Montagem-e-estudo-de-um-sistema-solar-Costa-13-12-22

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE 
CENTRO DE TECNOLOGIA 
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
Montagem e estudo de um sistema solar fotovoltaico 
off-grid para bombeamento de água 
 
 
 
 
 
 
 
 
ALEFF RAMON DA SILVA COSTA 
Natal – RN, 2022 
 
 
 
 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE 
CENTRO DE TECNOLOGIA 
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
 
Montagem e estudo de um sistema solar fotovoltaico 
off-grid para bombeamento de água 
 
 
 
 
ALEFF RAMON DA SILVA COSTA 
 
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao 
curso de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do 
Rio Grande do Norte como parte dos requisitos para a 
obtenção do título de Engenheiro Mecânico, orientado pelo 
Prof. Dr. Luiz Guilherme Meira de Souza 
 
 
 
 
Natal - RN, 2022 
 
 
 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE 
CENTRO DE TECNOLOGIA 
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
Montagem e estudo de um sistema solar fotovoltaico 
off-grid para bombeamento de água 
 
 
ALEFF RAMON DA SILVA COSTA 
 
 
Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão de Curso 
Prof. Dr. Luiz Guilherme Meira de Souza ___________________________ 
Universidade Federal do Rio Grande do Norte – Orientador 
 
 Natanaeyfle Randenberg Gosmes dos santos ___________________________ 
Universidade Federal do Rio Grande do Norte 
Josenílton dos Santos Lopes ___________________________ 
Universidade Federal do Rio Grande do Norte 
 
 
NATAL, 13 de dezembro de 2022
i 
 
 
 
AGRADECIMENTOS 
 
Primeiramente agradeço a Deus por todas as coisas maravilhosas que Ele me 
proporciona, e pela benção de poder concluir minha graduação em Engenharia 
Mecânica. 
À minha mãe, Tereza Vaneide e meu pai, Wagner, que me apoiaram e 
incentivaram durante toda a carreira acadêmica. Sem vocês eu não completaria essa 
jornada. 
À minha Esposa, Nicoli Carolynne e filho, Adan Nicolas, pela preocupação e 
disposição em ajudar a todo momento. À toda minha família por ter me dado coragem 
e apoio, e compreenderem que nos momentos de ausência dedicados aos estudos, 
sempre me fizeram entender que esse é o caminho certo a ser percorrido. 
Ao professor Dr. Luiz Guilherme Meira de Souza pelo seu amor para com os 
alunos e a prontidão em ser meu orientador, comprometimento e conhecimento 
compartilhado. 
Aos amigos do curso e do laboratório de Máquinas Hidráulicas e Energia Solar 
pela ajuda durante a realização dos testes, pelo companheirismo e amizade ao longo 
do curso. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ii 
 
 
Costa, Aleff Ramon. Montagem e estudo de um sistema solar fotovoltaico off-grid para 
bombeamento de água. 2022. 41 p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em 
Engenharia Mecânica) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2022. 
 
 
RESUMO 
A energia solar fotovoltaica tornou-se uma importante fonte de energia elétrica, 
atendendo principalmente áreas distantes dos centros de distribuição. A agricultura familiar 
carece de tecnologia para auxiliar sua produção agrícola, e sistemas de irrigação fotovoltaicas 
podem ser adotados como alternativa em comunidades agrícolas, bombeando água por meio 
de energia fotovoltaica. O sistema de bombeamento de água fotovoltaica é semelhante ao 
sistema convencional, a diferença básica é que a bomba d'água é acionada por um conjunto 
de módulos fotovoltaicos. Este trabalho tem como objetivo analisar a viabilidade de utilização 
de um kit solar constituído por uma bomba de diafragma de baixo custo com vazão de 4 L/min, 
painel solar (80W), bateria de 60 Ah, disjuntor para acionamento e controlador de carga 10Ah. 
Foi realizado os testes de sucção e recalque do sistema, para plotar e analisar a curva da 
bomba e a curva de eficiência do sistema. Foi demonstrada a eficácia do sistema para o 
bombeamento de poços rasos e/ou lagos e lagoas. O sistema projetado apresentou simples 
processos de fabricação, montagem e operacionalidade e também se demonstrou viável para 
a operação de bombeamento de água para baixas alturas de sucção e altas altitudes de 
recalque. Através dos testes realizados no sistema de bombeamento, foi observado também 
que o sistema teve uma capacidade volumétrica atingida (253,8 l/h) superior ao indicado pelo 
fabricante (240 l/h). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Palavras-chave: Energia solar. Sistema Fotovoltaico. Sistema de bombeamento de 
água. 
iii 
 
 
Costa, Aleff Ramon. Montagem e estudo de um sistema solar fotovoltaico off-grid para 
bombeamento de água. 2022. 41 p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em 
Engenharia Mecânica) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2022. 
 
