Introdução

Neste tutorial, nos aprofundamos nas complexidades do design de um sistema de bomba solar, uma solução sustentável que aproveita a energia solar para bombeamento de água. Ideais para locais remotos ou fora da rede, esses sistemas são cada vez mais essenciais na agricultura moderna, no manejo de gado e no abastecimento de água rural.

Visão geral

Um sistema de bomba solar utiliza painéis fotovoltaicos para alimentar uma bomba de água, eliminando a necessidade de eletricidade convencional ou diesel. Suas aplicações abrangem desde irrigação até fornecimento de água potável em áreas sem conectividade de rede.

Benefícios

A principal vantagem dos sistemas de bombas solares está em sua fonte de energia renovável, reduzindo custos operacionais e pegada de carbono. Eles são particularmente benéficos em áreas remotas, oferecendo uma solução de bombeamento de água confiável e ecologicamente correta.

Etapa 1: Avaliação das necessidades de água

• Determine a vazão e a altura manométrica dinâmica total (TDH): Calcule a vazão de água necessária, expressa em litros por segundo ou galões por minuto. TDH abrange elevação vertical, distância horizontal e perdas por atrito dentro do sistema.

Por exemplo: Tipo de bomba: Bomba submersível, Taxa de fluxo: 6 m³/, Altura vertical: 60 metros Distância horizontal: 100 metros

Análise de requisitos:
Necessidade de vazão: 6 m³/h
Altura vertical: 63,3 metros (distância horizontal de 100 metros = altura vertical 3,3 metros)
Tempo de operação do sistema por dia: 6 horas (considerando um dia ensolarado)

Etapa 2: Selecionando a bomba

• Tipo de bomba: Escolha entre bombas submersíveis para poços ou bombas de superfície para fontes de água como rios ou lagos.
• Especificações da bomba: Certifique-se de que a vazão e a capacidade da bomba atendam aos requisitos calculados.

Bomba: A bomba de 2,2 kW 220V ou 380V. Sua altura manométrica máxima é de 127 metros.
A vazão é de 6 m³/h a 83 metros, o que atende ao requisito.

Observação:
Como a bomba e o inversor de 380 V exigem uma entrada de tensão mais alta, o que pode resultar em desperdício de energia quando conectados a painéis solares, sugerimos escolher uma bomba de 220 V.
Para uma bomba monofásica de 220 V, o capacitor externo é necessário (pois o inversor já realiza a mudança de fase internamente), enquanto o capacitor de partida/funcionamento deve ser removido.

Etapa 3: Escolhendo o inversor certo

• Tipo de inversor: Opte por um inversor com MPPT (Rastreamento de Ponto de Potência Máxima) para maior eficiência.
• Tamanho e especificações: O inversor deve corresponder aos requisitos de energia da bomba e à saída do painel solar.

Com base nas especificações conhecidas da bomba (2,2 kW, 220 V, monofásica), o modelo de inversor recomendado é HSPH2200L e a faixa de tensão de entrada CC MPPT recomendada é conforme abaixo:
300 Vmp
340 Vmp

Observação: a tensão máxima de entrada e a tensão de trabalho do inversor determinarão o método de conexão dos painéis solares.

Etapa 4: Cálculo do painel solar

• Energia do painel solar: a energia total necessária para a bomba deve ser multiplicada por 1,5 para compensar ineficiências e variabilidade da luz solar.
• Número de painéis: calcule o número de painéis necessários com base na potência individual do painel.

Energia do painel solar

A potência total dos painéis solares deve ser 1,5 vezes a potência da bomba d'água, que é 2,2 kW * 1,5 = 3,3 kW. 3,3 kW / 0,405 kW = 8,148 painéis.

Conexão do painel solar

A tensão máxima do circuito de entrada do inversor é 450Voc. Se considerarmos a tensão de trabalho recomendada de 300Vmp, podemos calcular o número de painéis que podem ser conectados em série.

450Voc/37,58Voc = 11,97 painéis (máx.)

