UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO DIRETORIA DE PESQUISA PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSAS DE INICIAÇÃO CIENTÌFICA

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO DIRETORIA DE PESQUISA PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSAS DE INICIAÇÃO CIENTÌFICA Período : 1/8/214 a 1/1/215 ( ) PARCIAL (X) FINAL IDENTIFICAÇÂO DO PROJETO RELATÓRIO TÉCNICO CIENTÍFICO Título do Projeto de Pesquisa: Desenvolvimento de um controlador tipo Fuzzy aplicado em sistemas de bombeamento fotovoltaico a conversores de frequência convencionais. Nome do Orientador: Wilson Negrão Macêdo Titulação do Orientador: Doutor Faculdade: ITEC Unidade: ITEC Laboratório: Grupo de Estudos e Desenvolvimento de Alternativas Energéticas (GEDAE) Título do Plano de Trabalho: Montagem de uma bancada para avaliação de sistemas de bombeamento fotovoltaico com conversores de frequência. Nome do Bolsista: Jéssica Kelly Silva Fonseca Tipo de Bolsa: ( ) PIBIC/CNPq ( ) PIBIC/CNPQ-AF (X) PIBIC/UFPA ( ) PIBIC/UFPA-AF ( ) PIBIC/INTERIOR ( ) PIBIC/FAPESPA ( ) PARD ( ) PARD renovação ( ) PADRC ( ) Bolsista PIBIC no edital CNPq 1/27

2 INTRODUÇÃO Os sistemas de bombeamento fotovoltaicos têm obtido grande progresso ao longo das últimas décadas por meio de pesquisas e implantações. Suas principais aplicações são áreas rurais onde há uma precariedade no fornecimento de água. Porém, uma das principais dificuldades encontradas para a utilização do sistema refere-se à manutenção dos equipamentos, que, geralmente, são equipamentos importados vendidos em forma de kits. Geralmente, estes equipamentos possuem poucas assistências técnicas. É proposto o acoplamento de geradores fotovoltaicos aos motores de corrente alternada, no caso de sistemas de bombeamento, refere-se às bombas centrífugas. O acionamento e controle das bombas é feita por conversores de frequência (CF s) que contenham controladores do tipo proporcional integral e derivativo (PID) ou por controladores fuzzy (acoplados ao sistema através de circuitos interligados aos conversores de frequência). JUSTIFICATIVA O GEDAE vem elaborando trabalhos visando a execução de projetos e estudos na área de energias renováveis, o que constitui um tema importante para o desenvolvimento de muitas localidades isoladas na Amazônia. Por isso, a implantação do SBFCF (Sistema de bombeamento fotovoltaico em conversor de frequência) ao prédio do GEDAE é um avanço na instalação desses sistemas na região amazônica e uma forma de gerar energia sem agredir ao meio ambiente. A figura 1 mostra a bancada onde serão acomodados os equipamentos que compõem o SBFCF. Figura 1 Bancada em fase de montagem OBJETIVO Com a instalação da bancada, será possível analisar os vários parâmetros que determinam a eficiência de um SBFCF como: vazão, altura manométrica, tensão do

3 barramento c.c., eficiência da motobomba e etc. Testar os principais conversores de frequência e motobombas do mercado com o intuito de se tirar o melhor aproveitamento do sistema. MATERIAIS No projeto da bancada, foram utilizados perfis de alumínio e um reservatório, que compõem a parte estrutural da bancada. Na estrutura feita com perfil de alumínio, estão instalados equipamentos como: transdutores de tensão e corrente, sensores de pressão e vazão, conversores de frequência, o datalogger fieldlogger (equipamento de aquisição de dados) e o quadro elétrico. No reservatório, estão submersas as motobombas: uma de 1/2 cv e a outra de 2 cv. Além dos materiais citados acima, também compõem o sistema o gerador fotovoltaico (composto por 13 módulos de 55 Wp instalados), o sensor de irradiância e o sensor de temperatura (os dois últimos itens estão instalados no gerador fotovoltaico). Os módulos escolhidos, para o sistema de geração, são do fabricante Solaris modelo FV S55P. A figura 2 mostra o gerador com 13 módulos, em destaque utilizados para alimentar o inversor, instalados no prédio do GEDAE. A tabela 1 contém os parâmetros elétricos do módulo FV S55P. Figura 2 Gerador fotovoltaico instalado no prédio do GEDAE Tabela 1 Parâmetros elétricos do módulo FV S55P. Potência nominal P max Corrente nominal I MPP Tensão nominal V MPP Corrente de curto circuito I sc Tensão de circuito aberto V oc 55 W 3,4 A 18,2 V 3,24 A 21,85 V Com relação as motobombas utilizadas na bancada, a motobomba conectada ao gerador fotovoltaico é o modelo SUB15-5NY4E4, do fabricante Schneider, de quatro estágios e potência de 1/2 cv, enquanto que a motobomba conectada à rede elétrica é o

