Bombagem de água utilizando energia solar fotovoltaica

FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIAS
LICENCIATURA EM ENGENHARIA ELETROTÉCNICA
E COMPUTADORES - ENERGIA
DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA
FOTOVOLTAICO PARA BOMBAGEM DE ÁGUA NO
FURO FST 835
Autor: Ivandro Pereira Mendonça
Praia, julho de 2017

Faculdade de Ciências e Tecnologias
Licenciatura em engenharia eletrotécnica percurso de energia
Autor: Ivandro Pereira Mendonça
DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA
FOTOVOLTAICO PARA BOMBAGEM DE ÁGUA NO
FURO FST 835
Praia, julho de 2017
Trabalho fim de curso apresentado à
Universidade de Cabo Verde, Faculdade de
Ciências e Tecnologias, como requisito para
obtenção do grau de licenciatura em
Engenharia Eletrotécnica Percurso de
Energia.
Orientador: Gilson Lopes Correia

i
AGRADECIMENTOS
O trabalho final de curso é um trabalho individual que requer muita concentração, dedicação e
motivação, mas também simboliza a conclusão de mais uma longa etapa escolar. Esses três
quesitos nem sempre estiveram presente, por isso quero destacar aqueles que mais apoiaram-me
durante esta trajetória.
Ao meu Orientador, Professor Gilson Correia, pelo seu profissionalismo, pelos conhecimentos que
me transmitiu, pelo incentivo, pela proposta e disponibilidade, pela paciência em corrigir,
comentar e oferecer sugestões para a materialização deste projeto.
À minha mãe por ter me dado os suportes inicias desde o pré-escolar.
Às minhas irmãs Edna Maria Semedo Mendonça, Ana Lina Pereira Mendonça, Maria do
Livramento Pereira e ao seu esposo por terem financiado os meus estudos.
E ainda uma dedicatória bem especial à minha irmã Maria Odete Pereira Mendonça pelos seus
apoios financeiros, e incentivo ao longo de todos esses anos de estudos.
Ainda dedico este trabalho a minha esposa Andreia Sofia Lopes Borges e à minha filha Isis Borges
Mendonça.

ii
RESUMO
Hoje em dia assiste-se uma grande revolução energética, os combustíveis fósseis estão a
esgotar-se, o preço da eletricidade a aumentar, e ainda nem todas as comunidades tem acesso à
eletricidade. Por outro lado, o aumento da população em alguns países do mundo ainda é um
grande problema, porque isso acarreta outros problemas relacionados com a quantidade de água e
consequentemente de alimentos disponíveis. Como sabemos, desde os primórdios da humanidade
a água constitui um dos pilares fundamentais para o desenvolvimento da humanidade. Assim um
determinado lugar era considerado ideal para a fixação da comunidade humana de acordo com a
quantidade de água ali disponível. E no decorrer da história assistiu-se muitas lutas entre
comunidades e extinções de algumas devido à escassez da água. Atualmente a água pode ser
bombeada das bacias hidrográficas por meio de sistemas de bombagem. Mas o custo da água
extraída dessas fontes, varia de acordo com a tecnologia energética utilizada. Através da energia
solar fotovoltaica por exemplo é possível bombear a água para a agricultura ou consumo com
menores custos de operação e manutenção se comparadas com a bombagem da água utilizando
geradores de combustão a gasóleo. Em Cabo Verde tanto a energia elétrica quanto a água
principalmente para agricultura ainda constituem algum problema para algumas localidades do
país. Nesse sentido este trabalho pretende aproveitar a energia solar que temos em abundância para
bombear a água que temos em deficiência.
Palavras-chave: Energia solar fotovoltaica, bombagem, água, agricultura

iii
ÍNDICE
AGRADECIMENTOS...............................................................................i
RESUMO ..................................................................................................ii
ÍNDICE.................................................................................................... iii
ÍNDICE DE FIGURAS.......................................................................... vii
1. INTRODUÇÃO...................................................................................8
1.1. Motivação......................................................................................................9
1.2. Objetivos......................................................................................................10
1.3. Estrutura do trabalho ...................................................................................11
2. ESTADO DA ARTE DOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS .........12
2.1. Energia Solar ...............................................................................................12
2.2. Energia solar bioclimática...........................................................................13
2.3. Energia solar fototérmica ............................................................................13
2.4. Energia solar fotovoltaica............................................................................14
2.5. Radiação solar ao nível do solo...................................................................15
2.6. Massa de ar..................................................................................................17
2.7. Radiação solar no mundo e em Cabo Verde ...............................................17
2.8. Células fotovoltaicas ...................................................................................19
2.8.1. Princípio de funcionamento das células fotovoltaicas..........................19
2.8.2. Tipos de células fotovoltaicas...............................................................20
2.9. Módulos fotovoltaicos.................................................................................23
2.9.1. Características elétricas dos módulos fotovoltaicos .............................24
2.9.2. Associação de módulos fotovoltaicos...................................................25
2.9.3. Sombreamentos, pontos quentes, díodos de desvio e de fileira............27
2.10. Equipamentos auxiliares..............................................................................28
2.10.1. Baterias para sistemas fotovoltaicos .....................................................28
2.10.2. Controladores de cargas........................................................................31

iv
2.10.3. Inversores..............................................................................................34
2.11. Tipos de sistemas fotovoltaicos...................................................................36
2.11.1. Sistemas fotovoltaicos isolados ............................................................36
2.11.2. Sistemas fotovoltaicos ligados à rede (on-grid)....................................37
2.11.3. Sistemas híbridos ..................................................................................38
3. SISTEMA DE BOMBAGEM FOTOVOLTAICO ...........................40
3.1. Configuração dos sistemas de bombagem fotovoltaico..............................43
3.2. Conjunto motobomba..................................................................................43
3.2.1. Tipos de Bombas...................................................................................45
3.2.2. Motores .................................................................................................48
3.3. Possibilidades de acoplamento entre o painel fotovoltaico e o conjunto
motobomba ...........................................................................................................49
3.3.1. Acoplamento direto...............................................................................49
3.3.2. Acoplamento por meio de baterias .......................................................49
3.3.3. Acoplamento com sistemas de condicionamento de potência..............50
3.4. Possibilidades de armazenamento...............................................................50
4. DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA PROPOSTO.....................52
4.1. Caracterização da localidade Canto Grande ...............................................52
4.2. Caracterização do sistema atual ..................................................................53
4.3. Determinação da energia hidráulica necessária ..........................................53
4.4. Escolha do conjunto motobomba ................................................................56
4.5. Escolha do inversor de frequência ..............................................................58
4.6. Dimensionamento do campo fotovoltaico ..................................................60
4.6.1. Cálculo do número de módulos necessários para o sistema .................61
4.6.2. Cálculo do número de módulos em série..............................................61
4.6.3. Cálculo do número de módulos em paralelo ........................................62
4.6.4. Constituição do campo solar fotovoltaico.............................................63
4.7. Dimensionamento das cablagens e dispositivos de proteção......................63
4.7.1. Cálculo da secção dos condutores das fileiras até a caixa de junção....65

v
4.7.2. Dimensionamento do condutor principal CC .......................................67
4.7.3. Cálculo da secção de cablagem do cabo de ligação CA.......................69
4.7.4. Dimensionamento dos fusíveis de fileira..............................................70
4.7.5. Dimensionamento do interruptor principal CC ....................................70
4.8. Algumas considerações sobre a instalação do sistema fotovoltaico...........71
4.8.1. Orientação e inclinação do painel fotovoltaico.....................................71
4.8.2. Ligação à terra e proteção contra sobretensões ....................................72
5. ESTUDO DA VIABILIDADE ECONÓMICA ................................74
5.1. Indicadores de avaliação económica...........................................................74
5.1.1. Valor Atual Líquido (VAL)..................................................................74
5.1.2. Taxa Interna de Rentabilidade (TIR)....................................................75
5.1.3. Tempo de retorno bruto (PAYBACK)..................................................76
5.1.4. Período de recuperação.........................................................................76
5.2. Definição dos parâmetros de cálculo ..........................................................77
5.2.1. Investimento inicial (It).........................................................................77
5.2.2. Taxa de atualização ou desconto(a) ......................................................78
5.2.3. Despesas de operação e manutenção (O&M).......................................78
5.3. Apresentação e análise do resultado............................................................78
6. OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO DO SISTEMA............................81
6.1. Recomendações de segurança .....................................................................81
6.2. Painel FV.....................................................................................................82
6.2.1. Aspetos físicos ......................................................................................82
6.2.2. Aspetos elétricos ...................................................................................83
6.3. Manutenção do inversor..............................................................................85
6.4. Manutenção dos cabos e dispositivos de proteção......................................86
6.5. Manutenção do conjunto motobomba.........................................................87
7. IMPACTOS DO PROJETO ..............................................................88
7.1. Social...........................................................................................................88

vi
7.2. Económico...................................................................................................88
7.3. Género .........................................................................................................88
8. CONCLUSÕES .................................................................................89
8.1. Trabalhos futuros.........................................................................................90
BIBLIOGRAFIA.....................................................................................91
ANEXOS.................................................................................................93
Anexo 1: Dados do conjunto motobomba ............................................................95
Anexo 2: Dados do inversor de frequência (CBS-400 01)...................................96
Anexo 3: Dados do painel AXITEC.....................................................................97

vii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.2-1: Arquitetura bioclimática, casa sustentável......................................................................13
Figura 2.3-1 Formas de aproveitamento da energia fototérmica: Coletor plano à esquerda, e coletor
curvo à direita. ..........................................................................................................................................14
Figura 2.5-1: Componentes da radiação solar. Fonte: modificada de (ABB, technical applications
papers no.10) .............................................................................................................................................15
Figura 2.5-2: Distribuição da energia solar à superfície da Terra. Fonte modificada de (ABB,
technical applications papers no.10)........................................................................................................16
Figura 2.6-1: Relação entre o ângulo de incidência e a massa de ar. Fonte: modificada de (ABB,
Technical aplications papers no. 10) .......................................................................................................17
Figura 2.7-1: Mapa mundial da irradiação em média anual. Fonte:
(www.nrel.gov/nsrdb/redbook/atlas acessados em 10/07/2017) ............................................................18
Figura 2.8-1: Estrutura básica de uma junção pn de silício (CRESESB, 2014)...................................20
Figura 2.9-1: Pormenores construtivos de um módulo fotovoltaico (Morais, 2009)............................23
Figura 2.9-2: Associação de módulos fotovoltaicos em série (Society, 2008) .......................................25
Figura 2.9-3: Associa dos módulos fotovoltaicos em paralelo (Society, 2008) .....................................26
Figura 2.9-4: Associação mista dos módulos fotovoltaicos (Society, 2008) ..........................................27
Figura 2.10-1: Controlador de Carga série (Sousa, 2014) .....................................................................32
Figura 2.10-2: Controlador de carga paralelo (Sousa, 2014).................................................................33
Figura 2.10-3: Controlador de carga MPP (Sousa, 2014)......................................................................34
Figura 2.11-1: Sistemas fotovoltaicos isolados. Fonte: (www.neosolar.br)..........................................37
Figura 2.11-2: Sistemas fotovoltaicos conectados à rede. Fonte: (www.bluesol.com.br)....................38
Figura 2.11-3: Sistema fotovoltaico hibrido. Fonte (www.bluesol.com.br) .........................................39
Figura 2.11-1Figura: Diagrama de um sistema de bombagem fotovoltaico para consumo humano,
animal e irrigação. Fonte: Adaptado de (Morales, 2011)......................................................................42
Figura 3.1-1: Configurações possíveis para sistemas de bombagem fotovoltaico (CRESESB, 2014) 43
Figura 3.2-1: possibilidades de posicionamento das motobombas. Fonte: (Fedrizzi, 1997)................44
Figura 3.2-2: Bombas centrifuga. Fonte: (www.hidraulicart.pt/bombas centrifugas) .......................46
Figura 3.2-3: Bomba de deslocamento positivo de diafragma. Fonte:
(www.expo21xx.com/bioenergy/19681_st3_biomass-pumps.html).......................................................47
Figura 4.1-1: Desenho do furo em questão, destacando os principais parâmetros.............................54
Figura 4.6-1 Proteção dos sistemas fotovoltaicos contra descargas atmosféricas. Acima sistemas
Isolados, abaixo sistemas ligados à rede. Fonte: modificado de (Pereira & Oliveira, 2015)..............73
Figura 6.2-1: Exemplo de medição da tensão de Circuito Aberto, à esquerda do painel fotovoltaico e
à direita do modulo fotovoltaico. Fonte: Modificado de (CRESESB, 2014).........................................84
Figura 6.2-2: Exemplo de medição da corrente de curto circuito, à esquerda no painel fotovoltaico
e à direita do modulo fotovoltaico. Fonte: Modificado de (CRESESB, 2014)......................................85