300 Vmp/31,47 Vmp = 9,53 painéis (mín.)

Observação
Definir a potência do painel solar para 1,5 vezes a potência da bomba de água é um valor teórico. Ele pode ser ajustado com base nas condições locais de luz solar. Se as condições de luz solar forem boas, você pode reduzir o número de painéis solares. Por outro lado, você pode precisar aumentar o número de painéis solares para garantir um fornecimento de energia adequado.

Etapa 5: Configuração do sistema

• Disposição do painel: Decida sobre uma configuração em série ou em paralelo com base nas especificações de tensão e corrente do inversor.
• Montagem e Orientação: Planeje a exposição ideal à luz solar ao montar e orientar os painéis.

1. Como o sistema funciona com 11 painéis solares conectados em série?
   Conectar 11 painéis em vez dos 8 painéis mínimos necessários terá um impacto na operação do sistema. O fornecimento total de água por dia pode ser calculado com base em 7 horas de operação. Com mais painéis solares instalados, o tempo de saída de água nominal será maior. Por outro lado, se menos painéis forem conectados, o fornecimento total de água será reduzido. Portanto, o número de painéis solares conectados afeta diretamente a capacidade geral de fornecimento de água do sistema.
2. Como o sistema funciona com 6 painéis solares conectados em série?
   6 * 31,47 = 188,82. Devido ao requisito mínimo de tensão de entrada do inversor ser de 200 volts ou mais, conectar apenas 6 painéis pode potencialmente acionar a proteção de baixa tensão do inversor
3. Como o sistema funciona com 7 painéis solares conectados em série?
   Usar 7 painéis não acionará a proteção de baixa tensão do inversor (7 * 31,47 V = 220,29 V). O sistema ainda pode operar, mas a saída da bomba de água será reduzida e pode não atingir a vazão nominal.

então a configuração do sistema:

Fluxo de água: 6m³/h, altura de elevação vertical: 60m，

Distância horizontal 100 metros.

Solução:

Bomba: 2,2 kW 220 V monofásica (capacitor externo)

Inversor: HSPH2200L

Painéis solares: 9 unidades de 405 W em série

Fluxo nominal: 6m³/h*6 = 36m³ @ 80 cabeça (dia ensolarado)

Etapa 6: Conexões elétricas para projeto do sistema de bomba solar

1. Planejando o Layout Elétrico

Determinar a colocação dos componentes: Identifique as posições dos painéis solares, caixa combinadora, inversor e bomba d'água.

Calcular comprimentos de cabos: Meça e calcule os comprimentos necessários dos cabos para conectar todos os componentes de forma eficiente.

2. Selecionando cabos

Cabos DC: Use cabos de bitola apropriada para conectar os painéis solares à caixa combinadora e da caixa combinadora ao inversor.

Cabos CA: Utilize cabos adequados para conectar o inversor à bomba de água.

Aterramento: Certifique-se de que cabos de aterramento adequados estejam incluídos para proteger o sistema contra falhas elétricas.

3. Instalando a caixa combinadora

Montagem: Monte com segurança a caixa combinadora fotovoltaica próxima aos painéis solares.

Conexões: Conecte os terminais positivo e negativo dos painéis solares às entradas correspondentes na caixa combinadora.

Dispositivos de segurança: Certifique-se de que os fusíveis e os dispositivos de proteção contra surtos estejam instalados na caixa combinadora.

4. Conectando o inversor

Entrada DC: Conecte a saída da caixa combinadora aos terminais de entrada CC do inversor.

Saída CA: Conecte os terminais de saída CA do inversor à bomba de água.

Entrada CA (função híbrida): Conecte os terminais de entrada CA do inversor à bomba de água.

5. Aterramento

Instalação de haste de aterramento: Instale hastes de aterramento perto do inversor e da caixa combinadora.

Conexões de aterramento: Conecte todas as partes metálicas do sistema às hastes de aterramento usando cabos de aterramento.

6. Verificações e testes finais

Inspecionar conexões: Certifique-se de que todas as conexões estejam firmes e seguras.

