, 1999). Considerando-se que o Sol est localizado
a uma distncia de aproximadamente 149 x 10 6 Km da Terra, a radiao solar definida pela
chamada constante solar, e tem valor de 1400 W / m2 . A potncia que atinge o solo naturalmente
menor, por causa da absoro operada pela atmosfera, que varia com a altura do Sol sobre o
horizonte e, com condies atmosfricas, bem com a latitude sobre o nvel do mar do local da
medida. A espessura de atmosfera atravessada pelos raios solares varia entre um mnimo de 100 Km
com o sol alto a cerca de 1130 Km com o Sol sobre o horizonte . Com relao latitude, pode-se
dizer que, quanto mais ela cresce, tanto mais o Sol permanece distante do znite, ou seja, da vertical
do local de observao, e tanto maior a espessura mnima da atmosfera que os raios devero
atravessar, e maior a absoro atmosfrica. Quanto altura acima do nvel do mar, um fato muito
conhecido, que o Sol no alto das montanhas muito mais eficaz que o Sol das plancies, porque os
raios no devem atravessar as camadas mais baixas da atmosfera, que so as mais densas.
(Commeta, 2004). O ideal seria recolher a radiao solar fora da atmosfera.
Para Tomalsquim (2003), o sol como fonte de calor e luz, uma das fontes de
energia mais promissoras para se enfrentar as crises energticas deste milnio, uma vez que existem
vrias tcnicas disponveis para o aproveitamento desta fonte energtica. Para Oliveira (1997), uma
considerao que pode ser feita, a comparao entre a energia solar disponvel e a rea utilizada
por uma usina hidreltrica para gerar eletricidade. No caso de Itaipu, considerada uma usina
hidreltrica eficiente, em uma rea alagada de 1,46109 m2, foi instalada uma potncia de 12,6 GW,
que gerou cerca de 57,4 TWh de eletricidade no ano de 1993. Nesta mesma rea, incide 2,4103
TWh de energia solar radiante. Assumindo que a eficincia de converso dos sistemas fotovoltaicosseja de 10%, a energia eltrica fotogerada por esta mesma rea seria de 240 TWh, aproximadamente
4 vezes maior que a energia gerada por toda a Itaipu. Ainda, para o CEPEL/CRESESB (1995), o
aproveitamento da energia gerada pelo Sol, inesgotvel na escala terrestre de tempo, tanto como
fonte de calor quanto de luz, hoje, sem sombra de dvidas, uma das alternativas energticas mais
promissoras para se enfrentar os desafios do novo milnio.
Antes de atingir o solo, as caractersticas da radiao solar (intensidade,
distribuio espectral e angular) so afetadas por interaes com a atmosfera devido aos efeitos deabsoro e espalhamento. Estas modificaes so dependentes da espessura da camada atmosfrica,
tambm identificada por um coeficiente denominado massa de ar (AM), e, portanto, do ngulo
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
30/152
19
Zenital do Sol, da distncia Terra-Sol e das condies atmosfricas e meteorolgicas
(CEPEL/CRESESB, 2005).
3.4.1 Gerao Fotovoltaica
A converso direta da energia solar, gratuita, no poluente e inesgotvel em
energia eltrica, feita atravs de mdulos fotovoltaicos e denominada Energia Solar Fotovoltaica.
Para Green et al.(2001), o efeito fotovoltaico, relatado pela primeira vez por Edmond Becquerel em
1839, decorre da excitao dos eltrons de alguns materiais semicondutores na presena da luz,
constituindo-se no aparecimento de uma diferena de potencial nos extremos da uma estrutura do
material. Entre os materiais mais usados para a converso da radiao solar em energia eltrica
destaca-se o silcio. O efeito fotovoltaico d-se em materiais denominados semicondutores, que se
caracterizam pela presena de eltrons em duas bandas de energia, denominadas de banda de
valncia e de banda de conduo, separadas por uma banda vazia denominada gap de energia. O
semicondutor mais usado para clulas fotovoltaicas o Silcio (Si), sendo que clulas fotovoltaicas
so essencialmente junes pn de Silcio de grande rea. A juno pn a estrutura bsica da
microeletrnica, a partir a qual so construdos os diodos retificadores, transistores e circuitos
integrados.
