Comparação do desempenho de duas bombas acopladas diretamente a geradores fotovoltaicos

Abstract

No Brasil, assim como em outros países que recebem abundantes quantidades de radiação solar durante todo o ano, há um grande potencial para os sistemas que usam a tecnologia fotovoltaica para promover o bombeamento de água. Entretanto, a escolha dos conjuntos de motores e bombas mais adequados para cada situação passa pela análise do desempenho dos sistemas de bombeamento. Portanto, devem ser analisadas tanto as melhores configurações de geradores fotovoltaicos destinados a operar os conjuntos formados pelos motores e bombas, quanto às eficiências das bombas e da conversão fotovoltaica. Nesse trabalho são apresentadas medidas e comparações do desempenho de dois sistemas de bombeamento diretamente acoplados a geradores fotovoltaicos. Para tanto, foi construída uma bancada destinada a realizar uma série de experimentos. Um dos sistemas usou uma bomba centrífuga acoplada a um gerador fotovoltaico formado por três módulos fotovoltaicos. O outro, utilizou uma bomba volumétrica de diafragma acoplada a um único módulo fotovoltaico. Os experimentos foram conduzidos em duas etapas distintas. A primeira foi feita com os motores acoplados a uma fonte de potência em corrente contínua e serviu para a determinação das curvas de desempenho de cada uma das bombas, das curvas dos sistemas, assim como das curvas de corrente (I) e de tensão (V) de cada um dos motores que acionavam as bombas. A segunda foi realizada com os sistemas acoplados diretamente aos geradores fotovoltaicos. A determinação da configuração dos geradores fotovoltaicos destinados a acionar os diferentes sistemas de bombeamento em análise nesse trabalho foi feita por meio da sobreposição das curvas de corrente e tensão dos motores e dos módulos fotovoltaicos. A parte experimental, estando os sistemas acoplados aos geradores, constou de medidas realizadas em intervalos de tempo de cinco segundos, para cada bomba e em várias alturas, das seguintes variáveis: temperatura ambiente, irradiância, temperatura dos módulos, corrente e tensão do motor, rotação do motor, temperatura da água, diferencial de pressão entre entrada e saída da bomba e vazão. As diversas alturas foram simuladas por meio da abertura e/ou fechamento de uma válvula de controle de vazão colocada na extremidade tubulação de descarga, operada manualmente. Os procedimentos adotados nessa dissertação permitiram caracterizar os sistemas de bombeamento propostos, assim como determinar quais os arranjos mais adequados para operar cada sistema. Verificou-se que o melhor arranjo para operar o conjunto motor e bomba centrífuga foi aquele formado por três módulos fotovoltaicos ligados em paralelo, enquanto que a melhor opção para operar o conjunto motor e bomba de diafragma foi com somente um módulo fotovoltaico. De posse dos dados medidos foi possível determinar as eficiências: instantâneas, máximas instantâneas e diárias da conversão fotovoltaica assim como dos conjuntos motores e bombas, em diferentes alturas. Relativamente à conversão fotovoltaica, verificou-se que o conjunto motor e bomba centrífuga operou com eficiência instantânea máxima de 5,74% e eficiência diária de 4,70%, enquanto que o conjunto motor e bomba volumétrica de diafragma operou com eficiência instantânea máxima de 7,66% e eficiência diária de 5,82%. Relativamente à eficiência dos conjuntos motores e bombas, verificou-se que o conjunto motor e bomba centrífuga operou com eficiência instantânea máxima de 19,19% e eficiência diária de 16,79%, enquanto que o conjunto motor e bomba volumétrica de diafragma operou com eficiência instantânea máxima de 38,88% e eficiência diária de 34,30%. Verificou-se ainda que a altura foi determinante na eficiência do conjunto motor e bomba centrífuga e pouco influenciou na eficiência do conjunto motor e bomba de diafragma. Além dessas, outras considerações sobre o comportamento dos sistemas de bombeamento ao longo de um dia também foram ser registrados, tais como: limiares de irradiância para início e final de vazão, correntes de pico ou de arranque dos motores e correntes de início de vazão ou escoamento.

In Brazil as well as in other countries which receive a great amount of solar radiation during all year long there is a great potential for the systems which use the photovoltaic technology for water pumping. However, the performance of the motors and pumps should be accordingly analyzed for each situation. Therefore, should be analyzed the best configurations of photovoltaic arrays which will be used to drive the motors and pumps as well as the efficiency of the pumps and of the photovoltaic conversion. This work shows the measurements made during the experiences and compares the performance of two water pumping systems directly coupled to the photovoltaic arrays. A laboratory test facility was built to evaluate the photovoltaic pumping systems. One of the systems used a centrifugal pump directly coupled to an array assembled with three photovoltaic modules. The other system used a volumetric diaphragm pump directly coupled to an only one photovoltaic module. The experiences were made in two stages. On the first stage the motors and pump were coupled to a DC power source. In this stage all the experiments and data were used to evaluate the characteristic performance of the pumps as well as their current and voltage performances. On the second stage the motors and pumps were directly coupled to the photovoltaic arrays. The determination of the best array to be used to drive the different sets of motors and pumps were made by superimposing the current and voltage curves of the motors to the current and voltage curves of the photovoltaic arrays. The following measurements of the variables were made with the motors and pumps directly coupled to the photovoltaic arrays: weather temperature, solar radiation, cell and module temperature, current and voltage of the motors, velocity of the motors in rpm, water temperature, pressure differential between entrance and exit of the pump and water flow. All the experiences were made for several pump heads and the measurements were made at each five seconds. The several pump heads were simulated by a control valve manually operated. The procedures adopted in that work allowed characterizing the proposed pumping systems, as well as determining which the arrays more adapted to operate each system. It was verified that the best array to operate the motor and centrifugal pump set was that formed by three photovoltaic modules connected in parallel, while the best option to operate the motor and diaphragm pump set was with only a photovoltaic module. With all the measured data was possible to determinate the instantaneous efficiency, the maximum instantaneous efficiency and the daily efficiency of the photovoltaic conversion as well as of the motors and pumps sets. Relatively to the photovoltaic conversion, it was verified that motor and centrifugal pump set operated with a maximum instantaneous efficiency of 5,74% and a daily efficiency of 4,70%, while motor and volumetric diaphragm pump operated with a maximum instantaneous efficiency of 7,66% and a daily efficiency of 5,82%. Relatively to the efficiency of motors and pumps sets, it was verified that the motor and centrifugal pump set operated with a maximum instantaneous efficiency of 19,19% and a daily efficiency of 16,79%, while the group motor and bomb diaphragm volumetric operated with a maximum instantaneous efficiency of 38,88 % and a daily efficiency of 34,30%. It was also verified that the head pumping is strongly decisive in the efficiency of motor and centrifugal pump set and little influenced in the efficiency of motor and volumetric diaphragm pump set. A series of considerations about the behavior of the pumping systems along the day could also be registered, such as: irradiance threshold for the beginning and flow stop, peak current of the motors and current for the beginning of flow.