Avaliação de confiabilidade e desempenho de uma energia solar fotovoltaica

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 14174 (2023) Citar este artigo

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A operação e a eficácia de um sistema de bombeamento de água subterrâneo movido a energia solar são afetadas por muitos fatores ambientais e técnicos. O impacto destes factores deve ser investigado para ser considerado no desenvolvimento destes sistemas e para garantir a sua fiabilidade. Este estudo avaliou a confiabilidade e o desempenho do sistema fotovoltaico de bombeamento de água (PVWPS) em condições reais de operação, examinando os efeitos da irradiância solar, temperatura dos painéis e eficiência dos componentes. De dezembro de 2020 a junho de 2021, experimentos foram conduzidos em um PVWPS de 10 HP localizado em Bani Salamah, província de Al-Qanater-Giza, Egito, na latitude 30,3° N, longitude 30,8° E e 19 m acima do nível do mar. Os valores de irradiância atingiram 755,7, 792,7 e 805,7 W/m2 às 12h nos meses de dezembro, março e junho, respectivamente. Além disso, a irradiância tem um impacto significativo na vazão da bomba, pois a quantidade de água bombeada durante o dia atingiu 129, 164,1 e 181,8 m3/dia, respectivamente. As temperaturas dos painéis subiram para 35,7 °C, 39,9 °C e 44 °C, respectivamente. Observou-se que quando a temperatura aumenta 1 grau Celsius, a eficiência cai 0,48%. A eficiência média dos painéis solares fotovoltaicos atingiu o seu valor mais elevado em março (13,8%) e o seu valor mais baixo em dezembro (13%).

A procura de electricidade aumentou como resultado do rápido aumento da população mundial e da tecnologia. A utilização de combustíveis fósseis, que resulta na libertação de uma quantidade significativa de CO2 para a atmosfera, é um dos factores que tem um impacto significativo nas alterações climáticas. Devido a estes factores, muitas nações começaram a utilizar uma forma de energia limpa, acessível, renovável e sustentável (principalmente energia solar)1,2. Bombas movidas a diesel são comumente usadas para irrigação. No entanto, devido ao aumento do preço do petróleo no mercado internacional, às emissões nocivas da sua combustão, aos elevados custos de manutenção e à curta vida útil, os fabricantes foram forçados a encontrar uma alternativa. O uso de energia renovável pode diminuir a necessidade de combustíveis fósseis. Como a energia solar está amplamente disponível, mesmo em áreas remotas, é uma alternativa viável às bombas de água movidas a diesel3,4. A energia solar é uma fonte de energia renovável e amiga do ambiente, sem efeitos adversos no ambiente, quando comparada com fontes de combustível baseadas em combustíveis fósseis para geração de energia, e a energia pode ser utilizada em áreas rurais onde a electricidade não é facilmente acessível. É uma das mais importantes fontes de energia renovável que pode ser aproveitada para gerar energia elétrica, que pode então ser usada como fonte de energia para acionar uma bomba elétrica de água para fins de irrigação5,6. A energia da radiação solar é usada principalmente para criar energia térmica e elétrica. É um método substituto para gerar eletricidade para uma gama mais ampla de usos industriais, bem como em alguns outros campos, como aplicações em construção, produtos de armazenamento de alimentos e usos agrícolas para alimentar bombas, motores e diferentes aparelhos industriais, como ventiladores e refrigeradores7, 8. O uso de um sistema fotovoltaico autônomo (a nomenclatura é ilustrada na Tabela 1) no setor agrícola para irrigação está se tornando cada vez mais popular em todo o mundo. O uso da energia solar garante o uso de energia verde no sistema9,10. O Egito recebe muita radiação solar direta porque é um país no cinturão solar, com quantidades anuais variando de 2.000 a 3.200 kWh/m2 de norte a sul. A duração do brilho do sol varia de 9 a 11 horas, com alguns dias nublados durante todo o ano11,12. Os sistemas de bombagem movidos a energia solar fornecem água para uma variedade de utilizações, incluindo uso doméstico e para satisfazer a procura de água no domínio da irrigação, abastecimento de gado e abastecimento de água às aldeias10,13. Um gerador de energia fotovoltaica, conversores de energia, um motor elétrico e uma bomba são os componentes de um sistema de bombeamento de água movido a energia solar14,15. A energia solar pode ser usada termicamente, usando coletores solares térmicos para aquecimento e secagem, ou fotovoltaicamente, convertendo a luz solar em eletricidade usando células solares feitas de materiais semicondutores, como o silício. Os painéis solares, também conhecidos como painéis fotovoltaicos, são feitos conectando células solares em série. Ambos os tipos têm inúmeras aplicações em ambientes agrícolas, facilitando a vida e contribuindo para o aumento da produtividade. A eletricidade gerada pela energia solar pode então ser usada para alimentar a bomba d’água ou armazenada bombeando água para um tanque alto durante o dia e distribuindo-a por gravidade após o anoitecer. Será necessária uma bateria para armazenar a energia gerada durante o dia para aplicações elétricas à noite16,17. Existem dois métodos de bombeamento de água com sistema fotovoltaico: A energia solar é consumida em “tempo real” na primeira técnica, que é conhecida como “bombeamento ao sol”. Esta solução necessita de armazenamento de água num tanque (a água bombeada durante o dia é armazenada para utilização posterior à noite, por exemplo). A segunda técnica é usar baterias para armazenar energia. A energia armazenada durante o dia pode ser utilizada para bombear água posteriormente18. A potência de saída de um sistema fotovoltaico é afetada por vários fatores, incluindo radiação solar, temperatura da superfície fotovoltaica, sombra, ângulo de inclinação e acúmulo de poeira. O projeto de um sistema fotovoltaico deve considerar uma série de fatores e condições ambientais, incluindo, entre outros, ângulo de inclinação, irradiação e temperatura. Estas variáveis ​​têm um impacto significativo na potência de saída do PV19,20,21. Quando a temperatura da superfície do painel solar aumenta 1 °C no verão e no inverno, a eficiência diminui 0,48% e 0,42%, respectivamente22,23. A potência de saída de um sistema fotovoltaico é afetada por vários fatores, incluindo temperatura da superfície fotovoltaica, ângulo de inclinação e eficiência dos componentes do sistema. Esses fatores devem ser pesquisados ​​e considerados ao projetar e operar um sistema fotovoltaico. Quando a superfície do módulo fotovoltaico é diretamente perpendicular aos raios solares, a energia máxima de saída de uma célula fotovoltaica é obtida. Como a orientação do rastreador é orientada para a irradiação máxima, ele produz mais potência fotovoltaica do que a orientação horizontal24,25. Percebeu-se que muitas das estações elevatórias de água fotovoltaicas, embora bem projetadas do ponto de vista de engenharia, enfrentam problemas durante o processo de operação, e também que as quantidades de água bombeadas da estação são inferiores ao esperado. Isto se deve à falta de atenção aos fatores ambientais e técnicos que impactam negativamente a estação e seu desempenho. Portanto, o objetivo deste trabalho foi estudar a confiabilidade e o desempenho do sistema de bombeamento de água subterrâneo alimentado por energia fotovoltaica sob condições reais de operação, investigar fatores de impacto negativo no sistema fotovoltaico e demonstrar a possibilidade de contar com este sistema como um sistema seguro e alternativa confiável aos sistemas energéticos tradicionais que são caros e poluem o meio ambiente.