O bombeamento de água tem uma longa história; muitos métodos foram desenvolvidos para bombear água com um mínimo de esforço. Eles utilizaram uma variedade de fontes de energia, a saber, energia humana, energia animal, energia hidrelétrica, eólica, solar e combustíveis fósseis para pequenos geradores. Os méritos relativos destes são apresentados na Tabela 1 abaixo.
Conteúdo
Aplicações
As bombas solares são usadas principalmente para três aplicações:
- abastecimento de água da aldeia
- bebedouro para gado
- irrigação
Uma bomba solar para abastecimento de água de vila é mostrada esquematicamente na Figura 1. Com o abastecimento de água de vila, ocorre uma demanda constante de água ao longo do ano, embora haja necessidade de armazenar água para períodos de baixa insolação (baixa radiação solar). Normalmente, na África Saheliana, o armazenamento seria de 3 a 5 dias de demanda de água. Em ambientes onde ocorrem estações chuvosas, a coleta de água da chuva pode compensar a produção reduzida da bomba solar durante esse período. A maioria dos 6.000 ou mais sistemas de bombeamento solar instalados até o momento são para abastecimento de água de vila ou para irrigação de gado.
Figura 1: Abastecimento de água da aldeia
Um sistema de irrigação solar (Figura 2) precisa levar em conta o fato de que a demanda por água de irrigação variará ao longo do ano. A demanda máxima durante as estações de irrigação é frequentemente mais do que o dobro da demanda média. Isso significa que as bombas solares para irrigação são subutilizadas na maior parte do ano. Deve-se prestar atenção ao sistema de distribuição e aplicação de água nas plantações. O sistema deve minimizar as perdas de água, sem impor uma carga adicional significativa no sistema de bombeamento e ser de baixo custo.
Figura 2: Sistema de irrigação solar
A adequação dos principais sistemas de irrigação para uso com bombas solares é mostrada na Tabela 2.
Tabela 2: Adequação dos principais métodos de irrigação para uso com bombas solares
A tecnologia
Os sistemas são amplamente configurados em 5 tipos, conforme descrito abaixo:
Conjunto de bomba centrífuga submersa multiestágio - Figura 3
Figura 3: Conjunto de bomba centrífuga submersa multiestágio
Este tipo é provavelmente o tipo mais comum de bomba solar usada para abastecimento de água em vilas. As vantagens desta configuração são que é fácil de instalar, geralmente com tubulação flexível e plana, e o conjunto de bomba do motor fica submerso, longe de danos potenciais.
Motores CA ou CC podem ser incorporados ao conjunto de bombas, embora um inversor seja necessário para sistemas CA. Se um motor CC com escovas for usado, o equipamento precisará ser retirado do poço (aproximadamente a cada 2 anos) para substituir as escovas. Motores CC sem escovas exigiriam comutação eletrônica. O sistema mais comumente empregado consiste em uma bomba CA e inversor com uma matriz fotovoltaica de menos de 1500 Wp.
Bomba submersa com motor de superfície - Figura 4
Figura 4: Bomba submersa com motor montado na superfície
Esta configuração foi amplamente instalada com bombas de turbina na África Ocidental Saheliana durante a década de 1970. Ela dá fácil acesso ao motor para troca de escovas e outras manutenções.
A baixa eficiência das perdas de potência nos mancais do eixo e o alto custo de instalação têm sido desvantagens. Em geral, essa configuração está sendo amplamente substituída pelo motor submersível e pelo conjunto de bomba.
Bomba de deslocamento positivo alternativo - Figura 5
A bomba de deslocamento positivo alternativa (frequentemente conhecida como bomba de macaco ou bomba de burro) é muito adequada para aplicações de alta pressão e baixo fluxo.
A saída é proporcional à velocidade da bomba. Em alturas altas, as forças de atrito são baixas em comparação às forças hidrostáticas, muitas vezes tornando as bombas de deslocamento positivo mais eficientes do que as bombas centrífugas para essa situação. As bombas de deslocamento positivo recíprocas criam uma carga cíclica no motor que, para uma operação eficiente, precisa ser balanceada. Portanto, os componentes acima do solo da bomba solar são frequentemente pesados e robustos, e controladores de energia para casamento de impedância são frequentemente usados.
Conjuntos de bombas de motor flutuante - Figura 6
A versatilidade do conjunto de unidades flutuantes o torna ideal para bombeamento de irrigação para canais e poços abertos. O conjunto de bombas é facilmente portátil e há uma chance insignificante de a bomba ficar seca.
A maioria desses tipos usa uma bomba centrífuga submersa de estágio único. O tipo mais comum utiliza um motor dc sem escovas (comutado eletronicamente). Frequentemente, o suporte do conjunto solar incorpora uma alça ou um carrinho do tipo 'carrinho de mão' para permitir o transporte.