 
ABSTRACT 
 Photovoltaic solar energy has become an important source of electrical energy, 
mainly serving areas far from distribution centers. Family farming lacks the technology to help 
its agricultural production, and photovoltaic irrigation systems can be adopted as an alternative 
in agricultural communities, pumping water through photovoltaic energy. The photovoltaic 
water pumping system is similar to the conventional system, the basic difference is that the 
water pump is driven by a set of photovoltaic modules. This work aims to analyze the feasibility 
of using a solar kit consisting of a low-cost diaphragm pump with a flow rate of 4 L/min, solar 
panel (80W), 60 Ah battery, circuit breaker and 10Ah charge controller. The suction and 
discharge tests of the system were carried out, to plot and analyze the pump curve and the 
system efficiency curve. The effectiveness of the system for pumping shallow wells and/or 
lakes and ponds has been demonstrated. The designed system presented simple 
manufacturing, assembly and operational processes and also proved to be viable for the 
operation of pumping water for low suction heights and high discharge altitudes. Through the 
tests carried out on the pumping system, it was also observed that the system had a volumetric 
capacity reached (253.8 l/h) higher than that indicated by the manufacturer (240 l/h). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Keywords: Solar energy. Photovoltaic System. Water pumping. 
iv 
 
 
 LISTA DE ILUSTRAÇÕES 
Figura 1 - Tipos de células fotovoltaicas. ........................................................ 17 
Figura 2 - Representação de um sistema fotovoltaico off-grid. ....................... 18 
Figura 3 - Representação de um sistema fotovoltaico híbrido. ....................... 19 
Figura 4 - Representação de um sistema fotovoltaico on-grid. ....................... 20 
Figura 5 - Modulo fotovoltaico 80W ................................................................ 23 
Figura 6 - Bomba de Diafragma 12V 100 PSI (6,8 Bar) .................................. 24 
Figura 7 - Controlador de carga Unitron Total Control .................................... 25 
Figura 8 - Ligações para o controlador de carga ............................................ 26 
Figura 9– Bateria 60 Ah .................................................................................. 27 
Figura 10–Sistema para bombeamento de água ............................................ 28 
Figura 11 - Preparação para o teste de sucção .............................................. 29 
Figura 12 - Teste de recalque do sistema de bombeamento de água ............ 30 
Figura 13 - Gráfico de vazão x altura de sucção ............................................ 31 
Figura 14 - Gráfico Altura manométrica x Vazão ............................................ 32 
Figura 15 - Eficiência da bomba ..................................................................... 34 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
v 
 
 
LISTA DE TABELAS 
Tabela 1 - Parâmetros elétricos do Módulo KYOCERA KC 80 ....................... 22 
Tabela 2 - Parâmetros da bomba diafragma .................................................. 24 
Tabela 3 - Medições do teste de sucção ........................................................31 
Tabela 4 - Medições do teste de recalque ...................................................... 32 
Tabela 5 - Dados calculados para a Eficiência ............................................... 33 
Tabela 6 - Custo do sistema fotovoltaico ........................................................ 35 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
vi 
 
 
 