8
1. INTRODUÇÃO
Tudo começou com a revolução industrial. A revolução industrial trouxe tudo que o
homem ambicionava. O desenvolvimento rápido de algumas cidades, meios de transportes mais
robustos e rápidos, diversificação maciça das fábricas de produção, melhores condições de acesso
a alimentos, melhores condições de saúde, elevadas espectativas de vida e um aumento quase
exponencial da população. Tudo isso originou uma necessidade enorme do consumo energético,
que era totalmente baseado em combustíveis fósseis.
Os combustíveis fósseis como é caso do carvão mineral, gás natural e petróleo são
originados através da decomposição de matérias orgânicas enterrados a grandes profundidades do
subsolo terrestre e, portanto, a elevadas temperaturas. Hoje em dia existe uma grande preocupação
a nível mundial relativamente à utilização desses combustíveis porque, para além de não serem
renováveis à escala de tempo humano e o respetivo aumento do preço final, esses combustíveis
são os principais responsáveis pela poluição do meio ambiente e aumento de catástrofes
ambientais.
Perante esses e outros problemas relacionados com a utilização dos combustíveis fósseis,
o homem saiu à procura de novas alternativas energéticas para evitar um colapso energético a nível
mundial. Dessa vez está mais inclinado por energias limpas, amigas do ambiente e que possam ser
renovadas pela natureza. Entre essas energias destacam-se a energia solar, a energia eólica, a
energia hídrica, a energia das ondas, a energia geotérmica entre outras.
Das energias renováveis acima citados, a energia solar, particularmente os sistemas
fotovoltaicos, é uma das mais promissoras, pelo facto de ser muito modular, totalmente silenciosa
e em alguns casos decorativos. Impulsionado inicialmente pela corrida espacial, e mais
recentemente pelos veículos elétricos, essa forma de produção energética está cada vez mais
eficiente e competitivo relativamente às outras formas de produção, devido à evolução conjunta
de todos os seus componentes.
Paralelamente à diminuição do custo inicial de investimento e ao aumento da eficiência do
sistema fotovoltaico, também houve um grande aumento das suas áreas de aplicações nos últimos
anos. Atualmente os sistemas fotovoltaicos são utilizados em vastas áreas de aplicações, tais como,

9
em estações espaciais, em satélites de telecomunicações, em estações meteorológicas, na
climatização, no aquecimento de água, eletrificação rural, bombagem de água e mais recentemente
em meios de transportes terrestres, marítimos e aéreos.
Nesse sentido, esse trabalho visa demostrar um conjunto de vantagens da aplicação de um
sistema de energia solar fotovoltaica para a bombagem de água de um furo para utilização agrícola.
Estes tipos de sistemas apresentam uma série de benefícios com grandes impactos sociais,
económicos e humanitários. Tem uma grande utilização nas regiões áridas, sem acesso à
eletricidade, destacando-se em países como Brasil, India, Chile, Botswana, Níger, Nigéria e
atualmente mesmo nos países Europeus, devido às suas inúmeras vantagens.
1.1. Motivação
Cabo Verde encontra-se numa zona de climas áridos e semiáridos denominados de Sahel.
Essa zona é caracterizada por uma longa estação seca, aproximadamente nove meses e uma estacão
húmida intercalada de apenas três meses durante as quais, as chuvas se concentram em apenas
alguns dias. Além disso verificam-se anos secos ou então, com chuvas muito insignificativas para
a produção agrícola (Carlos, 2015). Sendo assim, Cabo Verde é um país seco por natureza, que
vem sofrendo muito com a desflorestação e erosão.
Ultimamente o governo tem dado alguma atenção à exploração das águas subterrâneas no
âmbito de algumas cooperações internacionais. Segundo (Câmera de Comércio, 2017) Cabo verde
está a aproximar-se do limite de exploração da água potável do subsolo, uma vez que dos 60
milhões de 𝑚3
/𝑑𝑖𝑎 disponíveis 40 milhões de 𝑚3
/𝑑𝑖𝑎 já foram utilizadas. Somente na ilha de
Santiago por exemplo existem cerca de 102 furos de água, sendo que 76 % da água bombeada
desses furos são destinados à agricultura (Heitor & Pina, 2003). Contudo hoje em dia é muito
comum encontrarmos localidades ainda com dificuldades no acesso à água. Isto porque a maioria
desses furos encontram-se degradados, funcionam utilizando geradores, aumentando o custo de
produção da água, ou então não estão devidamente equipados.
A solução para esses problemas passa pela captação de água que se encontra no subsolo.
A utilização desse bem, pode ser feita direta ou com recurso a armazenamento para posterior uso
por gravidade, para fins de agricultura, criação de gado e ou mesmo consumo humano. Em algumas
regiões a bombagem de água é feita com recurso a energia humana com baixíssimo rendimento,

10
ou então com gerador a diesel para alimentar o conjunto motobomba. Entretanto esse último
apresenta grandes desvantagens, como por exemplo, elevados custos de operação com a aquisição
de combustível e manutenção (que aumenta com o tempo), e ainda problemas ambientais, com a
emissão de Gases de Efeito de Estufa (GEF). Nesse sentido, a procura de soluções
economicamente viáveis e amiga do ambiente para bombagem de águas subterrâneas para a
superfície, torna uma grande realidade e necessidade.
A nossa localização no Sahel não é de todo mau, porque a nossa irradiação solar anual
atinge os 6,15 𝑘𝑊/𝑚2
× 𝑑𝑖𝑎 , tornando Cabo Verde um potencial de aplicação das energias
renováveis. Uma das aplicações de maior relevância e muito utilizada nos países dessa região é a
bombagem de água utilizando painéis solares. Essa alternativa é considerada por muitos como uma
das aplicações da energia solar com taxas de retornos mais atrativas.
1.2. Objetivos
Com esse trabalho pretendo utilizar os conhecimentos adquiridos durante a licenciatura em
Engenharia Eletrotécnica para apresentar uma alternativa energética visando a solução dos
problemas de bombagem de água subterrânea para a agricultura.
O objetivo geral deste trabalho é apresentar uma metodologia para o dimensionamento de
um sistema fotovoltaico para bombagem de água, e propor orientações para futuros projetos com
essa tecnologia.
Outos objetivos que pretendo atingir com este trabalho é fornecer aos agricultores e a toda
sociedade envolvida nesse importante setor, uma alternativa energética que se for bem
implementada trará muitos benefícios, como por exemplo:
 A mitigação dos riscos de perdas de sagra (cultivo);
 O incremento da produção agrícola e a diversificação da agricultura;
 A criação de mais empregos nas zonas rurais, e a redução do êxodo rural;
 A redução de custos de operação e manutenção;
 Difusão da tecnologia fotovoltaica para bombagem de água nas comunicadas rurais.

11
1.3. Estrutura do trabalho
Este trabalho está fragmentado em dois capítulos teóricos, o capítulo dois e três. Onde no
capítulo dois retrata acerca da energia solar fotovoltaica, abordando os principais pontos
necessários para o conhecimento de forma simplificado sobre o sistema. Procuro ainda ressaltar a
importância dessa forma de energia para o mundo moderno, através das suas diversas formas de
aproveitamento, as vantagens que podem surgir com a sua utilização, mas também as desvantagens
da aplicação do sistema. Já o capítulo três aborda as questões relacionado com o uso dessa
tecnologia, e componentes necessários para a execução de um projeto fotovoltaico para bombagem
de água. Ou seja, fazer um casamento entre os sistemas de bombagem com a energia solar
fotovoltaica.
Nos capítulos quatro e cinco é feita uma abordagem mais quantitativa. No capítulo quatro
apresento o dimensionamento do sistema proposto detalhadamente, de modo que possa servir
como ponto de parida e referência para outros projetos futuros e para sabermos a dimensão do
projeto da qual estamos falando. No capítulo cinco apresenta um estudo da viabilidade económica
do projeto em questão para sabermos quais são os ganhos a nível económico.
O capítulo seis é dedicado especialmente à operação e manutenção desses sistemas, porque
é ainda comum encontrar após alguns anos de instalação muitos sistemas do tipo totalmente
inoperacional, devido a alguns descuidos por parte dos exploradores e ainda aos roubos que
ocorrem frequentemente.
O capítulo sete apresenta os ganhos a nível social, económico e em termos de género, que
podem ser alcançados com a aplicação de um sistema fotovoltaico para a bombagem de água.
O capítulo oito apresenta as conclusões e recomendações para futuros trabalhos. Na
conclusão é feita uma pequena comparação entre o sistema atualmente utilizado nesse caso
utilizando um gerador a gasóleo e o sistema proposto que é a utilização da energia solar
fotovoltaica para bombagem de água.

12
2. ESTADO DA ARTE DOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
Para a melhor compreensão dos assuntos que serão abordados mais adiante nesse projeto é
preciso entendermos alguns conceitos relacionados com essa forma de energia. Esse capítulo
pretende retratar esses conceitos, mais concretamente estado da evolução das tecnologias de
aproveitamento da energia solar, as diversas formas de aproveitamento da energia solar, os
principais sistemas de energia solar fotovoltaica e os componentes necessários para cada uma
delas, e por último estudar as potencialidades de aproveitamento da energia solar fotovoltaica em
Cabo Verde
2.1. Energia Solar
O aproveitamento da energia gerada pelo Sol, inesgotável na escala terrestre de tempo,
tanto como fonte de calor quanto de luz, é hoje uma das alternativas mais promissoras para prover
a energia necessária ao desenvolvimento humano. Quando se fala em energia, deve-se lembrar de
que o Sol é responsável pela origem de praticamente todas as outras formas de energia na Terra.
Em outras palavras, as fontes de energia são, em sua maioria derivadas da energia do Sol
(CRESESB, 2014, p. 47).
É a energia solar que altera o estado físico da água, fazendo com que esta migre e possa
ser armazenada podendo ser posteriormente aproveitada em centrais hidroelétricas. É o
aquecimento das massas de ar que provoca os ventos, e depois são aproveitados para produzir
energia elétrica, com recurso a turbinas eólicas. É a energia solar, absorvida na fotossíntese, que
dá vida às plantas utilizada como energia da biomassa. Até mesmo o petróleo, gaz natural e carvão,
que veem dos restos de vegetação e animais pré-históricos também são derivados da energia solar,
pois esse deu energia necessária ao aparecimento da vida na Terra.
Estima-se que anualmente 3,9 × 1024
𝐽 = 1,08 × 1018
𝑘𝑊ℎ de energia solar atinge a
superfície da Terra, o que corresponde a 10.000 vezes o consumo mundial de energia durante um
ano (Quaschining, 2005). Infelizmente todo esse potencial energético não é aproveitada. O
aproveitamento da energia solar pode ser feito de três modos: a arquitetura bioclimática, efeito
fototérmico e efeito fotovoltaico.

