Dissertação de Mestrado

Unidade de Osmose Reversa acionada por Energia Solar Fotovoltaica sem Baterias: Simulação, Projeto e Validação Experimental - 2a Versão

Resumo | Abstract

Apresentação (Powerpoint® com som)

Dissertação (formatação segundo NBR 14724-2002) - 125 p.

Dissertação econômica (espaçamento simples, fonte: 10 pt) - 69 p.

Páginas Alteradas - 2a Versão

 

RESUMO

 RIFFEL, D.B.; 2005. Unidade de Osmose Reversa acionada por Energia Solar Fotovoltaica sem Baterias: Simulação, Projeto e Validação Experimental. Fortaleza. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará.125p.

Este trabalho analisa a interação entre a tecnologia fotovoltaica e a de osmose reversa para o suprimento de água potável através da dessalinização da água salobra oriunda de poços profundos, no semi-árido nordestino brasileiro, sem a utilização de baterias. Observa-se que o abastecimento de água potável e energia elétrica ainda é uma questão não resolvida para uma grande parcela da população mundial. O estado do Ceará, onde se localizou esta pesquisa, reflete bem essa realidade. Uma unidade de osmose reversa acionada por energia solar fotovoltaica sem baterias foi instalada em laboratório. A ausência do banco de baterias proporciona uma redução dos custos e da necessidade de manutenção; ao mesmo tempo em que altera, sobremaneira, a operação da unidade, tornando-a totalmente subordinada às condições instantâneas da radiação solar e da temperatura ambiente. Um método foi desenvolvido para projetar esse tipo de unidades, utilizando, como parâmetros de projeto, dados estatísticos da radiação solar e a possibilidade de complementaridade sazonal da obtenção de água potável através de cisternas. Dois sistemas foram matematicamente modelados e validados experimentalmente. O Sistema 1 possui um motor-bomba acoplado diretamente a 2 módulos FV de 55 Wp cada. Para o Sistema 2 foram acrescidos 1 módulo fotovoltaico de mesma potência e um conversor CC-CC abaixador com seguidor de máxima potência entre o arranjo fotovoltaico e a carga. A necessidade de se regular a potência entregue à carga, pelo Sistema 2, motivou o desenvolvimento do conversor e do algoritmo, seguidor de máxima potência, especialmente para esta aplicação. As simulações possibilitaram a comparação entre os dois sistemas, realizada em duas situações: com e sem a inserção de uma válvula de alívio no Sistema 1. Todas as comparações mostraram uma ampla vantagem do Sistema 2, seja na produção média diária de água potável, no período diário de operação, no consumo específico ou na relação potência fotovoltaica por litro de água produzida. As bombas volumétricas, no caso de diafragma, foram aprovadas para aplicações em unidades de osmose reversa. No entanto, para virem a ser alimentadas via arranjos fotovoltaicos, torna-se necessário a adoção dos seguidores de máxima potência. Salienta-se, ainda, que um acréscimo na capacidade de geração de 50 % pôde melhorar em mais de 90 % a performance da unidade.

Palavras-chave: painel fotovoltaico, osmose reversa, energia solar, dessalinização, seguidor de máxima potência.

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ABSTRACT

Photovoltaic-powered Reverse Osmosis Plant without Batteries: Simulation, Design and Experimental Validation

RIFFEL, D.B.; 2005. Photovoltaic-powered Reverse Osmosis Plant without Batteries: Simulation, Design and Experimental Validation. Fortaleza. Thesis (Master degree) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará.125p.

This research analyzes the combination of photovoltaic generation with reverse osmosis desalination of brackish water for the supply of dinking water. Access to potable water and electric power is still an unresolved problem for many people around the world. The State of Ceará, where this research was carried out, represents well this reality. A photovoltaic-powered reverse osmosis plant was installed in laboratory. Through the elimination of the battery, investment costs and maintenance need could be reduced. At the same time, this changes completely the operation of the unit, being totally subordinate to the instantaneous conditions of solar radiation and temperature. A plant design procedure was elaborated that uses solar radiation statistical data and the seasonal availability of water from cisterns as design parameters. Two systems were mathematically modeled and validated by experiment. System 1 uses a motor-pump directly coupled to two 55 Wp photovoltaic modules. System 2 disposes of one additional module and a DC-DC buck converter with maximum power point tracking between the photovoltaic array and the load. The necessity to regulate the power transferred to the load in System 2, led to the development of the converter and the tracking algorithm specially for this application. The simulations allowed the comparison between the two systems in two conditions: with and without a pressure relief valve coupled to system 1. Results shown that the System 2 has always a better performance, as a daily permeate water production, time operation, specific consumption and in the relationship photovoltaic installed capacity per produced water liter. It was observed that volumetric pumps, of the diaphragm type in the case, are suitable for reverse osmosis applications. But, when combined with a photovoltaic array, maximum power point tracking is necessary. It is important to state that with a
50 % increment in generation capacity a 90% increase in permeate production is achieved.

Key-words: photovoltaic generation, reverse osmosis, brackish water desalination, solar energy.

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is, brackish water desalination, solar energy.

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