Quando a juno pn excitada por ftons com energia superior do gap,
estes ftons transmitem a sua energia para eltrons da banda de valncia, fazendo-os saltar para a
banda de conduo. Os eltrons excitados so arrastados pelo campo eltrico inerente junopn,
de forma a produzir uma corrente eltrica atravs da juno. (CRESESB,2005 )
As clulas fotovoltaicos podem ser construdas de Silcio Monocristalino
(mono-Si), Silcio policristalino (poly-Si) ou Silcio amorfo (a-Si), sendo que as duas primeiras
tecnologias so as mais empregadas atualmente. Existem ainda outros materiais e tecnologiasempregados na construo de clulas fotovoltaicas, mas estes so at o presente momento utlilizados
em escala experimental ou muito reduzida.
3.4.2 Silcio Monocristalino
O silcio monocristalino, conforme figura 5, o material mais usado
atualmente na confeco de mdulos solares (Al-Ismaily & Probert, 1998 ). Esse material basicamente o mesmo utilizado na fabricao de circuitos integrados para microeletrnica. As
clulas so formadas de fatias de um nico cristal, previamente crescidos e fatiadas. A grande
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
31/152
20
experincia na sua fabricao e pureza garante alta confiabilidade do produto e altas eficincias.
Enquanto o limite terico de converso de luz solar em energia eltrica, para esta tecnologia de
27%, valores na faixa de 12 a 16 % so encontrados em produtos comerciais. Devido s quantidades
de material utilizado e a energia envolvida na sua fabricao, esta tecnologia apresenta srias
barreiras para reduo de custos, mesmo em grandes escalas de produo. (CRESESB,1999). As
clulas de silcio monocristalino produzidas em laboratrio atingiram eficincia de 22,8%, sob luz
ordinria, chegando a 28,2%. (ELETROBRS, 1994). O recorde de converso para clulas solares
de silcio monocristalino em laboratrio de 24 % , bastante prximo do mximo rendimento terico
Os melhores mdulos disponveis no mercado, porm, tm eficincia mxima de 15 %; a diferena
entre a eficincia da melhor clula de laboratrio e mdulos comerciais incluem perdas de
interconexo entre as clulas no mdulo fotovoltaico, rea ativa do mdulo fotovoltaico entre
rendimento do processo produtivo. (Montenegro, 1999 ). A primeira clula de silcio foi fabricada
pelos laboratrios Bell nos incio dos anos 40, juntamente com a descoberta do transistor bipolar em
1948 , seguida pela rpida evoluo do silcio nos anos 50 , fechando a eficincia de converso em
energia em 15 % nos anos 60. O prximo grande passo nessa atividade ocorreu no incio dos anos
70, com a incorporao de novas tecnologias desenvolvidas na rea de microeletrnica , bem como
desenvolvimento no designer, a textura na superfcie das clulas e a passividade dos contatos em
alumnio. Na metade da dcada de 70, a eficincia fechou em 17 %. (Green et al.,2001). Progressos
significativos foram alcanados recentemente com placas fotovoltaicas de silcio, onde
pesquisadores e fabricantes utilizam uma estrutura de tripla-juno; estes alcanam de incio 15,2 %
de eficincia e estabilizam em 13% em clulas de pequena rea. J a eficincia nas placas de 10,2
% e em escala comercial a eficincia estabiliza em 8 % (Deng et al., 2000)
De acordo com Suzuki e Pereira (2000), a clula monocristalina, que
preparada a partir de um monocristal de silcio, apresenta a maior eficincia de converso
fotovoltaica chegando, na atualidade, a um valor mximo de 27 % , sendo os valores tpicos dentrodo intervalo de 12 a 15 %.
Figura 5 - Silcio monocristalino
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
32/152
21
3.4.3 Silcio Policristalino
O silcio policristalino, tambm conhecido por multicristalino, so clulas
fabricadas a partir do mesmo material que, ao invs de formar um nico grande cristal, solidificado
em forma de um bloco composto de muitos pequenos cristais . A partir deste bloco so obtidas as
fatias e fabricadas as clulas. Na prtica, os produtos disponveis alcanam eficincias muito
prximas das oferecidas em clulas monocristalinas, mas a energia necessria para produzi las
significativamente reduzida (CRESESB, 1999).
O silcio policristalino, constitudo por um nmero muito elevado de
pequenos cristais de espessura de um cabelo humano, dispe de uma cota de mercado de cerca de 30
% . As descontinuidades da estrutura molecular dificultam o movimento de eltrons e encorajam a
recombinao com as lacunas, o que reduz a potncia de sada . Por esse motivo, os rendimentos em
laboratrio e em utilizao prtica no excedem a 18 %. Em contrapartida, o processo de fabricao
mais barato do que o do silcio cristalino.(Castro, 2004 ).