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2.2. Energia solar bioclimática
A arquitetura bioclimática consiste em formas de aproveitamento da luz natural e do calor
do Sol, ou evitando-os, através de soluções arquitetónicas e urbanísticas, adaptadas às condições
específicas de clima e hábitos de consumo de cada lugar.
A intenção do uso da luz solar, que implica a redução do consumo de energia para a
iluminação, condiciona o projeto arquitetónico quanto à sua orientação, espacial, quanto às
dimensões de abertura das janelas e transparência na cobertura das mesmas. Por outro lado, a
intenção de aproveitamento do calor proveniente do Sol implica seleção do material adequado,
isolante ou não conforme as condições climáticas, para paredes, vedações e coberturas superiores,
orientação espacial, entre outros fatores.
2.3. Energia solar fototérmica
Essa forma de aproveitamento da energia solar, baseia-se no princípio do efeito fototérmico
que consiste na captação da irradiação solar e conversão direta em calor. É o que ocorre em
sistemas de aquecimento solar que utilizam os coletores solares como dispositivo de captação
energética.
Figura 2.2-1: Arquitetura bioclimática, casa sustentável.

14
Podemos definir os coletores solares como sendo essencialmente aquecedores de fluidos
que podem ser líquidos ou gasosos, e são classificados em coletores concentradores e coletores
planos, dependendo da existência ou não de dispositivos de concentração da radiação solar.
Os coletores concentradores estão associados a aplicações onde a temperatura ultrapassa
os 100°C, podendo atingir até os 400°C que depois pode ser utilizada para acionar turbinas a vapor
e produzir eletricidade. Os coletores solares planos são utilizados fundamentalmente em aplicações
residenciais e comerciais de baixa temperatura por vota de 60°C, tais como água para o banho, ar
quente para secagem de grãos, aquecimento de piscinas, água aquecida para limpeza em hospitais
e hotéis, etc. (CRESESB, 2014, p. 48).
2.4. Energia solar fotovoltaica
A energia solar fotovoltaica é definida como sendo a energia gerada através da conversão
direta da radiação solar em energia elétrica. Isso é possível graças a um dispositivo conhecido
como célula fotovoltaica, que atua através do efeito fotovoltaico ou efeito fotoelétrico.
Hoje em dia essa forma de energia está muito difundida e utilizada, principalmente nos
locais sem acesso à energia elétrica, mas também em lugares onde se pretende melhorar a
eficiência energética e redução no custo da fatura energia elétrica. Um projetista de energia solar
fotovoltaica deve ser consciente das vantagens, mas também das vulnerabilidades que esse sistema
ainda apresenta.
Figura 2.3-1 Formas de aproveitamento da energia fototérmica: Coletor plano à esquerda, e
coletor curvo à direita.

15
As vantagens para o aproveitamento da energia solar fotovoltaica são incontestáveis, como
por exemplo: a abundância da matéria-prima que é praticamente inesgotável, a inexistência do
risco de poluição ou contaminação do meio ambiente, a possibilidade de aplicação em qualquer
lugar do globo e o tempo de vida que é muito longo quando corretamente projetado, e
principalmente os reduzidos custos de operação e manutenção exigida se comparada com as outras
formas de energia.
2.5. Radiação solar ao nível do solo
A radiação solar é a designação dada à energia radiante emitida pelo sol, em particular
aquela que é transmitida sob forma de radiação eletromagnética. Cerca de metade dessa energia é
emitida como como luz visível na parte de frequência mais alta do espetro eletromagnético e o
restante na do infravermelho, radiação ultravioleta e outras formas de radiação.
Para fins de aproveitamento da energia solar, a radiação solar que atinge a superfície
terrestre pode ser decomposta em planos. No plano horizontal, a radiação global consiste na soma
das componentes direta e difusa, enquanto num plano inclinado, para além das duas componentes
citadas, é acrescida de uma parcela refletida na superfície e nos elementos do entorno.
Figura 2.5-1: Componentes da radiação solar. Fonte: modificada de (ABB, technical
applications papers no.10)

16
A intensidade da radiação solar fora da atmosfera terrestre, depende da distância entre o
Sol e a Terra, que durante o decorrer do ano, pode variar entre 1,47 × 108
Km e 1,52 × 108
Km.
Devido a este facto a irradiância solar varia entre 1.25 W/m2
e 1.412 W/m2
. O valor médio
designado de constante solar é igual a 1.367 W/m2
.
Ao atravessar a atmosfera terreste, esta atua como se fosse um filtro, através dos fenómenos
de reflexão, dispersão e absorção, chegando ao solo em boas condições climáticas apenas
1.000 W/m2
da irradiância total. Esse valor ainda dependendo variação da humidade do ar,
latitude do local e estações do ano pode variar ainda mais. Quanto mais espessa for a camada
atmosférica a ser vencida, menor será irradiância ao nível do solo. A atmosfera será mais ou menos
espessa, de acordo com a elevação do sol.
Figura 2.5-2: Distribuição da energia solar à superfície da Terra. Fonte modificada de (ABB,
technical applications papers no.10)

17
2.6. Massa de ar
Outro elemento não menos importante a ser considerada é a massa de ar da atmosfera
terrestre, pois esta tem influência direta no efeito da radiação solar. O seu estudo é importante na
determinação da radiação solar na Terra. O ângulo de incidência dos raios solares através da
atmosfera terrestre faz com que os raios tenham um trajeto com menor ou maior massa de ar a ser
atravessada. Ou seja, a massa de ar varia com o ângulo de incidência (90-ângulo zenital) da Terra
face ao Sol. A relação entre o coeficiente de massa de ar, a altura solar e o ângulo de incidência
são traduzidos pela seguinte equação:
𝐴𝑀 = 𝑠𝑒𝑛(𝜃) =
1
cos(𝜃)
⋀ 𝜃 = 90 − ℎ
2.7. Radiação solar no mundo e em Cabo Verde
A figura abaixo, mostra uma mapa de distribuição espacial, da irradiância média anual em
(W/m2
) que incide sobre a superfície da Terra. Esses dados foram estimados a partir de imagens
Figura 2.6-1: Relação entre o ângulo de incidência e a massa de ar.
Fonte: modificada de (ABB, Technical aplications papers no. 10)

18
de satélites meteorológicos obtidos no período de 1990 a 2004. Para obter, a partir destes dados, a
irradiação solar na base temporal diária média anual em KWh/m2
× 𝑑𝑖𝑎, deve-se multiplicar o
valor do mapa por 24 H (CRESESB, 2014, p. 80).
Para um bom projeto de sistemas fotovoltaicos normalmente exigem uma irradiação de no
mínimo 3 a 4 kWh/m2
equivalente a (125 a 166 W/m2
no mapa). Considerando Cabo Verde
como a referência, podemos notar que esta pertence a uma região onde a irradiância varia entre
230 a 240 W/m2
no mapa. Esse valor corresponde a uma irradiação media anual que varia entre
5,5 kWh/m2
a 5,76kW/m2
. Ainda a partir desse mapa podemos reforçar duas ideias, uma é que
Cabo Verde é um país com enormes potências para o aproveitamento da energia solar, e o segundo
é que a nossa média é superior a de todos os países europeus, onde o sistema de aproveitamento
da energia solar é largamente divulgado.
Figura 2.7-1: Mapa mundial da irradiação em média anual. Fonte: (www.nrel.gov/nsrdb/redbook/atlas
acessados em 10/07/2017)

19
2.8. Células fotovoltaicas
2.8.1.Princípio de funcionamento das células fotovoltaicas
O funcionamento de uma célula fotovoltaica baseia-se num fenómeno denominado efeito
fotovoltaico. Esse efeito, relatado pela primeira vez em 1839 por Edmond Becquerel, consiste no
aparecimento de uma diferença de potencial nos extremos de uma estrutura de material
semicondutor, produzida pela absorção da luz (Morais, 2009, p. 45).
Isso acontece porque, os materiais semicondutores possuem uma banda de valência
totalmente preenchida por eletrões e uma banda de condução vazia, quando estão na temperatura
de 0 𝐾 (zero absoluto). A energia necessária para a separação entre essas duas bandas é de apenas
1 𝑒𝑉, enquanto nos materiais isolantes é de vários 𝑒𝑉. Quando estão à temperatura ambiente, há
energia suficiente para que alguns eletrões da banda de valência passem para a banda de condução.
Entretanto, essa quantidade de eletrões é muito pequena sendo necessário realizar um processo
conhecido como dopagem.
O semicondutor mais usado no processo de dopagem é o silício, que é também muito
abundante na crosta terreste. Seus átomos se caraterizam por possuírem quatro eletrões de valência,
formando uma rede cristalina ao se interligarem.
Se adicionarmos átomos com cinco eletrões na camada de valência (camada de ligação),
como por exemplo o fósforo, haverá um eletrão em excesso, que não poderá ser emparelhado,
ficando esta fracamente ligado ao seu átomo de origem. Isto permite que com pouca energia, este
eletrão seja libertado, indo para a banda de condução. Diz-se então, que o fósforo é um dopante,
doador de eletrões e denomina-se dopante tipo n ou impureza tipo n.
Se por outro lado, são introduzidos átomos com apenas três eletrões de valência, como é o
caso do borro, fica faltando um eletrão para satisfazer as ligações com os átomos de silício da rede.
Esta falta é denominada de buraco ou lacuna. Da mesma forma pouca energia é necessária para
que um eletrão vizinho possa ocupar esta posição, fazendo com que o buraco se desloque. Diz-se,
assim que o borro é um aceitador de eletrões ou um dopante tipo p.
Partindo de duas pastilhas de silício puro, e introduzindo numa pastilha átomos de borro e
noutra átomos de fósforo, e depois juntando as duas forma-se uma junção pn. Nesta junção os

20
eletrões livres do lado n migram-se para o lado p, criando uma falta de eletrões no lado n e um
aumento de eletrões no lado p. Este processo alcança equilíbrio quando o campo elétrico criado
impede a passagem de eletrões livres remanescentes no lado n.
Agora se expormos essa junção a fotões com energia maior que a energia de gap, ocorrerá
a geração de pares eletrões-lacunas dando origem a uma corrente elétrica. Dessa forma então,
estaremos na presença de uma célula fotovoltaica.
2.8.2.Tipos de células fotovoltaicas
Existem três tecnologias aplicadas na produção de células fotovoltaicas, classificadas em
três gerações de acordo com o material de construção e suas características. A primeira geração é
composta por silício cristalino (c-Si), que se subdivide em silício monocristalino (m-Si) e silício
policristalino (p-Si), representando 85% do mercado, por ser uma tecnologia de melhor eficiência,
consolidação e confiança (CRESESB, 2014, p. 50).
A segunda geração, também chamada de filmes finos, é dividida em três cadeias: silício
amorfo (a-Si), Disseleneto de cobre, índio e Gálio (CIGS) e telureto de cadmio (CdTe). A terceira
geração é definida, pelo IEEE (Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos) como sendo
células que permitem uma utilização mais eficiente da luz solar que as células baseadas num único
band-gap eletrónico. De forma geral, a terceira geração deve ser altamente eficiente, possuir baixo
custo/watt e utilizar materiais abundantes e de baixa toxidade.
Figura 2.8-1: Estrutura básica de uma junção pn de silício (CRESESB, 2014)