SUMÁRIO 
 
AGRADECIMENTOS ........................................................................................ i 
RESUMO .......................................................................................................... ii 
ABSTRACT ..................................................................................................... iii 
LISTA DE ILUSTRAÇÕES .............................................................................. iv 
LISTA DE TABELAS........................................................................................ v 
SUMÁRIO ........................................................................................................ vi 
1 INTRODUÇÃO .......................................................................................... 10 
1.1 OBJETIVOS ....................................................................................... 11 
1.1.1 Objetivo geral ................................................................................ 11 
1.1.2 Objetivos específicos .................................................................... 11 
1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO ........................................................... 11 
2 REVISÃO BIBLIOGRAFICA .................................................................... 13 
2.1 ESCASSEZ DE ÁGUA NO SEMIÁRIDO BRASILEIRO ..................... 13 
2.2 ENERGIA SOLAR .............................................................................. 13 
2.3 EFEITO FOTOVOLTAICO ................................................................. 14 
2.4 PAINÉIS FOTOVOLTAICOS .............................................................. 14 
2.5 CÉLULAS FOTOVOLTICAS .............................................................. 15 
2.5.1 Tipos de células fotovoltaicas ....................................................... 16 
2.6 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS .......................................................... 17 
2.6.1 Tipos de sistemas fotovoltaicos .................................................... 17 
2.6.1.1 Sistema fotovoltaico off-grid .................................................... 18 
2.6.1.2 Sistema fotovoltaico híbrido .................................................... 18 
2.6.1.3 Sistema fotovoltaico on-grid .................................................... 19 
2.7 ENERGIA SOLAR PARA BOMBEAMENTO DE ÁGUA ..................... 20 
vii 
 
 
2.8 ESTADO DA ARTE DA UTILIZAÇÃO DE SISTEMAS 
FOTOVOLTAICOS NO LABORATÓRIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS E 
ENERGIA SOLAR ................................................................................................. 21 
3 MATERIAIS E MÉTODOS ........................................................................ 22 
3.1 CARACTERÍSTICAS DO MÓDULO FOTOVOLTAICO ...................... 22 
3.2 Características da bomba ................................................................... 23 
3.3 Características do controlador de carga ............................................. 25 
3.4 Características da bateria ................................................................... 26 
3.5 montagem do sistema para bombeamento de água .......................... 27 
3.6 Teste sucção da bomba ..................................................................... 28 
3.7 teste recalque da bomba .................................................................... 29 
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ............................................................. 31 
4.1 Eficiência da bomba ........................................................................... 33 
4.2 Tempo de duração da bateria ............................................................ 34 
4.3 custo do sistema fotovoltaico ............................................................. 35 
5 CONCLUSÕES e sujestões .................................................................... 36 
5.1 conclusões ......................................................................................... 36 
5.2 sujestões ............................................................................................ 37 
6 REFERÊNCIAS ........................................................................................ 38 
 
 
 
 
 
 
 
 
10 
 
 
1 INTRODUÇÃO 
No Brasil, principalmente nas regiões norte e nordeste, as comunidades rurais 
não são atendidas com energia elétrica, pois estão distantes das centrais de geração 
e de distribuição de eletricidade. Devido à grande dispersão geográfica dessa 
população os serviços caracterizam-se por um alto investimento por consumidor e 
elevado custo operacional, uma vez que, em comparação com as regiões urbanas, as 
comunidades rurais oferecem baixo retorno ou até mesmo prejuízo financeiro para a 
concessionária de energia elétrica (KOLLING et al., 2004). 
A tecnologia fotovoltaica se encontra tecnicamente consolidada e vem sendo 
adotada para eletrificação rural, tendo como uma das principais aplicações o 
bombeamento de água (ABINEE, 2012). Uma vez que, é imprescindível o contínuo 
fornecimento de energia elétrica para os sistemas de irrigação que atendam as 
unidades agrícolas, pois, a agricultura familiar, hoje, é responsável por 75% dos 
alimentos que vai para mesa do brasileiro (EMBRAPA, 2014). 
O acesso à água de boa qualidade e à energia elétrica são duas condições 
imprescindíveis não só para a sobrevivência no mundo moderno, como também para 
o desenvolvimento econômico-social de toda a população. Aproximadamente 1 bilhão 
de pessoas não tem acesso à água tratada e 2,5 bilhões não tem condições sanitárias 
básicas (WHO/UNICEF, 2014). 
Tratando-se do acesso à eletricidade, estima-se em 1,2 bilhão o número de 
pessoas que não o possuem em suas casas e 38% da população mundial cozinha 
utilizando meios poluentes, colocando em risco sua saúde (IEA, 2015). A exclusão 
elétrica, na América Latina, atinge 15% da população rural e está concentrada em 
pequenas comunidades isoladas e em condições de extrema pobreza (IEA, 2015). 
Sendo assim, a inexistência de rede elétrica, e os custos do fornecimento de 
combustível em muitas regiões, motivam a introdução de sistemas de bombeamento 
baseados em recursos energéticos disponíveis localmente. Assim, o objetivo desta 
pesquisa é realizar uma análise do bombeamento de água utilizando sistema solar 
fotovoltaico com uma bomba de baixo custo e com montagem simples, para que 
pessoas com qualquer grau de escolaridade possa montar o seu próprio sistema com 
uma rápida instrução. 
11 
 