J se atinge com novas tcnicas de fundio de clulas policristalinas
eficincias de 15 a 19 % , enquanto que para filmes finos, a eficincia encontra-se em torno de 7 %
(ELETROBRS, 1994).
Nos mdulos fotovoltaicos de silcio monocristalino e policristalino, se
busca, hoje, aumentar o rendimento, que em laboratrio de 22% , em fabricao comercial de
17,5 % em mdia; tambm diminuir a espessura da lmina de silcio usada para fabricar a clula e
reduzir o custo de produo via novas tcnicas de produo (MME,2006). Atualmente, o silcio
policristalino conta com 50 % das clulas fabricadas no mundo, a tecnologia fotovoltaica
dominante (Oliveira,1997). Lorenzo (1994) comenta que, ao longo dos anos, o processo de
fabricao das clulas de silcio policristalino tem alcanado eficincia mxima de 12,5% em escalas
industriais, sendo que atualmente estas clulas so comercializadas em larga escala.
Figura 6- Silcio Policristalino
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
33/152
22
3.4.4 Silcio Amorfo
De acordo com Castro (2004), o silcio amorfo no tem estrutura cristalina,
apresentando defeitos estruturais que, em princpio, impediram a sua utilizao em clulas
fotovoltaicas, uma vez que aqueles defeitos propiciavam a recombinao dos pares eltrons-lacunas.
No entanto, se ao silcio amorfo for adicionada uma pequena quantidade de hidrognio, por um
processo chamado de hidrogenizao, os tomos de hidrognio combinam-se quimicamente de
forma a minimizar os efeitos negativos dos defeitos estruturais. O silcio amorfo absorve a radiao
solar de uma maneira muito mais eficiente do que o silcio cristalino, pelo que possvel depositar
uma fina pelcula de silcio sobre um substrato, metal, vidro, plstico. Este processo de fabricao
ainda mais barato do que o do silcio policristalino. Os rendimentos em laboratrio so da ordem de
13 %, mas as propriedades conservadoras do material se deterioram com a utilizao e os
rendimentos descem para 6 % (Castro, 2004). Pesquisas tem sido feitas para estabilizar a
performance deste material atravs de melhorias no desenho dos dispositivos, clulas multijuno e
camadas mais finas. Com isso, a eficincia de converso de mdulos de silcio amorfo estabilizado
ultrapassa a barreira dos 10 %, significativamente maior que os valores assumidos anteriormente,
entre 5 e 6 % .
Segundo Oliveira(1997), problemas relacionados com a estabilidade e
performance dos geradores de silcio amorfo fizeram com que as instalaes fotovoltaicas , em geral
, usassem o silcio cristalino . O silcio amorfo , agora, usado em equipamentos de baixo consumo e
em instalaes de demonstraes.
Enorme progresso tem sido feito em anos recentes no nmero de materiais
fotovoltaicos e intervenes em termos de eficincia de converso. Eficincias na faixa de 18 a 24 %
tm sido alcanadas na tradicional base de silcio fabricado de ambos os materiais mono e policristalino. Alta eficincia (> 30 %) em clulas fotovoltaicas tem sido alcanadas na base de
Arseneto de Galliun (GaAs) e ligas como Gallium Indium Phosphide (GaInP2) . Grande avano em
eficincia, tambm tem sido alcanado em varias clulas de filme fino baseado em Silcio amorfo
(DEB, 1998).
Segundo Silva (2000), um dos fatores que impossibilitava a utilizao de
energia solar fotovoltaica em larga escala seria o alto custo das clulas. As primeiras clulas foram
produzidas com o custo de US$ 600,00/Wp, para programa espacial. Para Montenegro (2000), com aimplementao do mercado e vrias empresas voltadas para produo de clulas, o preo tem
reduzido ao longo dos anos podendo ser encontrado ao custo mdio de US$ 8,00/Wp.
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
34/152
23
3.4.5 Mdulo Fotovoltaico
O mdulo fotovoltaico composto de clulas conectadas em arranjos
produzindo tenso e corrente em nvel suficiente para o aproveitamento da energia eltrica gerada.