Verificação de polaridade: Verifique a polaridade correta para todas as conexões CC para evitar danos aos componentes.

Teste de sistema: Ligue o sistema e verifique a operação adequada. Monitore a voltagem e a corrente para garantir que estejam dentro de faixas aceitáveis.

7. Documentação e Segurança

Rotulagem: Etiquete todos os cabos e componentes para facilitar a identificação.

Precauções de segurança: Siga todos os protocolos de segurança e garanta que o sistema seja instalado em conformidade com os códigos e padrões elétricos locais.

8. Seleção de Reatores

Determinar a necessidade de Reatores: Os reatores podem ajudar a gerenciar picos de tensão, reduzir harmônicos e melhorar a qualidade geral da energia. É altamente recomendável usar reatores quando o comprimento do cabo da bomba exceder 100 metros.

Tipos de Reatores:

• Reatores CC: Colocado no lado CC para suavizar a corrente CC.
• Reatores CA: Colocado no lado CA para filtrar harmônicos e melhorar a qualidade da energia.

Recomendações:

• Quando usar reatores: É altamente recomendável usar reatores quando o comprimento do cabo da bomba exceder 100 metros.
• Benefícios:O uso de reatores ajuda a:
  • Proteja o inversor e a bomba contra picos de tensão.
  • Reduza o ruído elétrico e os harmônicos.
  • Melhore a eficiência e a longevidade do sistema.

Selecionando Reatores Apropriados:

• Classificação atual: Certifique-se de que o reator pode lidar com os níveis atuais do sistema.
• Valor de indutância: Escolha um reator com um valor de indutância que corresponda aos requisitos do sistema.
• Instalação: Instale o reator entre o inversor e a bomba de água, ou conforme especificado no projeto do sistema.

Etapa 7: Seleção de tubos e válvulas para sistema de bomba solar

A seleção adequada de tubos e válvulas é crucial para garantir a eficiência e a longevidade de um sistema de bomba solar. Aqui estão as principais considerações:

1. Determinando o material do tubo

PVC (cloreto de polivinila):

• Vantagens: Leve, resistente à corrosão, fácil de instalar.
• Aplicações: Adequado para a maioria dos sistemas de bombas solares, especialmente para instalações de pequeno e médio porte.

PEAD (Polietileno de Alta Densidade):

• Vantagens: Flexível, durável e resistente a impactos e produtos químicos.
• Aplicações: Ideal para sistemas maiores e instalações em ambientes hostis.

Aço galvanizado:

• Vantagens: Forte e durável.
• Aplicações: Usado em sistemas de alta pressão ou onde os tubos são expostos a danos mecânicos.

2. Diâmetro do tubo

Calcular os requisitos de vazão:

• Determine a vazão necessária para seu sistema com base na capacidade da bomba e nas necessidades da aplicação.

Selecionando o diâmetro correto:

• Tubos de diâmetro maior reduzem as perdas por atrito e melhoram a eficiência, mas podem ser mais caros.
• Use gráficos de vazão e tabelas de perda por atrito para selecionar o diâmetro de tubo apropriado para suas necessidades específicas.

3. Comprimento do tubo

Medir a distância:

• Meça a distância total da fonte de água até o ponto de uso.

Minimize curvas e conexões:

• Reduzir o número de curvas e conexões minimiza as perdas de pressão e melhora a eficiência do sistema.

4. Classificação de pressão

Corresponda à classificação de pressão do tubo:

• Certifique-se de que os tubos podem suportar a pressão máxima produzida pela bomba.

Considere as perdas de pressão:

• Considere as perdas de pressão devido ao atrito e às mudanças de elevação no processo de seleção do tubo.

5. Considerações sobre a instalação

Tubos seguros e de suporte:

• Fixe e apoie adequadamente os canos para evitar flacidez e danos.

Permitir expansão térmica:

• Considere a expansão térmica, especialmente para tubos de plástico, para evitar danos devido a mudanças de temperatura.