Conjuntos de bombas de sucção de superfície - Figura 7
Este tipo de conjunto de bomba não é recomendado, exceto quando um operador sempre estará presente. Embora o uso de câmaras primárias e válvulas de retenção possa evitar a perda de escorva, na prática, problemas de autoinicialização e escorvamento são experimentados. É impraticável ter alturas de sucção de mais de 8 metros.
Figura 5: Bomba de motor flutuante
Figura 7: Conjuntos de bombas de sucção
Figura 6: Bomba de deslocamento positivo recíproca
Desempenho
Os desempenhos de alguns produtos disponíveis comercialmente são mostrados na Figura 8. As bombas solares estão disponíveis para bombear de qualquer lugar na faixa de até 200 m de altura e com saídas de até 250 m³/dia.
Figura 8 Desempenho da bomba
A tecnologia de bombeamento solar continua a melhorar. No início da década de 1980, a eficiência típica de energia solar para hidráulica (água bombeada) era de cerca de 2%, com a matriz fotovoltaica sendo de 6-8% de eficiência e o conjunto de bombas do motor tipicamente 25% de eficiência. Hoje, uma bomba solar eficiente tem uma eficiência média diária de energia solar para hidráulica de mais de 4%. Os módulos fotovoltaicos do tipo monocristalino agora têm eficiências superiores a 12% e motores e conjuntos de bombas mais eficientes estão disponíveis. Um bom subsistema (ou seja, o motor, a bomba e qualquer condicionamento de energia) deve ter uma eficiência média diária de transferência de energia de 30-40%.
Custos
Um sistema de bombeamento fotovoltaico para bombear 25 m³/dia através de uma altura manométrica de 20 m requer um conjunto solar de aproximadamente 800 Wp nas regiões do Sahel. Tal bomba custaria aproximadamente $ 6.000 FOB. Outros custos de exemplo são mostrados na Tabela 3.
Uma variedade de preços é esperada, já que o sistema total compreende o custo de módulos, bomba, motor, tubulação, fiação, sistema de controle, estrutura de suporte de matriz e embalagem. Sistemas com tamanhos de matriz maiores geralmente têm um custo/Wp menor. O custo do conjunto de bomba do motor varia de acordo com a aplicação e as tarefas; uma bomba de sucção de baixa elevação pode custar menos de US$ 800, enquanto um conjunto de bomba de poço submersível custa US$ 1.500 ou mais.
Tabela 3: Especificações do sistema de bombeamento fotovoltaico
Aquisição
Avaliando requisitos
A saída de um sistema de bombeamento solar depende muito de um bom projeto de sistema derivado de dados precisos do local e da demanda. Portanto, é essencial que suposições precisas sejam feitas em relação à demanda/padrão de uso de água e disponibilidade de água, incluindo rendimento do poço e rebaixamento esperado.
O uso doméstico de água per capita tende a variar muito dependendo da disponibilidade. O objetivo de longo prazo é fornecer às pessoas água em quantidades suficientes para atender a todos os requisitos de beber, lavar e higienizar. As metas atuais de curto prazo visam a uma provisão per capita de 40 litros por dia, portanto, uma vila de 500 pessoas tem uma necessidade de 20 metros cúbicos por dia. A maioria das vilas tem necessidade de água combinada para uso doméstico e para o gado.
As necessidades de irrigação dependem das necessidades de água das culturas, das contribuições efetivas das águas subterrâneas e da eficiência do sistema de distribuição e aplicação em campo.
Os requisitos de irrigação podem ser determinados por meio de consulta a especialistas e agrônomos locais ou por referência ao documento da FAO 'Requisitos de água para cultivo' (J Dorrenbos, WO Pruitt - FAO, Roma, Itália - 1977).
Avaliação da disponibilidade de água
Vários parâmetros de fonte de água precisam ser levados em conta e, quando possível, medidos. Estes são a profundidade da fonte de água abaixo do nível do solo, a altura do tanque de armazenamento ou ponto de saída de água acima do nível do solo e variações sazonais no nível da água. O rebaixamento ou queda no nível da água após o bombeamento ter começado também precisa ser considerado para suprimentos de poços e furos de sondagem. Isso dependerá da proporção entre a taxa de bombeamento e a taxa de recarga da fonte de água.
O padrão de uso da água também deve ser considerado em relação ao projeto do sistema e aos requisitos de armazenamento. Os sistemas de abastecimento de água devem incluir armazenamento de água coberto suficiente para atender às necessidades diárias de água e curtos períodos de tempo nublado. Geralmente, a demanda de água de dois a cinco dias é armazenada.