21
a) Células de silício monocristalino (m-Si)
As células monocristalinas são fabricadas a partir da serragem de lingotes de silício
monocristalino. Esses lingotes são obtidos a partir do silício purificado, extraído do mineral do
quartzo, o segundo elemento mais abundante na crosta Terrestre.
O lingote de silício monocristalino é constituído de uma estrutura cristalina única, por isso
possui um aspeto brilhante e uniforme. O lingote é serrado e fatiado para produzir bolachas de
silício, ou wafers. Os wafers são submetidos a processos de dopagem, durante os quais são
formadas camadas P e N que originam as propriedades fotovoltaicas. O wafer dopado recebe
depois os elétrodos e tratamento anti reflexivo, dando origem à célula fotovoltaica.
Uma célula fotovoltaica monocristalina tem aspeto uniforme, podendo apresentar
coloração azulada ou preta, dependendo do tipo de tratamento antirreflexivo empregado. As
células de silício monocristalino são as mais eficientes disponíveis comercialmente em larga
escala.
b) Células de silício policristalino (p-Si)
A fabricação do silício policristalino tem processos mais simples que os de silício
monocristalino e utiliza temperaturas mais baixas. O lingote de silício policristalino é formado por
um aglomerado de inúmeros cristais, com tamanhos e orientações espaciais diferentes. Os wafers
policristalinos, bem como as células acabadas possuem aparência heterogénea e aspeto bastante
distinto do silício monocristalino.
Os módulos fotovoltaicos policristalinos tem eficiências ligeiramente inferior às dos seus
concorrentes monocristalinos, entretanto, as duas tecnologias coexistem no mercado e apresentam
relações custo-benefício muito próximas.
c) Células de filme fino
Diversos estudos elaborados nesta área têm direcionado a fabricação dos filmes finos para
utilização de deferentes materiais semicondutores e técnicas de deposição. Por exemplo, em
camadas finas de materiais silício e outros, sob uma base que pode ser rígida ou flexível. Entre as
matérias mais estudados estão o silício amorfo (a-Si). Os dispositivos de filmes finos podem ser

22
produzidos em qualquer dimensão sendo a única restrição a área da base para a fabricação do
módulo.
Em comparação às demais tecnologias fotovoltaicas, os filmes finos apresentam a grande
vantagem de consumir menos matéria-prima e menos energia em sua fabricação, tornando muito
baixo o seu custo. Além disso a reduzida complexidade na fabricação torna mais simples os
processos de automatização, favorecendo sua produção em grande escala. Uma outra vantagem
dessa tecnologia é o seu baixo coeficiente de redução da potência com o aumento da temperatura,
o que os torna mais adequados para locais com elevadas temperaturas.
Apesar dos baixos custos de fabricação, os dispositivos de filmes finos têm baixa eficiência
e exigem maior área instalada para produzir a mesma energia que produzem as tecnologias
cristalinas, tornando mais elevados os custos de instalação. Os módulos de filmes finos também
apresentam uma degradação mais acelerada do que os cristalinos, o que pode ser um aspeto muito
inconveniente para essa tecnologia.
A designação filme fino, é usada para diferentes tecnologias, como o silício amorfo, silício
microcristalino, a tecnologia de telureto de cadmio (CdTe) e a tecnologia CIGS (Cobre-índio-
gálio-selénio), estas duas últimas com presença no mercado muito reduzida.
Células de silício amorfo
Estas células obtêm-se pela deposição de finas capas de plasma de silício monocristalino
sobre vidro, plásticos e outros materiais. Possui o rendimento mais baixo das células de silício,
mas tem maior estabilidade face à temperatura. Para temperaturas mais elevadas, é o que varia
menos a sua eficiência. Sua eficiência diminui durante os primeiros 6 a 12 meses de funcionamento
devido à geração induzida da luz, até chegar a um valor estável.
Células de silício microcristalino
Uma alternativa promissora para o futuro dos módulos de filmes finos são as células
microcristalinas. Apresentam simultaneamente as vantagens do silício cristalino e da tecnologia
de fabricação dos filmes finos, como a produção em massa, elevada automatização, menor
desperdício de material e reduzido consumo de energia na sua fabricação.

23
Células de Telureto de Cadmio (CdTe) e Disseleneto de Cobre Índio (CIS)
As células de telureto de cadmio (CdTe) e CIGS são as mais eficientes dentro da família
dos filmes finos. Entretanto não alcançaram ainda a produção em larga escala como as outras. As
células CdTe não são difundidas em larga escala devido à toxidade do cádmio (Cd) e à escassez
do telureto (Te), um material raro. As células CIGS não empregam materiais tóxicos, mas o seu
custo é muito elevado e a sua inserção no mercado é muito pequena.
2.9. Módulos fotovoltaicos
Um módulo fotovoltaico é composto por várias células fotovoltaicas conectadas em série
e em paralelo para produzir tensão e correntes suficientes para a utilização prática da energia
fotovoltaica, ao mesmo tempo em que promove a proteção das células uma vez que estas são muito
frágeis.
Na construção dos módulos fotovoltaicos, estes devem ser dotados de meios que lhes
permitam resistir às condições ambientais adversas em que vão ser colocados. O acabamento além
dos arcos de alumínio, leves e resistentes, na pelicula superficial, para se tornar translucida e não
refletora da radiação solar são normalmente usados o Etileno Acetato de Vinilo (EVA), e o vidro
(Morais, 2009, p. 60)
Figura 2.9-1: Pormenores construtivos de um módulo fotovoltaico (Morais, 2009)

24
2.9.1.Características elétricas dos módulos fotovoltaicos
Cada tipo de módulo, de acordo com a tecnologia de célula utilizada, tem suas
características particulares. Os módulos são classificados no mercado de acordo com a sua
potência-pico (Wp) e o tipo de célula. Mas para um projetista, existem outras características a
serem levados em conta. Essas características serão destacadas a seguir.
Tensão nominal: é a tensão padrão para a qual o módulo foi desenvolvido para trabalhar.
A quantidade de células fotovoltaicos associados em série determina esse parâmetro.
Tensão de máxima potência (Vmpp): é a tensão máxima que o módulo gerará, em seu
ponto de potência máxima, sob condições padrão de teste (STC)
Tensão em circuito aberto (Voc): é a tensão máxima que o módulo fornece em seus
terminais, sem a presença de uma carga (em vazio). É uma tensão de teste. Pode ser medida através
de um multímetro.
Corrente em máxima potência (Imp): é a corrente máxima que um fotovoltaico pode
fornecer a uma carga, em condições padrões de teste.
Corrente de curto-circuito (Isc): corrente máxima que o módulo fotovoltaico fornece,
quando seus terminais estão em curto-circuito, sob as condições padrões de teste. Diferente das
baterias e outras fontes de energia, podemos medir a corrente de curto-circuito de um módulo
fotovoltaico. A corrente em curto-circuito, geralmente é 5% superior à corrente máxima.
Potência máxima: a corrente elétrica gerada por um módulo fotovoltaico varia de zero ao
Isc, enquanto a tensão varia de zero até o Voc sob diferentes condições de irradiância e
temperatura. Como a potência é o produto entre a tensão pela corrente, essa só será máxima para
uma única combinação de tensão e corrente. Um módulo fotovoltaico estará fornecendo a máxima
potência, quando o circuito externo possuir uma resistência tal, que determine os valores máximos
de tensão e corrente e, portanto, o seu produto será máximo. Hoje em dia existem dispositivos
específicos para alcançar esse ponto, são os chamados seguidores de ponto de máxima potência
(MPPT)

25
Eficiência: é o quociente entre a potência gerada e a irradiância incidente sobre o módulo
fotovoltaico.
Fator de Forma (FF): é um conceito teórico que mede a forma da curva definida pelas
feriáveis I e V na seguinte equação:
FF =
Impp × Vmpp
Isc × Voc
=
Pmax
Isc × Voc
2.9.2.Associação de módulos fotovoltaicos
Os módulos podem ser conectados em série e/ou paralelo, dependendo da corrente e tensão
desejadas, para formar painéis fotovoltaicos com potência mais elevada. Para definir como os
módulos serão associados, é necessário ter informações da área disponível para a instalação, da
potência necessária e quais os componentes serão utilizados, pois as tensões e correntes resultantes
devem ter a plena compatibilidade com esses componentes.
a) Associação de módulos em série
Na conexão em série, o terminal positivo de um módulo fotovoltaico é conectado ao
terminal negativo do outro módulo, e assim por diante. Para dispositivos idênticos e submetidos à
mesma irradiância, quando a ligação é série, as tensões são somadas e a corrente elétrica não é
afetada, ou seja:
𝑉 = 𝑉1 + 𝑉2 + ⋯ + 𝑉𝑁 ∧ 𝐼 = 𝐼1 = 𝐼2 = ⋯ = 𝐼 𝑁
Figura 2.9-2: Associação de módulos fotovoltaicos em série (Society, 2008)

26
Deve ter-se em atenção que não deve ser ultrapassada a tensão máxima de associação dos
módulos que é normalmente indicada pelos fabricantes. Deve-se ainda utilizar cabos e conexões
específicos para os sistemas fotovoltaicos, que são protegidos contra os efeitos de radiação e das
intempéries.
b) Associação de módulos em paralelo
A conexão em paralelo é feita unindo-se os terminais positivos de todos os módulos entre
si e procedendo-se da mesma forma com os restantes negativos. Esta conexão resulta na soma das
correntes sem alteração da tensão, ou seja:
𝐼 = 𝐼1 + 𝐼2 + ⋯ + 𝐼 𝑁 ∧ 𝑉 = 𝑉1 = 𝑉2 = ⋯ = 𝑉𝑁
A figura acima ilustra o efeito da soma das correntes em módulos idênticos conectados em
paralelo, através da curva caraterística I-V. na figura, cada módulo de 220 𝑊𝑝 tem 𝐼𝑠𝑐 = 6,9 𝐴 e
𝑉𝑜𝑐 = 43,4 𝑉. O conjunto resultante de 4 módulos em paralelo rem potência de 880 𝑊𝑝, 𝐼𝑠𝑐 =
27,4 𝐴 e 𝑉𝑜 𝑐 = 43,4 𝑉.
Figura 2.9-3: Associa dos módulos fotovoltaicos em paralelo (Society, 2008)

27
c) Associação mista dos módulos
Na maioria dos casos, será necessário associar os módulos em serie, para alcançar a tensão
nominal do sistema, e também em paralelo para alcançar a potência-pico calculada no projeto.
Nesses casos, temos as características das duas associações anteriores, e maiores perdas ao utilizar
módulos de características diferentes.
2.9.3.Sombreamentos, pontos quentes, díodos de desvio e de fileira
O sombreamento de módulos fotovoltaicos pode ter efeitos nefastos quer na eficiência,
quer na segurança dos módulos (Morais, 2009, p. 65). Sob determinadas condições de operação,
uma célula fotovoltaica, ao receber uma sombra, pode aquecer tanto, que o material semicondutor
pode ser danificado pelo calor. Aparecem então os chamados pontos quentes (hot-spots), que
danificam o módulo permanentemente. Isso acontece quando, ao invés de gerar, o módulo recebe
corrente.
Figura 2.9-4: Associação mista dos módulos fotovoltaicos (Society, 2008)