 
 
1.1 OBJETIVOS 
1.1.1 Objetivo geral 
 Demonstrar a viabilidade de utilização de um sistema solar fotovoltaico 
off-grid, para operação de bombeamento de água principalmente nas zonas rurais. 
1.1.2 Objetivos específicos 
• Dimensionar o sistema solar fotovoltaico para bombeamento de água; 
• Montar o sistema solar fotovoltaico para bombeamento de água; 
• Levantar as curvas características da bomba de diafragma escolhida 
para tal fim; 
• Testar o funcionamento do sistema fotovoltaico de bombeamento para 
algumas aplicações; 
• Demonstrar a viabilidade econômica do sistema. 
 
1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO 
Este trabalho é constituído de cinco capítulos, sendo o primeiro a Introdução 
onde se faz uma justificativa contextualizada da importância significativa desta 
12 
 
 
abordagem como trabalho final do curso de Engenharia Mecânica e os objetivos 
gerais e específicos. Os capítulos subsequentes foram distribuídos e organizados da 
seguinte forma: 
 
 
 
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica 
Apresenta um estudo nos campos da escassez de água,energia solar, tipos de 
sistemas fotovoltaicos e bombeamento de água. 
Capítulo 3 – Materiais e Métodos 
Apresenta as características dos equipamentos utilizados no experimento e os 
procedimentos adotados para realização das medições. 
Capítulo 4 – Resultados e Discussões 
Apresenta uma análise dos parâmetros de elevação da água utilizando um 
manômetro. 
Capítulo 5 – Conclusões e Sugestões 
Expõem as conclusões acerca deste estudo, decorrentes dos resultados 
obtidos e sugestões para trabalhos futuros. 
 
13 
 
 
2 REVISÃO BIBLIOGRAFICA 
2.1 ESCASSEZ DE ÁGUA NO SEMIÁRIDO BRASILEIRO 
O Semiárido Brasileiro se estende pelos nove estados da região Nordeste 
(Piauí, Ceará, Rio Grande do Norte, Paraíba, Pernambuco, Alagoas, Sergipe e Bahia) 
e também pelo norte de Minas Gerais. No total, ocupa 12% do território nacional e 
abriga cerca de 28 milhões de habitantes divididos entre zonas urbanas (62%) e rurais 
(38%), sendo, portanto, um dos semiáridos mais povoados do mundo. Trata-se de 
uma região rica sob vários aspectos: social, cultural, ambiental e econômico, e é nela 
que o Instituto Nacional do Semiárido (INSA) atua. (BRASIL, 2022). 
As secas e a desertificação são dois fenômenos díspares em seus efeitos, no 
tempo/ espaço e nas suas causas. A “seca é um fenômeno natural reversível, de 
ocorrência esporádica ou repetida numa periodicidade complexa e não esclarecida” 
(SAMPAIO, 2003). 
 As áreas de clima semiárido na região Nordeste do Brasil são 
historicamente conhecidas por seus períodos de secas prolongadas e baixa 
disponibilidade hídrica. Adicionalmente, as mudanças climáticas, responsáveis pelo 
aumento da temperatura média no planeta, podem agravar ainda mais as dificuldades 
que a população local já enfrenta. (Nobre, 2011). 
2.2 ENERGIA SOLAR 
Energia solar é a energia renovável, produzida pela luz e o calor do sol, e 
pode ser usada por diversas tecnologias em constante evolução, considerada uma 
fonte de energia limpa e renovável, é a fonte de produção de energia que mais 
cresce no mundo. (VILLALVA, 2017). 
 