4 modelo 4R5-12, e doze estágios e potência de 2 cv. A figura 3 mostra as motobombas no reservatório de água. Cada motobomba tem conectado um medidor do tipo rotâmetro. Este equipamento possui a função de medir a taxa de vazão de líquidos e gases. O modelo instalado é o BLI 5, do fabricante Blaster Controles, que possuem escala de medição que varia entre a 25 m³/h. A figura 4 mostra os rotâmetros instalados na bancada. Figura 3 Motobombas submersas no reservatório de água Figura 4 Medidores de vazão do tipo rotâmetro. O reservatório de água é feito de fibra de vidro. Suas dimensões são: comprimento 2,54 m, largura,75 m e altura,8 m. Tem a capacidade de armazrnamento de 1.5 L. No fundo do tanque, há suportes para acomodar e fixar as

5 motobombas. A figura 5 mostra o reservatório instalado no corredor do prédio do GEDAE. Figura 5 Reservatório para o armazenamento de água A figura 6 mostra o transdutor de pressão e o manômetro utilizados para a medição da pressão da motobomba conectada ao gerador fotovoltaico. O transdutor de pressão é o modelo 42, do fabricante RUCKEN. Sua faixa de medição é de a 1 Bar, que podem ser visualizados no display do equipamento. O manômetro analógico auxilia, a nível de comparação, na medição feita pelo transdutor de pressão. Figura 6 Transdutor de pressão digital à direita e analógico à esquerda. No gerador fotovoltaico, foram instalados dois sensores: um sensor de temperatura e um sensor de irradiância. O sensor de temperatura foi instalado no gerador com o objetivo de medir a temperatura da parte posterior dos módulos. O sensor é do tipo RTD modelo PT1 B, do fabricante SOL.Connect. É uma termoresistência

6 de platina, dois fios, que a ºC apresenta uma resistência de 1 Ohm. A figura 7 mostra uma imagem do sensor. Figura 7 Sensor de temperatura RTD PT 1 B, da SOL.Connect. A medição da irradiância é feita por célula de referência de silício monocristalino modelo Spektron 21. O mesmo foi calibrado de fábrica para fornecer 74,2 mv à 1 W/m2. A figura 8 ilustra a célula citada. Figura 8 Célula de referência Spektron 21, TRITEC. A medição da corrente do conversor de frequência é realizada por uma garra de corrente do fabricante Minipa, modelo HR-3. Esta garra é capaz de medir tanto corrente c.a. quanto c.c.. Sua faixa de medição é de a 3 A e possui uma relação de transformação de 1mV/A. A garra de corrente pode ser vista da figura 9. Figura 9 Garra de corrente HR-3, da Minipa.

7 O transdutor de tensão modelo 5V1VDC-127AC, do fabricante SECON, foi utilizado para medir a tensão do gerador. Possui uma relação de transformação de 5 V/V. A figura 1 ilustra do transdutor. Figura 1 Transdutor de tensão 5V1VDC-127AC, do fabricante SECON Cada motobomba é controlada por um conversor de frequência. Na motobomba instalada com o gerador fotovoltaico, o conversor de frequência (CF) utilizado foi o CFW-1, do fabricante Weg. Este equipamento é capaz de variar a velocidade de giro dos motores, alterando a frequência da energia que alimenta o motor, variando a velocidade de rotação. A figura 11 mostra o conversor. Figura 11 Conversor de Frequência CFW-1, da Weg. A motobomba ligada à rede elétrica é controlada pelo conversor de frequência modelo CFW-9, da Weg. Uma imagem do conversor CFW-9 é mostrada na figura 12. Figura 12 Conversor de Frequência CFW-9, da Weg Os dados são coletados e armazenados pelo datalogger Fieldlogger, do fabricante Novus. Este equipamento possui 8 canais analógicos de entrada configurados por software podendo receber sinais de tensão, corrente, termopares, RTD s. O

8 equipamento contém um conversor A/D de 24 bits garantindo uma velocidade de aquisição de dados de até 1 amostras por segundo. A figura 13 mostra o Fieldlogger exibindo informações do sistema. Foram utilizados seis canais analógicos para a utilização dos dados. Os parâmetros foram: a tensão do gerador, a corrente de entrada do inversor, a irradiância, a temperatura de costa dos módulos, a pressão e a vazão da motobomba conectada ao gerador fotovoltaico. Figura 13 Aquisidor de dados Fieldlogger, do fabricante Novus. Na tela do equipamento, pode-se observar os parâmetros na tela do dispositivo. A bancada proposta por Brito (26) consta de um circuito hidráulico onde se encontram as duas motobombas, uma delas conectada ao gerador fotovoltaico e a outra conectada à rede elétrica. A motobomba conectada à rede elétrica tem a função regular a pressão para simular uma altura manométrica. A figura 14 mostra a bancada completa proposta por BRITO (26). Figura 14 Bancada de ensaio completa. BRITO (26)