28
Vejamos então as circunstâncias que levam ao aparecimento dos pontos quentes e em
seguida, as formas de evita-los. Quando operando normalmente, a corrente elétrica gerada por uma
célula fotovoltaica é consumida por uma carga.
Se uma folha cai sobre o módulo, de forma a cobrir uma célula, esta estará inversamente
polarizada e passara a agir como uma carga, convertendo eletricidade em calor. Se a corrente que
atravessa a célula for alta o suficiente, terremos a formação de hot-spot. A maior corrente que uma
célula, nessas condições pode receber, é a corrente de curto-circuito, o que acontece
frequentemente em sistemas fotovoltaicos.
Díodos de desvio e de fileiras (díodos by-pass)
Um conjunto de 18 a 20 células em série pode gerar uma tensão em torno de 12 V, e a
tensão de bloqueio de uma célula fotovoltaica está entre 12V a 50V. Com a associação de quatro
módulos em série teremos uma faixa de tensão onde é possível que a corrente inversa atravesse as
células sombreadas.
Para prevenir eventuais avarias nas associações de módulos fotovoltaicos em série, usam-
se díodos de desvio (by-pass) em paralelo para o desvio da corrente produzida por outros módulos,
colocando fora de serviço apenas o módulo defeituoso. Nas caixas de ligações dos módulos é
comum a existirem díodos de passagem colocados pelos fabricantes. Igualmente nas associações
em paralelo, são usados díodos de fileira para evitar curto-circuitos e correntes inversas entre
fileiras em caso de avaria ou o aparecimento de potências diferentes nas fileiras (Morais, 2009)
2.10. Equipamentos auxiliares
Um sistema fotovoltaico é constituído por mais equipamentos para além dos módulos
fotovoltaicos. Mas para falar de todos esses equipamentos seria necessário mais um trabalho fim
de curso ou mais. Sendo assim vou apenas fazer uma breve descrição desses equipamentos
sugerindo algumas bibliografias (Morais, 2009) e (CRESESB, 2014, p. 144) para consulta.
2.10.1. Baterias para sistemas fotovoltaicos
Em sistemas isolados da rede elétrica, o uso de dispositivos de armazenamento de energia
faz-se necessário para atender a demanda em períodos nos quais a geração é nula ou insuficiente,

29
como é o caso da noite ou em dias chuvosos e nublados, onde os níveis da irradiância solar é nula
ou muito baixas. Assim, parte da energia solar convertida em energia elétrica pelos módulos
fotovoltaicos, durante o dia é armazenada para ser utilizada em outros momentos.
As baterias para além da função antes referida, cumpre ainda outras importantes funções.
Por exemplo, elas proporcionam uma potência instantânea superior a que o campo fotovoltaico
poderia gerar, mesmo nos momentos mais favoráveis, o que é importante para o momento de
arranque de motor. Mantém o nível da tensão estável, uma vez que a tensão de saída dos painéis
varia com a intensidade da radiação incidente, o que pode provocar mau funcionamento dos
aparelhos ligados no momento.
Uma bateria é um dispositivo que converte energia química armazenada no seu interior em
energia elétrica através de uma reação eletroquímica de oxidação-redução e é, normalmente,
composta por várias células (podendo ser apenas uma). São classificados em duas categorias, que
são: baterias primárias e baterias secundárias.
Baterias primárias são dispositivos eletroquímicos que, uma vez esgotados os reagentes
que produzem energia elétrica, são descartadas, pois não podem ser recarregadas. Já as baterias
secundárias podem ser regeneradas, ou seja, através da aplicação de uma corrente elétrica em seus
terminais pode-se reverter as reações responsáveis pela geração de energia elétrica e assim,
recarregar novamente a bateria.
Hoje em dia, existe uma grande variedade de baterias no mercado, cada uma com as suas
respetivas aplicações. As baterias mais utilizadas para sistemas fotovoltaicos são as baterias
secundárias de chumbo-ácido e níquel-cádmio.
a) Baterias de chumbo-ácido
Baterias de chumbo-ácido são constituídas de células individuais, também chamadas de
pilhas, cada uma com tensão nominal de 2 V, que nas baterias em monobloco são ligados em série
para alcançar a tensão nominal. Por exemplo, com 6 células ligados em série obtemos uma tensão
de 12 V.
Cada célula é constituída basicamente por duas placas de metais diferentes (uma positiva,
outra negativa) isoladas por separadores imersos numa solução aquosa de ácido sulfúrico (H2SO4),

30
que constitui o eletrólito. Hoje em dia as baterias chumbo-ácido são constituídas de dióxido de
chumbo (PbO2) como material ativo da placa (elétrodo) catódica e chumbo metálico 𝑃𝑏, numa
estrutura porosa altamente reativa (chumbo esponjoso), como material ativa da placa (elétrodo)
anódica.
Durante a descarga das baterias de chumbo ácido, os eletrões fluem do polo negativo para
o polo positivo, provocando reação química entre as placas e o ácido sulfúrico, que leva à formação
de sulfato de chumbo (PbSO4) nas duas placas. Quando o painel fotovoltaico recarrega a bateria,
os eletrões fluem em sentido contrário, do polo positivo para o polo negativo, revertendo a reação
química. O processo não é totalmente reversível, pois pequenas quantidades de sulfato de chumbo
não se dissolvem, diminuindo assim a capacidade da bateria.
Quanto maior for a profundidade de descarga maior será a perda da capacidade. Com
profundidades de descarga menores, mais ciclos de carga e descarga a bateria suportará. A
resistência interna de uma bateria de chumbo-ácido varia de acordo com a carga, sendo maior
quando a bateria está descarregada devido à menor concentração de ácido no eletrólito e à presença
do sulfato de chumbo nas placas. À medida que a bateria carrega, a sua resistência interna diminui,
fazendo com que a bateria aceite melhor a carga.
É preciso algum cuidado durante a carga de uma bateria, porque a partir do momento que
a bateria atingir a sua tensão nominal, começa o processo de eletrólise da água, que pode levar a
duas consequências muito graves. Uma é a perda de água, que aumenta e acelera a concentração
do ácido, tornando cada vez mais nocivo às placas até a secagem total que determina o fim da
bateria. Outra é a libertação do oxigénio e hidrogénio. Este último, mesmo em pequenas
proporções torna o ambiente potencialmente explosivo. Por isso é aconselhável instalar os bancos
de baterias em locais bem ventilados.
b) Baterias de níquel-cádmio
As baterias de níquel-cádmio apresentam uma estrutura física semelhante à das baterias
de chumbo-ácido. Porém, ao invés de placas de chumbo, alas utilizam hidróxido de níquel para as
placas positivas (Ni (OH)2), óxido de cádmio (Cd(OH)2) para as placas negativas e o eletrólito é
o hidróxido de potássio (KOH). O composto de hidróxido de potássio é tão prejudicial ao ser

31
humano e ao ambiente, quanto o ácido sulfúrico das células de chumbo-ácido, de forma que os
cuidados necessários no seu manuseio são idênticos.
As baterias de níquel-cádmio são menos afetadas por sobrecargas, podem sofrer ciclos de
descargas profundas, ser totalmente descarregadas e mantidas assim, sem maiores prejuízos às
placas, não estão sujeitas à sulfatação e o seu carregamento não sofre influência da temperatura.
Mas, têm a desvantagem de apresentar efeito de memória, que pode reduzir a capacidade de carga
útil da bateria.
As desvantagens mais críticas das baterias de níquel-cádmio são o seu elevado custo e a
sua limitada utilidade se comparada com as baterias de chumbo-ácido. Uma outra desvantagem
das células de níquel-cádmio, em relação às baterias de chumbo ácido, é que os meios de medição
do estado da carga não são simples. Isso deve-se ao facto de existir muito pouca variação da tensão
e do peso específico do eletrólito durante a descarga.
Características ideias para uso em sistemas fotovoltaicos
As características requeridas para um desempenho satisfatório de baterias associadas a sistemas
fotovoltaicos são:
 Elevada vida cíclica para descargas profundas;
 Necessidade de pouca ou nenhuma manutenção;
 Alta eficiência de carregamento;
 Diminuta taxa de auto-descarga;
 Boa confiabilidade;
2.10.2. Controladores de cargas
Os controladores de carga são incluídos em quase todos os sistemas fotovoltaicos isolados,
com o objetivo de proteger a bateria contra cargas e descargas excessivas, aumentando a sua vida
útil. Eles controlam a carga da bateria pela análise da tensão da mesma e interrompem o
fornecimento às cargas externas quando é atingida a profundidade de descarga máxima da bateria.
Da mesma forma interrompem o fornecimento da carga à bateria quando esta atinge a carga
máxima.

32
Controladores de carga são componentes muito sensíveis em sistemas fotovoltaicos
isolados (SFI), uma vez que, caso venham a falhar, a bateria poderá sofrer danos irreversíveis. Eles
devem ser projetados considerando as especificidades dos diversos tipos de baterias, uma vez que
um controlador projetado para uma bateria de chumbo-ácido pode não se adaptar muito bem à uma
bateria de níquel-cádmio. As principais funções de um controlador de carga nos sistemas
fotovoltaicos são:
 Otimização carga da bateria;
 Proteger a bateria contra sobrecarga;
 Prevenção contra descargas indesejáveis;
 Proteção contra profundas descargas;
 Informações sobre o estado da carga.
Os controladores de carga estão divididos em três tipos, que são reguladores série,
reguladores paralelos ou shunt e reguladores MPP.
a) Controlador série
Quando o banco de baterias alcança a tensão máxima de carga, esse tipo de controlador
desconecta o arranjo fotovoltaico através de um relé ou uma chave de estado solido, voltando a
conectar o arranjo fotovoltaico quando a tensão cai para um determinado valor. Essas conexões e
desconexões criam uma oscilação de tensão próxima à tensão máxima de carga, mas também cria
perdas de energia (Sousa, 2014, p. 91).
Figura 2.10-1: Controlador de Carga série (Sousa, 2014)

33
b) Controlador paralelo ou Shunt
Um controlador paralelo reduz continuamente a potência do módulo, a partir do momento
em que é atingida a tensão máxima de carga da bateria. Neste caso, como o painel continua a gerar
energia, a corrente é curto-circuitada e controlada através de um elemento Shunt controlado. A
energia não aproveitada é assim dissipada sob forma de calor. Os módulos podem tomar a corrente
de curto-circuito sem qualquer problema, limitando-se a sofrer um ligeiro aquecimento adicional.
Este modelo é ideal para a bateria, uma vez que a carga da bateria é feita de forma eficiente e em
total segurança.
c) Regulador MPP
Dado que a tensão da bateria determina o ponto operacional da curva característica do
painel fotovoltaico, e que por esse motivo o painel fotovoltaico raramente funciona no ponto de
máxima potência MPP (do inglês Maximum Power Point), os controladores de carga Shunt e série
nem sempre conseguem fazer o melhor aproveitamento da energia disponível. As perdas de
energia podem elevar-se a valores situados entre 10% a 40% dependendo da tensão da bateria, da
irradiância e da temperatura. Isto pode ser evitado utilizando um sistema de rastreio MPP, que
consiste essencialmente num conversor CC/CC regulado (GREENPRO, 2004, p. 141).
Figura 2.10-2: Controlador de carga paralelo (Sousa, 2014)