Evite Airlocks:

• Garanta inclinação e ventilação adequadas para evitar bloqueios de ar no sistema.

6. Seleção de válvulas

Tipo de válvulas:

• Válvulas de gaveta: Usado para controle liga/desliga com queda mínima de pressão.
• Válvulas de esfera: Fornecem vedação confiável e são fáceis de operar.
• Válvulas de retenção: Evitar refluxo e garantir fluxo unidirecional.

Material das válvulas:

• PVC: Resistente à corrosão e adequado para aplicações de baixa pressão.
• Latão: Durável e adequado para uma ampla gama de aplicações.
• Aço inoxidável: Alta resistência e resistência à corrosão para sistemas de alta pressão.

Dimensionamento de válvulas:

• Adapte o tamanho da válvula ao diâmetro do tubo para garantir controle de fluxo eficiente e perda mínima de pressão.

7. Manutenção e Acessibilidade

Fácil acesso para manutenção:

• Projete o sistema de modo que tubos e válvulas sejam acessíveis para inspeção e manutenção.

Durabilidade e vida útil:

• Escolha materiais e métodos de instalação que maximizem a vida útil e a durabilidade dos tubos e válvulas.

Etapa 8: Sistema Instalação

Considerações práticas para instalação de sistema de bomba solar

Ao instalar um sistema de bomba solar, tenha em mente os seguintes pontos-chave para garantir uma configuração bem-sucedida e eficiente:

Precauções de segurança

• Pessoal qualificado: Somente técnicos qualificados devem realizar a instalação.
• Desligar: Certifique-se de que todas as instalações elétricas sejam realizadas com a energia desligada.
• Equipamento de proteção: Use luvas, óculos de proteção e botas de segurança.

Seleção e preparação do local

• Evite sombras: Instale painéis solares em locais sem sombras.
• Fundação resistente: Certifique-se de que a estrutura de montagem esteja segura e possa suportar ventos fortes.
• Espaçamento adequado: Mantenha espaçamento adequado entre os painéis solares.

Instalação de painéis solares

• Use materiais resistentes à corrosão: Escolha aço ou liga de alumínio para suportes solares.
• Assentamento de fundação: Considere o recalque da fundação, especialmente em solos macios ou arenosos.
• Minimize o comprimento do fio: Coloque os painéis solares perto do inversor.
• Parâmetros Consistentes: Use painéis solares com especificações correspondentes.
• Ventilação para caixa combinadora: Instale em local ventilado, longe da luz solar direta.

Conexões elétricas

• Verifique a polaridade: Certifique-se de que a polaridade esteja correta para todas as conexões CC.
• Dimensionamento adequado do cabo: Use cabos que possam suportar a carga de corrente e minimizar a queda de tensão.
• Conexões Seguras: Aperte todas as conexões elétricas para evitar arcos elétricos.

Instalação do inversor

• Boa ventilação: Instale o inversor em uma área ventilada, longe da luz solar direta.
• Instalação lado a lado: Coloque vários inversores lado a lado, não empilhados.

Instalação da bomba

• Profundidade correta: Instale bombas pelo menos 1 metro abaixo do nível dinâmico da água e 5 metros acima do fundo do poço.
• Montagem segura: Use cabo de aço e braçadeiras para prender a bomba.
• Seleção de tubos adequada: Use tubos de PVC para instalações com até 100 metros de profundidade e tubos de aço com tratamento antiferrugem para instalações mais profundas.

Uso do reator

• Cabos longos: Use reatores para cabos de bomba maiores que 100 metros para gerenciar picos de tensão e reduzir harmônicos. Engrosse o cabo de saída.

Aterramento e proteção contra raios

• Aterramento confiável: Aterre todos os componentes corretamente.
• Pára-raios: Instale conforme especificado para proteger contra raios

Etapa 9: Teste e comissionamento

• Teste de sistema: Descreva os procedimentos para garantir que o sistema opere corretamente.
• Dicas para solução de problemas: Ofereça soluções para problemas comuns do sistema.