Lorenzo (1994) comenta que, o mdulo fotovoltaico a unidade bsica comercialmente disponvel,
proporcionando proteo mecnica e ambiental s clulas e permitindo a sua utilizao exposta s
intempries, sendo, portanto, composto de clulas encapsuladas e conectadas eletricamente em srie
e/ou em paralelo, produzindo nveis de tenso e corrente adequados utilizao. Fraidenraich (1995)
explica que a fotoclula requer o encapsulamento por vrios motivos. Em primeiro lugar, para prover
a necessria rigidez mecnica devido fragilidade das clulas e flexibilidade dos contatos que as
interligam.
Em segundo lugar, necessidade de proteger os contatos eltricos da
umidade do ar. Alm disso, o encapsulamento representa uma proteo a danos mecnicos
provocados por queda de objetos e de granizos, pssaros e at mesmo atos de vandalismo e ainda
permite a necessria isolao eltrica da tenso gerada. Ainda para o autor, os mdulos esto
disponveis em diversos nveis de tenso e potncia, sendo que as potncias so medidas em Watt-
pico (Wp). Comercialmente esto disponveis mdulos na faixa de 10Wp a cerca de 300Wp. Os
mdulos fotovoltaicos so dispositivos bastante confiveis e de grande durabilidade, sendo que a
maioria dos fabricantes oferece uma garantia de 20 anos.
3.4.6 Caractersticas eltricas dos mdulos fotovolticos
Para o CEPEL/CRESESB (2005), as principais caractersticas eltricas dos
mdulos fotovoltaicos so:- Tenso de Circuito Aberto (Voc): tenso entre os terminais de uma clula/mdulo ou gerador
fotovoltaico, quando a corrente em seus terminais nula;
- Corrente de Curto Circuito(Isc): corrente que circula por uma clula/mdulo ou gerador
fotovoltaico, quando a tenso em seus terminais nula;
- Potncia Mxima (Pmax): Ponto da curva I-V para o qual o produto tenso x corrente mximo;
- Tenso de Potncia Mxima (Vmp): tenso que produz o ponto da curva I-V de mxima potncia;
- Corrente de Potncia Mxima (Imp): a corrente que produz o ponto da curva I-V de mximapotncia.
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
35/152
24
Segundo Oliveira (1997), para avaliar e comparar o desempenho de mdulos
fotovoltaicos so feitas medidas de seu comportamento sobre condies controladas, denominadas
condies padronizadas. Controlando-se os parmetros de funcionamento dos mdulos, pode-se
verificar se seu comportamento est de acordo com o esperado. Dessa forma, os mdulos
fotovoltaicos so caracterizados atravs de medidas, nas condies padronizadas, da tenso de
circuito aberto, Voc, da corrente de curto circuito, Isc e do ponto de mxima potncia, Pmp,
caracterizado pela corrente e tenso no ponto de mxima potncia, Imp e Vmp, conforme as figuras
7 e 8.
Figura 7 Curva caracterstiva V x I
Figura 8 - Curva caracterstica Potncia x Voltagem
Lorenzo (1994) informa que as condies padro, STC, Standard Test
Conditions, para se obter as curvas caractersticas dos mdulos so definidas como irradincia de
1000Wm-2 , radiao solar recebida na superfcie da Terra em dia claro, ao meio dia, temperatura de
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
36/152
25
25C na clula (a eficincia da clula reduzida com o aumento da temperatura), velocidade do
vento de 1ms-1 e distribuio espectral (AM) 1,5. Entretanto, quando em operao, os mdulos no
se encontram nesta condio. Assim, estabeleceu-se uma outra condio, chamada Temperatura
Nominal de Operao da Clula (TONC), definida como a temperatura que a as clulas solares
alcanam, quando se submete o mdulo irradincia de 800Wm -2, temperatura ambiente de 20 oC,
velocidade do vento de 1ms-1 e distribuio espectral (AM) 1,5.
3.4.7 Eficincia do Mdulo Fotovoltaico
Conforme o Grupo de Pesquisas em Fontes Alternativas de Energia, (Grupo
FAE-UFPE, 1993), a eficincia mxima de converso (max) do mdulo fotovoltaico calculada pela
relao entre potncia mxima transferida do sistema para a carga e a densidade de radiao solar
coletada pelos mdulos.
Conforme Camargo (2000), a eficincia do mdulo fotovoltaico a relao
entre a energia produzida pela energia recebida no local.
Lorenzo (1994) cita que, a eficincia do mdulo fotovoltaico, sob condies
particulares de irradincia e temperatura, calculada pela equao 7 :
Gi)(
)(
A
P GiMXGi
(6)
em que PMX(Gi) a potncia mxima do sistema , determinada para as condies particulares
desejadas, A a rea da face ativa do mdulo, Gi a irradincia qual foi submetido o mdulo para
fornecer o valor de potncia mxima utilizado.