34
A regulação é feita pelo rastreador MPP, que em cada cinco minutos varre a curva
característica I-V do módulo FV e determina o ponto MPP. O conversor CC/CC é então regulado
de modo a tomar a máxima potência disponível do painel fotovoltaico, ajustando por outro lado o
sinal da saída em função da tensão de carga da bateria (GREENPRO, 2004, p. 141).
2.10.3. Inversores
Nos sistemas fotovoltaicos, a geração, armazenamento e disponibilização da energia
elétrica é na forma de corrente contínua (CC). Para a utilização de aparelhos que funcionam em
corrente alternada (CA) é necessário um conversor que transforme a corrente contínua com tensões
entre 12 V e 48 V, em corrente alternada de 220 ou 380. Essa é uma das funções dos inversores,
utilizados em sistemas fotovoltaicos.
É muito importante citar aqui que, a utilização dos inversores acrescenta perdas de
aproximadamente 10% de energia elétrica disponibilizada pelo sistema fotovoltaico. No caso de
sistemas fotovoltaicos conectados à rede uma solução para a redução dessas perdas é colocar os
inversores o mais perto possível das redes de distribuição uma vez que os condutores de CC
apresentam menores perdas que os condutores de CA. Dessa forma os condutores de CC terá maior
comprimento.
Os inversores atuais para aplicações fotovoltaicas são capazes de realizar entre outras, as
seguintes funções (Rodrigues, Teixeira, & Braga, 2003, p. 1):
Figura 2.10-3: Controlador de carga MPP (Sousa, 2014)

35
 Converter a corrente continua fornecida pelo painel fotovoltaico em corrente alternada, de
acordo com os requisitos técnicos e de segurança que estão estipulados para a ligação à
rede;
 Ajustar o ponto de funcionamento do inversor ao ponto de máxima potência do painel
fotovoltaico (Seguimento do poto de máxima potência MPP);
 Registrar os dados de fornecimento e sinalização através de visualizadores,
armazenamento de dados e transferência de dados;
 Proteger os dispositivos de corrente continua e alternada contra um conjunto diversos de
fatores externos como por exemplo a proteção de polaridades, proteção contra sobrecargas
e sobretensões e equipamento de proteção da interligação com a rede.
Tipos de inversores
Dependendo do princípio de operação, os inversores podem ser divididos em dois grandes
grupos: comutados pela rede (comutação natural) e auto-comutados (comutação forçada). São
contruídos com o auxílio de dispositivos da eletrónica de potência, que constituem chaves
eletrónicos controláveis, podendo ser colocados em estado de condução ou de bloqueio por meio
de um sinal de controle, e permitem assim a conversão de tensão CC para CA e vice-versa.
a) Inversores comutados pela rede
Nos inversores comutados pela rede, o processo de inversão é controlado pela fase e
frequência da tensão de distribuição, portanto estes não funcionam quando não existe tensão da
rede de distribuição. Estes inversores são apropriados para sistemas ligados à rede não podendo
ser utilizados em sistemas isolados.
Os primeiros inversores utilizavam tirístores como elementos de chaveamento, que são
dispositivos semicondutores capazes de suportar elevadas tensões e correntes. Estes inversores
apesar de robustos e simples, a sua baixa qualidade de tensão e corrente de saída devido à alta
quantidade de harmónicos requer o uso de redes de filtragem complexas, o que implica maiores
perdas. Com o surgimento de novos dispositivos de chaveamento nomeadamente o MOSFET e
IGBT, a utilização de inversores a tirístores foram sendo reduzidos e é hoje restrita a unidades de
potência elevada e acionamento de motores elétricos de grande porte.

36
b) Inversores auto-comutados
Nos inversores auto-comutados os elementos de chaveamento são semicondutores que
podem ser postos em estado de condução ou de corte em qualquer instante do ciclo, através de um
terminal de controlo. Dependendo da velocidade de chaveamento e dos níveis de potência e tensão,
são utilizados IGBTs ou MOSFETs nos inversores.
Estes dispositivos operam com a estratégia de controlo por largura de pulso (PWM), o que
permite um bom controlo sobre a forma de onda e o valor da tensão de saída. Os inversores auto-
comutados podem ser do tipo fonte de corrente ou fonte de tensão. Na configuração fonte de tensão
quando, a mais empregada em sistemas de conversão fotovoltaica, o controle pode ser feito tanto
por tensão quanto por corrente, dependendo da grandeza de saída utilizada como referencia.
Devido à sua estabilidade diante das perturbações na rede e à facilidade no controle do fator de
potência, o controle por corrente é utilizado na maioria dos sistemas fotovoltaicos conectados à
rede enquanto o controle por tensão é utilizado principalmente em sistemas fotovoltaicos isolados.
2.11. Tipos de sistemas fotovoltaicos
Um sistema fotovoltaico pode ser classificado em três categorias diferentes: sistemas
isolados, sistemas híbridos e sistemas conectados à rede. Esses sistemas obedecem a uma
configuração básica onde o sistema deverá ter uma unidade de controlo de potência e também uma
unidade de armazenamento. A utilização de cada um desses sistemas depende diretamente da
finalidade do uso final, da avaliação económica, do nível de confiabilidade e de restrições
específicas de cada projeto.
2.11.1. Sistemas fotovoltaicos isolados
Um sistema fotovoltaico isolado ou autónomo, é aquele que não tem contato com a rede
de distribuição de eletricidade das concessionárias ou qualquer outra fonte de energia elétrica,
podendo ser individuais ou em miniredes. No primeiro caso é exclusivo para atendimento de uma
única entidade consumidora, enquanto no caso da minirede, a geração é partilhada entre um
pequeno grupo de unidades consumidoras que estão geometricamente próximas umas das outras.
Esse sistema normalmente é dimensionado com base no mês de menor radiação solar disponível.

37
Existem dois tipos de sistemas isolados: com armazenamento e sem armazenamento. O
primeiro pode ser utilizado em carregamento de baterias de carros elétricos, em iluminação pública
e, até mesmo em pequenos aparelhos portáteis. Já os sistemas sem armazenamento são
frequentemente utilizados em sistemas de bombagem de água, onde toda energia elétrica fornecida
pelo conjunto fotovoltaico é armazenada sob forma de energia potencial ou então consumida, não
sendo necessário a utilização de baterias para o armazenamento de energia elétrica. É preciso
realçar que esse caso especial da utilização dos sistemas autónomos apresenta maior viabilidade
económica.
Nos sistemas autónomos de acordo com a aplicação deve ser incluída juntamente com o
painel fotovoltaico, as baterias (de modo a assegurar a alimentação das cargas em períodos onde
não há radiação solar ou esta é insuficiente), o controlador de carga (para gerir a carga e a descarga
das baterias) e o inversor (no caso da necessidade de alimentar cargas de corrente alternada). Sendo
assim esses sistemas podem assumir as seguintes configurações abaixo em função das cargas
utilizadas.
2.11.2. Sistemas fotovoltaicos ligados à rede (on-grid)
Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede fornecem energia para as redes de distribuição.
Toda energia gerada pelo conjunto fotovoltaico é rapidamente escoado para a rede que age como
Figura 2.11-1: Sistemas fotovoltaicos isolados. Fonte: (www.neosolar.br)

38
uma carga, absorvendo essa energia. Os sistemas conectados à rede, também chamados de on-grid,
geralmente não utilizam sistemas de armazenamento de energia, e por isso são mais eficientes que
os sistemas autónomos, além de serem geralmente mais baratos. O inversor é utilizado para
converter a corrente continua do conjunto fotovoltaico em corrente alternada antes de ser entregue
à rede.
Estes inversores devem satisfazer as exigências de qualidade e segurança para que e rede
não seja afetada, como sistema de anti-ilhamento, distorção harmónica em consonância com as
normas aplicáveis, saída CA com forma de onda senoidal pura, proteções contra sobretensões e
sobrecorrentes, dentre outras. O principal critério utilizado para o dimensionamento desses
sistemas é a maximização da energia produzida.
2.11.3. Sistemas híbridos
Os sistemas híbridos são aqueles que, que desconectados da rede elétrica convencional,
apresentam varias fontes de geração de energia como por exemplo turbinas eólicas, geração diesel,
módulos fotovoltaicos entre outras.
Uma vez que os sistemas híbridos são explorados na ausência da rede elétrica
convencional, torna-se necessária a existência de um sistema de gestão e controle das diferentes
formas de geração disponíveis de modo a satisfazer os consumidores e assegurar o menos custo de
Figura 2.11-2: Sistemas fotovoltaicos conectados à rede. Fonte:
(www.bluesol.com.br)

39
produção. Para tal é necessário maximizar a eficiência do sistema em função do consumo e da
disponibilidade dos recursos.
Figura 2.11-3: Sistema fotovoltaico hibrido. Fonte
(www.bluesol.com.br)

40
3. SISTEMA DE BOMBAGEM FOTOVOLTAICO
A bombagem de água remonta aos primórdios da história da humanidade, com a utilização
de métodos manuais ou a tração animal, entretanto, as bombas manuais encontram seu campo de
aplicação em poços de pequenas dimensões e em pequenas profundidades. São dispositivos
bastante conhecidos nas zonas rurais devido ao seu baixo custo e relativa simplicidade.
Uma alternativa às bombas manuais são as bombas acionados por geradores de energia
elétrica a gasóleo ou gasolina. Esse sistema constitui uma forma autónoma e mais difundida para
qualquer capacidade de bombagem ou necessidade do usuário. O se rendimento é muito superior
às bombas manuais. Entretanto, devido à necessidade de combustíveis para operar apresenta um
custo de operação elevado e como tem partes rotativas também apresenta custos de manutenção
elevados, que tende a aumentar com o tempo de vida. Uma outra preocupação associada a essa
tecnologia é a poluição do meio ambiente e alguma possibilidade de contaminação do solo e da
água.
Entretanto, com a evolução e o passar dos anos, o homem encontrou outras formas de
bombagem de água, com recurso a energia eólica, tanto as mecânicas como as elétricas, apesar de
não necessitarem de abastecimento periódico de combustível, tem sua utilização limitada a lugares
com boa distribuição da velocidade do vento. Podem constituir uma solução apropriada para
regiões nas quais a velocidade média do vento seja superior a 2,5 𝑚/𝑠 e apresentar boa
regularidade na sua ocorrência. Este tipo de tecnologia foi inventado a muito tempo, com a
utilização de turbinas eólicas de 6 a 8 pás.
A Uma outra opção relativamente nova e menos conhecida que os sistemas acima citados
é a opção fotovoltaica. Apesar do efeito fotovoltaico ter sido observado pela primeira vez pelo
físico francês Edmund Becquerel em 1839, e as primeiras aplicações datarem década de 1950, a
bombagem fotovoltaica somente se deu de forma comercial no final da década de 1970 (Fedrizze
& Sauer, 2002, p. 1). Segundo (Fedrizzi, 1997, p. 25) até 1990 mais de 10.000 sistemas haviam
sido instalados em todo mundo, mas nas últimas décadas o seu número aumentou sensivelmente
em todo mundo, apesar de não ter sido contabilizado com precisão.