Etapa 10: Manutenção e monitoramento(como fazer manutenção do sistema de bomba solar)

• Manutenção regular: Estabeleça um cronograma de manutenção para a bomba, os painéis e o inversor.
• Desempenho do sistema de monitoramento: Discuta métodos para monitorar e garantir a eficiência do sistema a longo prazo.

Etapa 11: Solução de problemas do sistema de bomba solar

1. Verifique a fonte de alimentação

Primeiro, certifique-se de que os painéis solares ou o conjunto de baterias estejam funcionando corretamente. Problemas comuns de fornecimento de energia incluem:

• Obstruções do painel solar: Verifique se há poeira, folhas ou outros detritos cobrindo os painéis solares, o que pode afetar a absorção de luz.
• Problemas de conexão: Inspecione as conexões entre os painéis solares e o conjunto de baterias para garantir que estejam seguras e livres de corrosão.
• Verificação de voltagem: Use um multímetro para medir a saída de tensão dos painéis solares e da bateria, certificando-se de que esteja dentro da faixa normal.

2. Verifique o inversor

O inversor é um componente crucial que converte a energia CC dos painéis solares em energia CA para a bomba. Problemas com o inversor podem afetar todo o sistema:

• Códigos de erro: Verifique se há códigos de erro ou indicações de falha no painel de exibição do inversor.
• Conexões: Certifique-se de que todas as conexões elétricas de e para o inversor estejam seguras e livres de corrosão.
• Superaquecimento: Verifique se o inversor está superaquecendo, o que pode ser um sinal de mau funcionamento ou ventilação inadequada.

3. Verifique o sistema de bomba e tubulação

A bomba e a tubulação são os principais componentes do sistema de bombeamento solar, e suas condições impactam diretamente na eficiência:

• Motor da bomba: Fique atento a ruídos ou vibrações incomuns no motor da bomba, pois superaquecimento ou sons anormais podem indicar problemas.
• Impulsor da bomba: Certifique-se de que o impulsor da bomba não esteja preso com detritos ou danificado.
• Vazamentos de oleodutos: Inspecione a tubulação para verificar se há vazamentos, o que pode causar pressão de água insuficiente e reduzir o desempenho da bomba.

4. Verifique sensores e interruptores

Sensores e interruptores monitoram e controlam a operação do sistema, e quaisquer falhas podem interromper o funcionamento normal:

• Interruptor de flutuação: Verifique se o interruptor de flutuação está preso ou danificado. Este interruptor detecta os níveis de água e controla as operações de partida e parada da bomba.
• Sensor de pressão: Certifique-se de que o sensor de pressão não esteja bloqueado ou danificado. Ele monitora a pressão do sistema e previne sobrepressão ou baixa pressão.

5. Fatores ambientais

As condições ambientais também podem afetar a operação do sistema de bomba solar:

• Impacto da temperatura: Temperaturas extremas podem impactar a eficiência dos painéis solares e o desempenho da bateria. Garanta que o sistema opere dentro da faixa de temperatura recomendada.
• Condições climáticas: Períodos prolongados de tempo nublado ou chuvoso podem levar ao carregamento insuficiente dos painéis solares. Verifique os registros e previsões do tempo para determinar se o problema de energia é temporário.

6. Consulte o suporte técnico profissional

Se as verificações acima não resolverem o problema, é aconselhável entrar em contato com o suporte técnico profissional. Especialistas podem fornecer diagnósticos e soluções aprofundados:

• Sintomas de falha de documento: Registre os sintomas de falha e as etapas de solução de problemas já executadas, para que a equipe de suporte técnico possa entender melhor o problema.
• Fornecer informações do sistema: Compartilhe detalhes sobre o modelo do sistema, a data de instalação e o ambiente operacional para ajudar os técnicos a identificar rapidamente o problema.

Conclusão

Cobrimos as etapas essenciais no projeto de um sistema de bomba solar. Para mais aprendizado, consulte recursos adicionais fornecidos.