14 
 
 
2.3 EFEITO FOTOVOLTAICO 
No ano de 1839, foi descoberto a energia solar, por Alexandre Edmond quando 
realizava algumas experiências com eletrodos, em um experimento contendo placas 
metálicas de prata e platina percebeu que com a luz do sol era possível obter energia 
elétrica, quando mergulhadas as placas em um eletrólito e colocadas em contato com 
a luz solar, estas geravam um pequeno potencial elétrico, então foi chamado esse 
fenômeno de efeito fotovoltaico, mas apenas em 1884, apareceu a primeira célula 
fotovoltaica que usava selênio, mas tinha apenas 1% de eficiência.(GEENBRAS, 
2018). 
A energia solar é obtida através da conversão da irradiação solar em 
eletricidade por intermédio de materiais semicondutores, esse fenômeno é chamado 
de efeito fotovoltaico. A quantidade de energia solar nas formas de energia e calor, 
recebida anualmente no nosso planeta é suficiente para suprir a necessidade 
relacionada ao abastecimento de energia, mas todo esse potencial é pouco 
aproveitado, por outro lado podemos afirmar que até mesmo a energia gerada através 
de combustíveis fosseis também originam da energia solar, por resultarem da 
decomposição da matéria orgânica produzida a milhares de anos. (GEENBRAS, 
2018). 
2.4 PAINÉIS FOTOVOLTAICOS 
Um conjunto de células associadas em série paralelo forma um painel 
fotovoltaico, e com outros dispositivos como acumuladores, conversores e inversores 
constituem um sistema fotovoltaico de geração de energia elétrica. A confiabilidade 
desse sistema é uma das características mais importantes. Porque não possui partes 
móveis, baixo nível de complexidade, não se degrada com os efeitos naturais, como: 
ventos fortes, descargas atmosféricas e além de tudo apresenta alto índice de 
disponibilidade. Para um sistema fotovoltaico utilizado como complemento de energia 
elétrica em relação a convencional, uma das vantagens é que caso ocorra um defeito, 
15 
 
 
este se limita à instalação específica não se estendendo às demais. (Nascimento, 
2004). 
A Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT/NBR10899/ TB-328) 
define o painel fotovoltaico como sendo o “[...] menor conjunto ambientalmente 
protegido de células solares interligadas; com o objetivo de gerar energia elétrica em 
corrente contínua [...]". Painéis com tensão nominal de 12 VDC são constituídos por 
30 a36 células em série. Embora não tão comuns, são também encontrados módulos 
com tensões nominais de 6, 24 e 48 V (PRIEB, 2002). 
2.5 CÉLULAS FOTOVOLTICAS 
É na célula fotovoltaica ou solar que através do processo denominado de efeito 
fotovoltaico, ocorre a conversão de energia solar em energia elétrica, conforme incide 
de radiação solar, elétrons são deslocados circulando livremente de átomos para 
átomos formando uma corrente elétrica. 
Quando as células fotovoltaicas começaram a ser produzido o rendimento das 
células era extremamente baixo, em torno de 2% e custavam em médias US$6,00/W, 
um custo elevado quando se considera seu baixo rendimento, com tendência a 
reduzir. No entanto com o desenvolvimento de pesquisas ao longo do tempo a 
produção passou por uma grande diversificação sendo utilizados diferentes elementos 
semicondutores. No entanto as células de maior uso atualmente são as de silício, que 
podem ser formadas e divididas segundo sua estrutura molecular, que são 
monocristalinos, policristalinos e silício amorfo (PEREIRA, 2006). 
16 
 