Segundo Silva(2000), o processo de determinao do potencial solar
fotovoltaico para bombeamento de gua estima-se por :
Recurso Solar: neste, se faz uma coletnea de dados da radiao solar mdia
mensal diria fornecidos por uma estao meteorolgica do local ou prxima a este. Desenha-se ogrfico da radiao solar. Em seguida determina-se a potncia eltrica.
A potncia eltrica de um sistema fotovoltaico formado por um mdulo
fotovoltaico e um inversor pode ser expressa pelas equaes 8 ou 9 :
IGREF
dmNOMPVEL
G
GPP
**
),(* (7)
ou
iGDM
PVELNOM G
PP
**),( (8)
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
37/152
26
onde:
PEL-PV - Potncia eltrica do equipamento fotovoltaico (W);
PNOM - Potncia dos mdulos fotovoltaicos (Wp). A potncia nominal determinada nas Condies
Padro de Medida (CPM), dadas por uma irradincia de 1.000 W.m-2, a uma temperatura de clula
de 25C;
Gdm(,) - Irradincia incidente no plano do mdulo fotovoltaico (W.m-2),
GREF - Irradincia de referncia em CPM (=1000 W.m-2);
G - Eficincia do mdulo fotovoltaico;
I - Eficincia do inversor.
3.4.8 Configurao dos sistemas fotovoltaicos
O CEPEL/CRESESB (2005) apresenta quatro configuraes possveis para
um sistema fotovoltaico isolado, denominadas tipo A, B, C e D:
Tipo A: alimentao de uma carga CC diretamente a partir de um banco de baterias, cuja carga
controlada por um controlador de carga;
Tipo B: alimentao de uma carga CA por meio de um inversor, conectado diretamente ao banco de
baterias, cuja carga controlada por um controlador de carga;
Tipo C: conexo direta de uma carga CC ao mdulo fotovoltaico, no caso, uma bomba dgua com
motor CC;
Tipo D: conexo de uma carga CA ao mdulo fotovoltaico por meio de um inversor, no caso uma
bomba dgua com motor CA.
O CEPEL/CRESESB(2005), informa ainda que os dois tipos de sistemas
fotovoltaicos isolados, mais comuns, so os sistemas fotovoltaicos de gerao de energia eltrica e
os sistemas fotovoltaicos de bombeamento de gua.
3.4.9 Medio da radiao solar
A medio da radiao solar, tanto a componente direta como a componente
difusa na superfcie terrestre de maior importncia para os estudos das influncias das condies
climticas e atmosfricas. Com um histrico dessas medidas, pode-se viabilizar a instalao desistemas trmicos e fotovoltaicos em uma determinada regio garantindo o mximo aproveitamento
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
38/152
27
ao longo do ano onde as variaes da intensidade da radiao solar sofrem significativas alteraes
(CEPEL/CRESESB, 2005).
O CEPEL/CRESESB (2005) informa ainda que, de acordo com as normas
preestabelecidas pela OMM (Organizao Mundial de Meteorologia), so determinados limites de
preciso para quatro tipos de instrumentos: de referncia ou padro, instrumentos de primeira,
segunda e terceira classe. As medies padres so: radiao global e difusa no plano horizontal e
radiao direta normal.
3.4.10 Piranmetros
Segundo Oliveira (1997), os piranmetros fazem parte dos instrumentosdestinados para avaliar a radiao solar global incidente em uma dada superfcie. Denominados,
eventualmente, como solarmetros, estes instrumentos medem a radiao solar global (direta +
difusa). So instrumentos com os quais so feitas a maioria das medidas de radiao existentes.
Existem basicamente dois tipos de piranmetros mais freqentemente utilizados: piranmetros
fotovoltaicos e piranmetros termeltricos.
O piranmetro fotovoltaico aquele que utiliza uma clula fotovoltaica de
silcio monocristalino para coletar medidas solarimtricas. Estes piranmetros so largamenteutilizados pois apresentam baixos custos. Pelas caractersticas da clula fotovoltaica, este aparelho
apresenta limitaes quando apresenta sensibilidade em apenas 60% da radiao solar incidente
(CEPEL/CRESESB, 2005).