41
Um dos fatores que contribuiu bastante para a disseminação deste sistema foi a redução do
preço dos seus componentes e os projetos pilotos realizados em grande escala em zonas rurais de
países em desenvolvimento, com suporte dos países produtores dos equipamentos. Um dos
projetos de referência que pode ser citada, é aquela realizada no âmbito do Programa Regional
Solar (PRS) para os países do Sahel cujo Cabo Verde faz parte, com o intuito de aliviar os efeitos
de décadas de seca. Com 1.040 sistemas de bombagens instalados, e perfazendo um total de 1,3
MWp, esse projeto buscou para a população beneficiada, melhorar o acesso à água em quantidade
e qualidade, além de melhorar as suas condições económicas proporcionando recursos
complementares através da irrigação de hortaliças e frutíferas (Fedrizze & Sauer, 2002, p. 4).
Diferente dos sistemas fotovoltaicos autónomos de produção de energia elétrica, nos
sistemas de bombagem com recurso à energia solar fotovoltaica não é obrigatório a utilização
baterias eletrolíticas para armazenamento de energia elétrica nos horários de maior radiação para
depois ser utilizada nos períodos de menor radiação, ou mesmo falta de radiação solar. Sendo
assim, muitas vezes como regra geral, a água é bombeada e armazenada em reservatórios, para sua
posterior utilização. Esses reservatórios são dimensionados para um determinado número de dias
de autonomia para suprirem o uso do banco de baterias, em função da necessidade do uso do banco
de baterias, em função da necessidade de utilização e ainda o mais importante em função do caudal
máximo recomendado no furo.
As principais vantagens desse sistema são: a independência de combustíveis, reduzida
necessidade de manutenção de seus equipamentos, facilidade de instalação e deslocamento, longa
vida útil do painel fotovoltaico e do inversor e operação autónoma. Por outro lado, os sistemas de
bombagens fotovoltaicos têm custos iniciais elevados, dependência do recurso solar e das
condições atmosféricas que oscila constantemente, e dificuldade de obtenção de material de
reposição e de mão-de-obra qualificada para manutenção mais especifica e completa dos
equipamentos.
Uma característica favorável associada a essa tecnologia, tem a ver com o casamento
perfeito entre a fonte energética (radiação solar), e a necessidade de água. Geralmente as regiões
mais secas e carentes de água são também aquelas com maior insolação. E nas épocas de maior
nebulosidade a necessidade de água é normalmente menor. O sistema de bombagem fotovoltaica

42
é semelhante aos sistemas convencionas, com a diferença básica que o acionamento do motor da
bomba é feito por um conjunto de módulos fotovoltaicos.
Como é de conhecimento geral, os módulos fotovoltaicos só geram energia quando a
radiação solar incide sobre elas. E como esses sistemas não possuem armazenamento por baterias,
então o conjunto motobomba só funciona durante o dia, quando há radiação solar. A quantidade
de água bombeada depende do ângulo zenital formado entre os módulos fotovoltaicos e a radiação
solar. Sendo assim num dia claro e sem presença de nuvens, o caudal é máximo quando o sol está
no pico (meio dia solar). Existe também uma variação na quantidade de água bombeada
dependendo do local de instalação. Diferenças de latitudes, frequência de dias de chuvas ou com
nebulosidades mais intensas, também fazem muita diferença na quantidade diária da água
bombeada.
Figura 2.11-1Figura: Diagrama de um sistema de bombagem fotovoltaico para
consumo humano, animal e irrigação. Fonte: Adaptado de (Morales, 2011)

43
3.1. Configuração dos sistemas de bombagem fotovoltaico
Um sistema de bombagem fotovoltaico típico consiste basicamente de um painel
fotovoltaico, conjunto motobomba, reservatório de água, e sistemas de condicionamento de
potência (inversor, controlador, seguidor de ponto de máxima potência). Este sistema converte a
energia elétrica fornecida pelos módulos fotovoltaicos em energia hidráulica, onde um
determinado volume de água é elevado até uma certa altura (Pereira & Oliveira, 2011, p. 99).
Abaixo encontra-se a descrição de alguns desses sistemas com exceção do painel fotovoltaico e
inversores que já foram citadas no capítulo anterior.
3.2. Conjunto motobomba
A motobomba é a parte do sistema que transforma a energia elétrica em energia mecânica
e, como o seu nome indica, é composta por um motor e uma bomba. O termo motobomba integrada
é dado em casos em que o motor e a bomba são conectados e colocados dentro do mesmo bloco
pelo fabricante. Esta configuração simplifica o sistema e fornece altas eficiências quando operadas
na proximidade do seu ponto de desempenho. Porém, se usadas fora desse ponto as perdas podem
ser consideráveis (Morales, 2011, p. 49).
Figura 3.1-1: Configurações possíveis para sistemas de bombagem fotovoltaico (CRESESB, 2014)

44
A eficiência instantânea do conjunto motobomba situa-se entre 30% a 60%, dependendo
do tipo de motor, da bomba e do sistema de transmissão de potência empregada. Para maximizar
a eficiência de operação, o conjunto motobomba deve ser adequadamente escolhido. Pode-se
encontrar no mercado motores com eficiências próximas a 88% e bombas com eficiência próximas
de 70%.
Segundo (Fedrizzi, 1997, p. 29) existem quatro configurações básicas de posicionamento
do grupo motobomba, representadas na figura acima. O esquema A, caracterizado por poço tubular
com grupo motobomba em posição submersa, é amplamente utilizado em poços profundos com
bombas centrífugas multiestágios ou de deslocamento positivo do tipo helicoidal. O esquema tipo
B utiliza equipamento do tipo injetor com motor na superfície e a bomba na posição submersa, são
pouco utilizados principalmente por causa da baixa eficiência do sistema. No esquema C, chamado
de sistema flutuante, a motobomba se encontra na posição submersa posicionada em flutuador. No
esquema D, o conjunto motobomba se encontra na superfície próximo do nível da água, pois
funciona com um mecanismo de sucção. Os dois últimos são mais utilizados em rios, e poços de
grandes diâmetros.
Figura 3.2-1: possibilidades de posicionamento das
motobombas. Fonte: (Fedrizzi, 1997)

45
3.2.1.Tipos de Bombas
As bombas são muito utilizadas em aplicações residenciais e industriais, existindo uma
grande variedade no mercado. Para os sistemas de bombagem de água existem duas categorias
principais de bombas: centrífugas e volumétricas (de deslocamento positivo), as quais têm
características e princípios de funcionamento diferentes. Segundo a localização, as bombas podem
ser classificadas como submersíveis, superficiais e flutuantes (Morales, 2011, p. 52).
a) Bombas centrífugas
As bombas centrífugas, como o seu nome indica, usam uma força para deslocar água
através delas. Elas são constituídas por um elemento móvel (impulsor) que controla o movimento
do líquido usando energia cinética rotativa fornecida pelo motor. O impulsor incrementa energia
cinética ao fluido a qual é transformada gradualmente em energia potencial em forma de pressão.
Existem duas classes de bombas centrífugas: as submersíveis, ou submersas, e as de
superfície. As submersíveis trabalham mergulhadas, enquanto as de superfície necessitam de um
tubo para sucção. Para bombas de superfície recomenda-se uma altura de sucção máxima de
aproximadamente seis metros, entretanto alguns modelos, como as auto-espirantes, podem operar
com alturas de sucção maiores (CRESESB, 2014, p. 271).
Em geral, as bombas centrífugas são adequadas para aplicações que exigem grandes
volumes de água (elevados caudais) e pequenas alturas manométricas (reservatórios superficiais
ou cisternas). Possuem pás ou rotores que giram em altas velocidades, criando pressão e forçando
fluxo de água. Essas bombas são projetadas para alturas manométricas fixas e sua saída de água
aumenta com o aumento da velocidade de rotação das pás.

46
b) Bombas Volumétricas
As bombas de deslocamento positivo também denominados de bombas volumétricas, são
adequadas quando se deseja atingir grandes alturas manométricas com pequenos ou moderados
volumes de água. A eficiência das bombas de deslocamento positivo aumenta com o aumento da
altura manométrica. O caudal da água bombeada pelas bombas de deslocamento positivo apresenta
menor dependência com a altura manométrica, se comparada com as de bombas centrífugas. Nas
bombas de deslocamento positivo a água é bombeada a partir de um mecanismo, em geral êmbolo,
que, com movimentos sucessivos, força o deslocamento do fluido no sentido do êmbolo, então
através de mecanismos rotativos. A denominação bombas de deslocamento positivo, deriva do
facto dos dois movimentos, água e êmbolo, terem o mesmo sentido.
Figura 3.2-2: Bombas centrifuga. Fonte: (www.hidraulicart.pt/bombas
centrifugas)

47
Os tipos de bombas de deslocamento positivo mais usados em sistemas fotovoltaicos são
as bombas de diafragma, adequadas apenas para pequenas alturas manométricas, e as bombas de
pistão com contrapeso, ou as bombas de cavidade progressiva, para grandes alturas manométricas.
No que toca às características de operação elas não se ajustam tão bem aos sistemas
fotovoltaicos quanto as bambas centrifugas. Por isso, não são muito adequadas para ligação direta
aos painéis fotovoltaicos, necessitando de controladores eletrônicos para ajustar o ponto
operacional do painel fotovoltaico e proporcionar corrente necessária para a partida da bomba, que
demanda mais potência de partida (torque de partida elevada) que as bombas centrífugas. Contudo,
pequenas mudanças nos níveis de irradiância sobre o painel fotovoltaico diminuem a velocidade
do motor, reduzindo o caudal, mas não reduzem a capacidade de atingir a altura manométrica
necessária, como acontece com as bombas centrífugas. Por esse motivo, uma bomba de
deslocamento positivo tem condições de atingir alturas manométrica desejada e continuar a
bombagem de água, ao longo de todo o dia.
Seleção da bomba
Relativamente à escolha das bombas, podemos dizer que para aplicações de pequena
potência (até 250 W), as mais utilizadas são as de deslocamento positivo de diafragma, ou ainda
as bombas centrífugas de estágio único ou de poucos estágios. Para aplicações de grande potência,
as bombas utilizadas são as centrifugas multiestágios e de deslocamento helicoidais.
As bombas centrífugas como antes referidas são mais indicadas para grandes caudais e
menores alturas manométricas, pois para alturas manométricas elevadas esse tipo de bomba
Figura 3.2-3: Bomba de deslocamento positivo de diafragma. Fonte:
(www.expo21xx.com/bioenergy/19681_st3_biomass-pumps.html)

48
apresenta redução da eficiência. Já para elevadas alturas manométricas e pequenos caudais são
mais indicadas as bombas de deslocamento positivo, principalmente do tipo helicoidal. No entanto,
apesar de apresentarem maior eficiência se comparadas com as bombas centrífugas, as helicoidais
exigem maior torque de arranque do motor, o que deve ser levado em conta no dimensionamento
do painel fotovoltaico.
3.2.2.Motores
O motor é o componente que transforma a energia elétrica em energia mecânica, a qual
será aproveitada pela bomba. Para projetos de bombagem fotovoltaico a escolha do melhor tipo de
motor depende do volume de água necessário, da potência requerida para atingir a altura desejada,
da eficiência (geralmente mais elevada para motores de corrente continua c.c.), do custo
(geralmente menores para motores de corrente alternada, c.a), da necessidade do motor estar ou
não submerso ou não, das dimensões impostas pelo furo (no caso do motor estar colocado dentro
do furo), da confiabilidade, da disponibilidade e da facilidade para a realização de manutenção.
Os motores de corrente contínua são atrativos para pequenas potências, principalmente
porque permitem um acoplamento direto com o painel fotovoltaico, entretanto o seu custo inicial
é mais elevado. Normalmente esses motores são projetados para funcionarem por longo tempo.
Entretanto devido ao desgaste natural das escovas, precisam ser substituídas periodicamente.
Contudo existem motores de corrente contínua sem escovas, que possuem como vantagens o
aumento da confiabilidade do sistema e a reduzida necessidade de manutenção. Estes motores são
geralmente de menor potência.
Para potências maiores, embora alguns fabricantes recomendam o seu uso em todas as
faixas de potência, o uso de motores de corrente alternada com inversores é mais atrativo, devido
ao seu baixo custo e disponibilidade. Esses motores são mais comuns devido ao facto da sua
compatibilidade com a rede de distribuição pública de eletricidade. Em consequência há grande
disponibilidade e variedade de motores de corrente alternada no mercado.
Uma consequência da utilização dos motores é que trazem maior complexidade ao sistema,
uma vez que exige a utilização de um inversor par a transformar a corrente continua em alternada,
além de introduzir também mais perdas. Entretanto possuem a vantagem de ter preços mais baixos.