 
2.5.1 Tipos de células fotovoltaicas 
Estas células podem ser construídas com diferentes tipos de materiais. Os mais 
utilizados são, o silício cristalino (subdividido em monocristalino e policristalino) e 
amorfo como mostrado na Figura 1. 
Dependendo do processo de fabricação, são formadas estruturas atômicas 
denominadas de monocristalinas, policristalinas e amorfas, conforme os átomos estão 
estruturados. 
• Silício monocristalino: A célula mais frequentemente utilizada como 
conversor direto de energia solar em energia elétrica é a de silício 
monocristalino. Esse sistema apresenta tecnologia para produção muito 
básica, porém consideravelmente organizado. Esse processo se inicia com a 
retirada do cristal de dióxido de silício do ambiente, depois esse material passa 
por processos de desoxidação em fornos de grandes dimensões, depois é 
purificado e solidificado, com esse processo o grau de pureza alcançado oscila 
entre 98% e 99%, essa pureza é razoavelmente efetiva tendo em vista sua 
relação custo-benefício, sob o ponto de vista energético. Para a operação da 
célula fotovoltaica, o silício necessita de outros elementos para atuarem como 
semicondutores, que apresentam um grau de pureza elevado, chegando a 
99,999% de pureza (PINHO, 2008). 
• Silício policristalino: Também conhecidas como células de silício 
multicristalino, esse tipo de célula apresenta uma produção mais econômica 
que as monocristalinas, devido ao seu processo de fabricação não serem tão 
severamente controladas. Entretanto a sua eficiência é menor devido a sua 
pureza, quando comparada a essas, a figura 6 apresenta uma célula de silício 
Policristalino (MACEDO, 2006). 
• Silício amorfo: Apresenta uma resposta espectral mais voltada para o azul do 
espectro eletromagnético, tendo uma eficiência superior à do cristalino em dia 
com céus encobertos. Ainda que apresente um custo menor de fabricação, o 
silício amorfo possui dois contra o primeiro é a pequena eficiência de conversão 
17 
 
 
quando comparada às células de mono e policristalinas, o segundo é que as 
células possam por um desgaste em um período próximo a sua instalação, 
esse fato reduz a eficiência da célula durante sua vida útil (MACEDO, 2006). 
 
Figura 1 - Tipos de células fotovoltaicas. 
 
Fonte: (MARJOYA, 2017) 
2.6 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS 
2.6.1 Tipos de sistemas fotovoltaicos 
Sistemas Fotovoltaicos podem ser classificados em trêscategorias principais: 
off-grid híbridos ou on-grid. A utilização de cada uma dessas opções dependerá da 
aplicação e/ou da disponibilidade de recursos energéticos. Cada um deles poderá ser 
de complexidade variável dependendo da aplicação em questão e das restrições 
específicas de cada projeto. 
18 
 
 
2.6.1.1 Sistema fotovoltaico off-grid 
A Figura 2 mostra o sistema desconectado da rede (off-grid), são aqueles em 
que a energia gerada pelos módulos fotovoltaicos é armazenada em um banco de 
baterias para uso posterior. Os principais componentes de um sistema off-grid são os 
painéis fotovoltaicos, controladores de carga, baterias e inversores de frequência. 
(GHAFOOR; MUNIR, 2015). 
Figura 2 - Representação de um sistema fotovoltaico off-grid. 
 
Fonte: (CRESESB, 2004) 
2.6.1.2 Sistema fotovoltaico híbrido 
Quando a configuração não se restringe apenas à geração fotovoltaica, temos 
os sistemas híbridos, representado na fig. 3, são aqueles que desconectado da rede 
convencional, apresenta várias fontes de geração de energia como por exemplo: 
turbinas eólicas, geração diesel, módulos fotovoltaicos entre outras. A utilização de 
várias formas de geração de energia elétrica torna-se complexo na necessidade de 
otimização do uso das energias. É necessário um controle de todas as fontes para 
que haja máxima eficiência na entrega da energia para o usuário. 
19 
 
 
Figura 3 - Representação de um sistema fotovoltaico híbrido. 
 
Fonte: (CRESESB, 2004) 
2.6.1.3 Sistema fotovoltaico on-grid 
Um sistema on-grid trata-se de um modelo de energia solar fotovoltaico que é 
ligado à rede elétrica. Esse sistema conecta o sistema gerador de energia solar à rede 
de distribuição. (RIBEIRO, 2022). 
A Figura 4 mostra a formação de sistema fotovoltaico on-grid, é composto por 
um conjunto de módulos fotovoltaicos; por um inversor interativo, que é conhecido 
internacionalmente como Grid-tied Interactive Inverter, que é o responsável pela 
conversão da corrente CC para CA e pela sua capacidade de interação com a rede 
de distribuição; pelo medidor de energia bidirecional, além dos componentes de 
interação do sistema que são conhecidos como de Balance of System – BOS, que 
são estruturas de metais para a fixação dos módulos fotovoltaicos em telhados e os 
componentes elétricos de proteção (ROSA, 2017). 
 