Segundo Oliveira (1997), o piranmetro termeltrico aquele que utiliza
como elemento sensvel uma pilha termeltrica, constituda por termopares em srie. Tais elementos
geram uma tenso eltrica proporcional diferena de temperatura entre suas juntas. Portanto,
possvel relacionar a diferena de potencial medida na sada do instrumento com a radiaoincidente. Os dois tipos de piranmetros termeltricos mais usados so:
Piranmetro do tipo branco e preto que possui um receptor pintado,
alternadamente, de preto e branco. Neste caso, as juntas quentes da termopilha esto em contato com
as superfcies negras, altamente absorventes. As pontas frias esto em contato com as superfcies
brancas, de grande refletividade;
Piranmetro com toda a superfcie receptora pintada de preto onde esto
conectadas as juntas quentes. As juntas frias so associadas a um bloco de metal de grande
condutividade trmica, colocadas no interior do equipamento, resguardadas da radiao solar e tendo
aproximadamente a temperatura do ar.
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
39/152
28
3.5 Baterias
Segundo Albad (2002), as baterias para utilizao em sistemas de energia
renovvel, solar, elico hdrico, so projetadas para ciclo de carga profunda. H muitas marcas e
tipos de baterias apropriadas para esses sistemas e importante determinar a bateria correta
conforme a configurao e a utilizao do sistema desejado. Seguindo as recomendaes
apropriadas, o tempo de vida til da bateria de 5 a 10 anos, existindo alguns tipos que atingem 20
anos. A capacidade da bateria medida em ampere-hora (Ah) e 1 Ah equivalente ao fornecimento de
1 A de corrente pelo perodo de uma hora, ou 2 A por meia hora . Um sistema de baterias de 12 V,
com capacidade de 800Ah pode drenar 100 amperes de corrente durante 8 horas. Isso equivale a
1200 W de potncia por 2 horas. Os tipos mais comuns de baterias utilizadas em sistemas elicos so
chumbo- cida e alcalina. A bateria alcalina pode ser do tipo nquel-cdmio ou nquel ferro. O tipo
nquel-cdmio possui custo elevado e poluente quando descartada diretamente no lixo. A bateria
alcalina do tipo nquel-ferro no muito utilizada com sistemas elicos devido a alta tenso
necessria para realizar o processo de carga.
O dimensionamento do banco de baterias depende da capacidade de
armazenamento desejada, razo de descarga, razo de carga e a temperatura mnima do local onde a
bateria ser usada. A temperatura um fator significativo para a bateria
chumbo-cido: em 4 C elas possuem capacidade de 75% ; em 17 C , a capacidade de 50% .
3.5.1 Tenses de uma Bateria
A tenso de uma bateria depende somente das propriedades qumicas dos
materiais das placas e do eletrlito, independente do volume ou quantidade do material ativo usadona confeco das placas. A maioria das baterias encontradas no mercado possui densidade de
1,215 Kg . m -3 e tenso de 2,065 V. A tenso nominal a tenso que aparece nos terminais da
bateria durante grande parte do tempo. A tenso de flutuao a tenso com valor pouco acima da
tenso nominal, tendo como funo, manter a bateria em carga permanente, flutuao, para
compensar a sua auto-descarga, manter carga plena e evitar a sulfatao das placas. A tenso de
equalizao tem valor superior tenso de flutuao, com finalidade de compensar as diferenas de
tenso ou densidade entre os elementos. A carga de equalizao substitui a carga profunda commuitas vantagens, apesar do maior tempo de durao, no sobrecarregando as baterias, como ocorre
na carga profunda. O tempo mnimo recomendado de duas horas. A tenso de carga profunda
8/3/2019 Bomba de gua Automatizada Sensor Icos
40/152
29
superior tenso de equalizao e s deve ser aplicada por pessoal qualificado e superviso
permanente. No recomendvel a aplicao de carga profunda em baterias que se encontram em
boas condies operacionais. A tenso final de descarga o valor da tenso de uma bateria, a partir
da qual considerada tecnicamente descarregada. medida que a bateria se descarrega a tenso nos
terminais diminui lentamente no incio da descarga e bruscamente no final da descarga
Segundo Silva (2000), as baterias so utilizadas para armazenar energia
gerada durante o perodo de insolao. Deste modo, tem-se energia durante 24 horas por dia,
podendo ser usada a qualquer hora.
As baterias tambm servem para partir motores em corrente contnua, j que
tm a capacidade de fornecer corrente elevada por um curto perodo de tempo, que no possvel
com ligao direta aos mdulos.
As baterias automotivas de 12 Volts de Corrente Contnua com eficincia