Dimensionamento de bombas solares
A energia hidráulica necessária (kWh/dia)
Potência necessária do conjunto solar (kWp) = Energia hidráulica necessária (kWh/dia)/Irradiação solar média diária (kWh/m²/dia x F x E)
onde F = fator de incompatibilidade de matriz = 0,85 em média
e E = eficiência diária do subsistema = 0,25 - 0,40 tipicamente
Economia
Em geral, as bombas fotovoltaicas são econômicas quando comparadas às bombas a diesel, com potência de até aproximadamente 3 kWp para abastecimento de água em vilas e de cerca de 1 kWp para irrigação.
Referências
Roy Barlow, Bernard McNelis e Anthony Derrick: Bombeamento Solar. Uma introdução e atualização sobre tecnologia, desempenho, custos e economia.
Publicações de TI, 1993
Peter Fraenkel: Dispositivos de bombeamento de água. Um manual para usuários e selecionadores.
Publicação ITDG, 1997.
Jeff Kenna e Bill Gillett: Bombeamento Solar de Água. Um manual.
Publicações de TI, 1985.
URS Rentch: Fotovoltaica Solar para Bombeamento de Água de Irrigação.
SKAT, St. Gallen, 1982.
Água subterrânea: Linhas de água, Vol.20, No.2, outubro de 2001, Publicação ITDG
Endereços úteis
Sociedade Internacional de Energia Solar (ISES)
Sede Internacional
Villa Tannheim, Wiesentalstr. 50,
79115 Freiburg, Alemanha.
Tel.: +49 - 761 - 45906-0
Fax: +49 - 761 - 45906-99
E-mail: hq@ises.org
Web: http://www.ises.org/
Centro Internacional para Aplicação de Energia Solar (CASE)
Nível 8, 220 St Georges Terrace,
Perth WA 6000, Austrália.
Tel.: +61 (08) 9321 7600
Fax: +61 (08) 9321 7497
E-mail: info@case.gov.au
Web: www.case.gov.au
HTN/SKAT
Vadianstrasse 42, CH-9000 St. Gallen, Suíça.
Tel.: +41 71 228 54 54
Fax: +41 71 228 54 55
E-mail: info@skat.ch
Web: http://www.skat.ch/htn
Lifewater International
2840 Main Street, Morro Bay, CA 93442
Endereço para correspondência: PO Box 3131, San Luis Obispo, CA 93403, EUA
Tel.: +1 805 772 0600, +1 888 543 3426
Fax: +1 805 772 0606
E-mail: info@lifewater.org
Web: https://lifewater.org/
Fabricantes
Uma lista completa de todos os fabricantes de bombas solares de água pode ser encontrada aqui: http://www.enfsolar.com/directory/application/Water-Pumps
Fornecedores
Observação: esta é uma lista seletiva de fornecedores e não implica endosso pela Practical Action.
AEG,
Industriestrasse 29, D-2000 Wedel, Holstein, Alemanha.
Tel.: +49 41 03 7021
Fax: +49 41 03 84 474
AY MacDonald Manufacturing Company,
4800 Chavenelle Road, Dubuque, IA 5200, EUA.
Tel.: +1 319 583 7311
Fax: +1 319 588 0720
Web: www.aymcdonald.com
BP Solar,
PO Box 191, Chertsey Road,
Sunbury-on-Thames TW16 7XA, Reino Unido
Tel.: +44 1932 779543
Fax: +44 1932 762686
Web: www.bpsolar.com
Grundfos International A/S,
Poul Due Jensens Vej 7, Bjerroingbo, DK-8850 Dinamarca
Tel: +45 86 68 1400
Fax: +45 86 68 0468
Web: www.grundfos.com
Italsolar,
Via A D'Andrea, 6 Nettuno 00048, Itália
Tel: +39 6 985 0246
Fax: +39 6 985 0269
Mono Pumps Ltd.,
PO Box 14, Martin Street, Audenshaw, Manchester M34 5DQ, Reino Unido
Tel.: +44 (0)161 339 9000
Fax: +44 (0)161 344 0727
Web: www.mono-pumps.com
Siemens Solar GmbH,
Frankfurter Ring 152, 80807 Munique, Alemanha
Tel.: +49 89 636 59158
Fax: +49 89 636 59173
Web: www.solarpv.com
Seniod Solar Pump Co., Ltd
3-448Hengxin Rd. Xangai China
Tel:86-21-2942 2769
Fax:86-21-2942 2769-15
Web:www.seniod-solar.com
Total Energie,
7 Chemin du Plateau, 69570 Dardilly, França
Tel: +33 4 7252 1320
Fax: +33 4 7864 9100
Web: www.total-energie.com