20 
 
 
Figura 4 - Representação de um sistema fotovoltaico on-grid. 
 
Fonte: (RIBEIRO, 2022). 
2.7 ENERGIA SOLAR PARA BOMBEAMENTO DE ÁGUA 
 O bombeamento de água por meio dos sistemas fotovoltaicos é uma opção que 
tem se mostrado bastante promissora, uma vez que é um recurso solar que ocorre em 
todo o mundo, sendo sua utilização uma solução mediante dimensionamento. Outro 
ponto é que o bombeamento de água utilizando sistemas fotovoltaicos evita gastos 
permanentes na aquisição e transporte de combustível, bem como a emissão de 
gases poluentes e de ruídos na geração. É uma tecnologia consolidada tecnicamente, 
de alta confiabilidade e com uma vida útil de gerador de mais de 25 anos. 
(BOITRAGO, 2016). 
 O avanço da tecnologia do sistema de bombeamento fotovoltaico permitiu o 
desenvolvimento de programas que visam sua evolução. Na ilha de Córsega, em 
1978, um estudo desenvolveu e realizou a instalação do primeiro sistema que dispõe 
de registros. A implantação de projetos em larga escala foi iniciada em Mali, onde em 
1970, após fracassadas experiências com abastecimento de água por meio de 
bombas a diesel, manual e a pedal as primeiras bombas fotovoltaicas foram instaladas 
para reduzir os efeitos da seca (FEDRIZZI; SAUER, 2002). 
21 
 
 
2.8 ESTADO DA ARTE DA UTILIZAÇÃO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS NO 
LABORATÓRIO DE MAQUINAS HIDRÁULICAS E ENERGIA SOLAR 
(Badaro et al., 2016) estudou um sistema de bombeamento alimentado energia 
fotovoltaica, utilizando uma placa solar PW500-12V, 1042 x 462 x 45mm, potência de 
45W, um controlador de Carga Solar 10i-ec, 30A - 12/24V, duas baterias de tipo 
nobreak, 12V-7Ah, uma bomba submersível, 12V-1,2A, vazão de 600L/h e potência 
de 15W e concluiu que geração de energia fotovoltaica estudado no laboratório de 
mecânica da UFRN é de extrema relevância para ser instalação em casa populares 
em regiões afetadas pela seca. 
 MEDEIROS (2011) estudou a influência do ângulo de inclinação e 
temperatura da placa nos parâmetros elétricos de um painel fotovoltaico utilizando O 
módulo fotovoltaico utilizado é o modelo PWX500, e um suporte para oferece 
regulagem para mudanças de inclinações predeterminadas da placa. Tais inclinações 
necessárias para os ensaios de verificação das alterações dos parâmetros elétricos. 
Concluiu que dentre as inclinações analisadas, a de 25° foi a que se observou uma 
maior geração de potência em condições de radiação solar global constante. Com 
essa inclinação obtêm-se um acréscimo de 5% sob pico de radiação e 27% sob menor 
radiação, com relação à potência gerada na inclinação recomendada para instalação 
de painéis solares (5,5°S), que é a inclinação igual à latitude local; 
 
 
22 
 
 
3 MATERIAIS E MÉTODOS 
3.1 CARACTERÍSTICAS DO MÓDULO FOTOVOLTAICO 
O módulo fotovoltaico utilizado é o modelo KC 80 fabricado pela KYOCERA. O 
Kyocera KC-80 é um painel elétrico solar multicristal com 36 células. É laminado com 
vidro em uma moldura de alumínio. Caixa de junção de 4" x 4" com aberturas de 
conduíte e tiras de terminais na parte traseira. Adequado para todas as aplicações em 
todos os climas. Dimensões: 39,4" x 25,7" x 2,0" (976 x 652 x 52 mm) Peso 17,7 libras 
(8,02 kg), a tabela 1 evidencia os parâmetros elétricos. 
O módulo fotovoltaico mostrado na fig 5, encontrava-se sem utilidades no 
laboratório de máquinas hidráulicas e energia. Após a verificação do seu 
funcionamento, o modulo foi utilizado para os experimentos. 
 