9 6:28:48 7:26:24 8:24: 9:21:36 1:19:12 11:16:48 12:14:24 13:12: 14:9:36 15:7:12 16:4:48 17:2:24 18:: Tensão (1 x m) Potência FV Medida e Calculada (W) 6:28:48 7:26:24 8:24: 9:21:36 1:19:12 11:16:48 12:14:24 13:12: 14:9:36 15:7:12 16:4:48 17:2:24 18:: Vazão (m 3 /h), Pressão (1 Irradiância (W/m 2 ), Potência FV (W), Tensão (V) RESULTADOS O SBFCV já está em operação no laboratório do GEDAE. Os dados são coletados diariamente e manipulados no Excel. Estão sendo testados estratégias de controle na bancada. Os testes são realizados diariamente para coleta dos dados experimentais. A figura 14 mostra os parâmetros coletados e os calculados (por exemplo, a potência fotovoltaica) ao longo de um dia. Figura 14 Principais parâmetros monitorados no SBFCV. 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1,5 Pressão (1xm) Vazão (m3/h) Potência FV (W) Horas:Min:SeG 5,46 HSP O gráfico da figura 15 nos traz informações sobre a potência e a tensão medidas no gerador e faz uma comparação com os valores teóricos. Figura 15 Tensão e potência no gerado, teórico e calculado Tensão FV (V) Tensão mp FV Potência FV Calculada (W) Potencia FV (W) Horas:Min:SeG 5,46 HSP

10 6:28:48 7:26:24 8:24: 9:21:36 1:19:12 11:16:48 12:14:24 13:12: 14:9:36 15:7:12 16:4:48 17:2:24 18:: Volume Bombeado (m 3 ) Vazão (m 3 /h) A figura 16 mostra a vazão em função da potência do gerador fotovoltaico. Também temos a informação da vazão total do longo do dia monitorado que foi de 5,86 m. Figura 16 Vazão em função da potência FV. 2,5 Manhã Tarde 2 1,5 1, Potência FV (W) 5,86 m 3 No gráfico da figura 17 tem-se informações sobre o volume bombeado para a potência e o perfil da irradiância do dia medido. A eficiência é mostrada no gráfico da figura 18, mostrando as eficiências instantâneas ao longo da manhã e da tarde. Figura 17 Volume bombeado, irradiância e potência ao longo do dia Vazão (m3/h) Irradiância (W/m2) Potência FV (W) Irradiância (W/m 2 ), Potência FV (W) Horas:Min:SeG 5,46 HSP; 2,4 kwh

11 Eficiência (%) Figura 18 Eficiência em função da potência Manhã Tarde Potência FV (W) 23,3 % O SBFCV tem apresentado uma boa eficiência para os parâmetros dotados. A bancada deu suporte para o desenvolvimento de um controlador do tipo fuzzy aplicados a SBFCV. CONCLUSÃO Este relatório mostrou o sistema de bombeamento fotovoltaico, montado para suprir a necessidade energética das bombas de 2cv e ½ cv que são analisadas durante o processo, e está localizado no laboratório do GEDAE. Com a experiência adquirida, espera-se que haja maior incentivo para a aquisição e utilização dessa tecnologia a fim diminuir os problemas de abastecimento de água em áreas onde não há fornecimento de energia elétrica ou este é precário, principalmente na região amazônica. O projeto da bancada de SBFCV proporcionou ao bolsista o aprendizado de conceitos básicos sobre sistemas fotovoltaicos em sistemas de bombeamento. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BRITO, A. U. Otimização do Acoplamento de Geradores Fotovoltaicos a Motores de Corrente Alternada Através de Conversores de Frequência Comerciais para Acionar Bombas Centrífugas. São Paulo, 26. Tese (Doutorado) - Programa Interunidades de Pós-Graduação em Energia, PIPGE, (EP/FEA/IEE/IF), USP. BRITO, A. U.; FEDRIZZI, M. C.; ZILLES, R.; Bancada de Ensaio para Averiguação Operacional de Sistemas Fotovoltaicos de Bombeamento. São Paulo. Instituto de

12 Eletrotécnica e Energia, Universidade de São Paulo. DATA : / / ASSINATURA DO ORIENTADOR ASSINATURA DO ALUNO