49
Os motores de corrente alternada são geralmente utilizados em sistemas de bombagem
fotovoltaico de água submerso, adequados para grandes profundidades. O motor é de indução
sendo acionado por um inversor especialmente projetado para dar partida no motor e para
proporcionar uma frequência variável que ajuste a tensão de saída do painel à carga do motor.
Esses motores são especiais porque são projetados para funcionar debaixo da água. No
entanto o princípio de funcionamento é semelhante aos outros motores elétricos. Um motor
submersível consiste no corpo de um motor e um cabo de alimentação. O cabo é destacável com
um sistema de encaixe, sendo dimensionado de modo a minimizar a exigência dimensional da
bomba (Correia, 2015, p. 30).
3.3. Possibilidades de acoplamento entre o painel fotovoltaico e o conjunto
motobomba
Segundo (Morales, 2011, p. 58) existem três possibilidades de acoplamento entre o painel
fotovoltaico e o conjunto motobomba que pode ser: direta quando o motor de corrente continua é
utilizada, Através do banco de baterias e um sistema de controle de carga, Através de um inversor
entre o painel fotovoltaico e o conjunto motobomba quando motores de corrente alternada é
utilizada.
3.3.1.Acoplamento direto
Esse tipo de acoplamento é usado principalmente em sistemas fotovoltaicos de pequena
potência, sendo ente o tipo de configuração mais simples. A grande vantagem dessa modalidade é
a economia que se obtém nos custos iniciais e de reposição por não requerer equipamentos mais
complexos e mais carros.
É possível utilizar essa configuração para equipamentos de pequena potência e conjuntos
de motores CC com bombas de deslocamento positivo (diafragma ou pistão) porque elas se
adaptam melhor às variações de potência causadas também pelas mudanças da irradiação.
3.3.2.Acoplamento por meio de baterias

50
As baterias podem ser utilizadas em sistemas de bombagem fotovoltaico para
desempenharem duas funções: armazenamento de energia e condicionamento de potência. Como
sistema de armazenamento de energia das baterias permitem a operação do sistema em períodos
de falta de irradiação solar.
Como sistema de condicionamento de potência, a função das baterias é manter a tensão de
trabalho constante, a qual é selecionada para ter valor próximo ao ponto de máxima potência do
painel fotovoltaico. Independente da função pela qual a bateria for utilizada, é necessário sempre
um sistema de controle de carga e descarga da bateria, coma a finalidade de proteger sobrecargas
e descargas profundas.
3.3.3.Acoplamento com sistemas de condicionamento de potência
Em quase todos os sistemas fotovoltaicos de bombagem são utilizados algum tipo de
sistema de condicionamento de potência, para estabelecerem ligações entre o conjunto painel
fotovoltaico e o conjunto inversor. A utilização desses equipamentos permite controlar a energia
fornecida à motobomba, e dessa maneira, maximizar a eficiência do sistema. Entre as principais
funções desses sistemas se encontram o controle do arranque e parradas da bomba, ou então a
conversão de tensão e ainda a proteção da motobomba de sucessivas perturbações na energia
elétrica.
Os equipamentos de condicionamento de potência mais usados em sistemas fotovoltaicos
de bombagem são: conversores CC-CC, boosters, inversores CC– CA e conversores de frequência.
Nesse projeto em particular vamos utilizar um conversor de frequência, que não é mais do que um
inversor com possibilidades de conversão da tensão CC para CA e variação da frequência ao
mesmo tempo, o que é muito importante em aplicações onde há muitas flutuações da energia
elétrica.
3.4. Possibilidades de armazenamento
Quanto ao armazenamento um sistema de bombagem fotovoltaico tem duas
possibilidades. Uma é o armazenamento de energia elétrica utilizando as baterias para fornecerem
energia num dia sem ou com baixa irradiação, outra é o dimensionamento do reservatório de água
para vários dias de armazenamento.

51
A segunda opção em detrimento do primeiro, é o mais utilizado, uma vez que apresenta
uma série de vantagens, tais como: o custo, a manutenção, a instalação, o comissionamento, o
supervisionamento, entre outras.
Nesse projeto em particular será dimensionado um sistema ser recurso a apoio. Envolvendo
apenas painéis e o grupo inversor de frequência. Os principais motivos para a escolha dessa
solução, é aproveitar o sistema de bakup existente como apoio, aproveitar o reservatório para
armazenar água, para uso posterior. Sendo que deve-se respeitar o limite máximo de extração da
água imposta no furo, pela Agência Nacional de Água e Saneamento (ANAS).

52
4. DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA PROPOSTO
4.1. Caracterização da localidade Canto Grande
A localidade de Canto Grande está situada numa boa posição geoestratégica para o
exercício da atividade agrícola, sobretudo no que concerne a evacuação, pois está situada no meio
do concelho de São Miguel e quase a mesma distância dos municípios de Tarrafal ao norte, Santa
Cruz à sul e Santa Catarina a oeste, sendo este a sede Norte da ilha de santiago com elevado número
de habitantes e capital económico.
Contudo, os agricultores com parcelas de terreno em Canto Grande, são na sua maioria
criadores de gado e pessoas que se dedicavam à agricultura de sequeiro pela falta de água para a
prática da agricultura de regadio. Mesmo pessoas herdeiras de alguma parcela de terreno
cultivável, eram carentes, por não poderem usufruir das mesmas parcelas devido à falta de água
para a realização da agricultura de regadio.
Localização da
intervenção
Ilha: Santiago
Concelho: São Miguel
Localidade: Canto Grande, Ribeira de São Miguel
Designação do
Furo:
FST 835
Coordenadas: Latitude 15° Longitude 23°
No âmbito de uma política de apoio, apesar de alguma resistência por pate de alguns
proprietários, houve uma negociação onde todas as partes envolvidas reuniram e sentaram à mesa
chegando ao consenso de que o objetivo era comum juntamente com a Delegação do Ministério
que tutela o sector agrícola na região. Dessa negociação foi implementado o projeto de equipação
do furo FST 835 e instalação de sistemas modernos de rega, nomeadamente a de rega gota-gota,
possibilitando o aumento da produção hortícola e a consequente melhoria de vida dos implicados
no processo. O problema que se poe agora é o elevado custo de operação do furo inviabilizando o
sistema já implementado.

53
4.2. Caracterização do sistema atual
Atualmente a extração de água a partir desse furo, é feita utilizando um gerador de 12 kW,
que consome 2 litros de gasóleo por hora e trabalha cerca de 8 horas por dia. O custo de operação
segundo o explorador do furo é cerca de 42.000,00 ECV/mês, o que tem dificultado o
desenvolvimento da atividade agrícola no local. Segundo a mesma fonte o custo de água
disponibilizada por esse sistema é de 40 𝐸𝐶𝑉/𝑚3
o que não é muito acessível considerando uma
água para agricultura.
Perante essa situação o explorador do sistema, procura alternativas ao funcionamento do
sistema por meio de fontes renováveis. Pretende-se também uma melhoria global do sistema
relativamente ao depósito de água, visto que um reservatório de 50 𝑚3
é insuficiente para
satisfazer um universo de 38 propriedades.
Profundidade
do furo
Profundidade
da bomba
Altura
manométrica
Distancia furo-
reservatório
Nível
estático
Nível
dinâmico
58 m 57 m 85 m 490 m 32,5 m 35,46 m
Eletrobomba Motor Tipo de Arranque Gerador diesel
Marca: Grundfos
Modelo: SP 8A - 21
Marca: Grundfoss
Modelo: MS 4000
Direto Marca, Modelo: n.d.
Potência: 12 kW
4.3. Determinação da energia hidráulica necessária
Durante o dimensionamento de um sistema deste tipo o primeiro parâmetro a ser
determinado é a energia hidráulica necessária para elevar uma certa quantidade de água até uma
certa altura. Para o dimensionamento da energia hidráulica os parâmetros necessários são aqueles
destacados na figura abaixo, fornecidas pelo proprietário do furo em questão.

54
Normalmente começa-se por estimar o consumo diário de água, ou seja, o caudal diário
necessário, sendo equivalente à estimativa do consumo de energia elétrica em um projeto de
eletrificação. Segundo informações da ANAS a quantidade de água a ser bombeada por dia no
respetivo furo (FST 835) é de 50 𝑚3
/𝑑𝑖𝑎, que acaba por coincidir com a capacidade do
reservatório. Mas quando não se dispõe do valor exato do consumo de água, uma alternativa que
fornece bons resultados é estimar o consumo por atividades, como por exemplo o consumo
humano, consumo de animal e o cultivo.
Através dos dados fornecidos pelo proprietário do furo e da figura acima podemos notar
que a altura manométrica é 𝐻 𝑚 = 85 𝑚 e a altura dinâmica é 𝐻 𝑑 = 35,55 m, Logo podemos
determinar a única grandeza que nos falta, a altura do reservatório, pela seguinte equação:
𝐻𝑟 = 𝐻 𝑚 − 𝐻 𝑑 = 49,55 𝑚
Na posse desses parâmetros passemos ao cálculo da altura manométrica corrigida, que
corresponde à altura manométrica, somada às perdas de carga nas tubulações 𝐻𝑡 e nas conexões
𝐻𝑐.
𝐻 𝑚𝑐 = 𝐻 𝑚 + 𝐻𝑡 + 𝐻𝑐
Figura 4.3-1: Desenho do furo em questão, destacando os principais parâmetros.

55
A perda de cargas por tubulações é calculada utilizando o comprimento total do tubo, sendo
o seu valor por cada 100 metros de altura manométrica fornecido na tabela que se encontra em
anexo.
Considerando o caudal de 7 m3
/h, o tubo deve ser de 32 mm ou então de 38 mm de
diâmetro. Para minimizar as perdas no sistema escolhemos o tubo de 38 mm por ter menor perda,
podendo ser de maior custo, mas que será compensada depois pela redução das perdas. De acordo
com a Figura 4.3-1 podemos calcular o comprimento total do tubo desde o conjunto motobomba
até o reservatório que será:
490 𝑚 + 57 𝑚 + 49,45 𝑚 = 596,55 𝑚
O tubo escolhido de acordo com a tabela, apresenta uma perda de 5,45 𝑚 a cada 100 𝑚 do
comprimento do tubo. Sendo assim a perda de carga total por tubulações será de,
𝐻𝑡 = 596,55𝑚 ×
5,45𝑚
100𝑚
= 32,51𝑚
Passemos agora ao cálculo das perdas por conexões do tubo. A perda pode ser determinada
através da tabela que se encontra no anexo, mas como não temos os dados das conexões dos tubos
e considerando que essas perdas são muito pequenas se comparadas com as perdas de carga por
tubulação, então desprezamos essas perdas. Logo 𝐻𝑐 = 0 𝑚.
Dessa forma então a altura manométrica corrigida será:
𝐻 𝑚𝑐 = 85 m + 32,51 m + 0 m = 117,51 m
Para o cálculo da energia hidráulica necessária para efetuar o bombagem de um volume
diário de água Q até uma certa altura manométrica 𝐻 𝑚𝑐 faz-se a utilização da seguinte equação:
𝐸 𝐻 = 𝑔 × 𝐻 𝑚𝑐 × 𝜌 𝑎 ×
𝑄
3.600
Onde:
𝑔 = 9,8 𝑚/𝑠2
é a aceleração da gravidade;
𝜌 𝑎 = 998.2 𝑘𝑔/𝑚^3 é a massa específica da água;
𝑄 = 50 𝑚3
é o caudal máximo a ser bombeada por dia;

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