Tabela 1 - Parâmetros elétricos do Módulo KYOCERA KC 80 
Potência máxima 80 W 
Voltagem de máxima Potência 16,9 V 
Corrente de máxima Potência 4,73A 
Voltagem de circuito aberto 21,5V 
Corrente de curto circuito 4,97A 
Especificações de energia em 1000 W/m2- 25°C – AM 1,5 
Fonte: Autoria própria. 
 
 
 
 
 
 
 
23 
 
 
Figura 5 - Modulo fotovoltaico 80W 
 
Fonte: Autoria Própria. 
3.2 CARACTERÍSTICAS DA BOMBA 
A bomba utilizada é do modelo bomba diafragma 12V 100 PSI mostrada na fig 
6, fabricada pela Superagri, seus parâmetros encontram-se na tabela 2. Esta bomba 
diafragma com dimensões de 160 x 100 mm e peso de 0,600 Kg, pode ser utilizada 
em pulverizadores elétricos, maquinas de limpeza de ar condicionado, lava jato, 
Irrigação, transferência de líquidos, motor homes, barcos e outros. 
A bomba de diafragma ou bomba de membrana é um tipo de bomba de 
deslocamento positivo, geralmente alternativo, na que o aumento de pressão se 
realiza pelo empurrar de uma parede elástica — membrana ou diafragma — que 
variam o volume da câmara, aumentando-lhe e diminuindo-lhe alternativamente. 
(BOMBAS, 2017) 
24 
 
 
 
Tabela 2 - Parâmetros da bomba diafragma 
Pressão máxima 100 PSI (6,8 Bar) 
Tensão 12 V 
Corrente 3 A 
Potência 36 W 
Vazão 4 l/min 
Fonte: Autoria própria. 
Figura 6 - Bomba de Diafragma 12V 100 PSI (6,8 Bar) 
 
Fonte: Autoria própria. 
25 
 
 
3.3 CARACTERÍSTICAS DO CONTROLADOR DE CARGA 
O Controlador CMT/LVD, ligado entre um painel solar e uma bateria, funciona 
como um gerenciador de carga e descarga, mantendo a bateria dentro de condições 
ideais de funcionamento, assegurando assim longa vida útil. Ele controla 
carga/flutuação e também desliga a saída automaticamente, quando a bateria está 
com pouca carga, evitando que o usuário a descarregue totalmente, o que seria fatal 
para a vida útil da bateria. 
A Figura 7 mostra o controlador utilizado, que foi o Total Control, fabricado pela 
Unitron. Esse controlador é próprio para baterias de chumbo-ácidas 12v e controla 
carga e flutuação de painéis de até 80W.Controla saída (até 7 ampères),desligando 
a saída quando a tensão da bateria cai para 11,3V a 11,5V e religando-a quando a 
bateria, ao receber carga, atinge 12,5 a 12,7 V. Este sistema é conhecido pelas siglas 
CMT (Corte por Mínima Tensão) ou LVD (Low Voltage Disconnection) e suas ligações 
são mostradas na figura 8. 
 
Figura 7 - Controlador de carga Unitron Total Control 
 
Fonte: Autoria própria. 
26 
 
 
 
Figura 8 - Ligações para o controlador de carga 
 
Fonte: (Unitron, 2009). 
3.4 CARACTERÍSTICAS DA BATERIA 
A bateria de chumbo representa uma das maiores evoluções na história da 
indústria mundial. No início do século XX, as baterias automotivas fizeram parte de 
uma revolução, formando uma das indústrias que se estabeleceram com a 
crescente difusão dos automóveis. Na época em que foi criada, a bateria surgiu no 
mercado para substituir a indústria de carruagens e toda a sua cadeia produtiva. 
Criada pelo francês Gaston Planté em 1859, a bateria de chumbo foi a primeira a ser 
comercializada. Por se tratar de um sistema pesado demais para pequenos aparelhos, 
essa bateria é aconselhada para carros, no breaks e iluminações de emergência. 
(PEGORETTI, 2020) 
A bateria utilizada conforme a fig 9, foi uma bateria seminova de modelo 
automotivo de 60 Ah, antes de utiliza-la para o sistema, foi feito um teste para medir 
a corrente e a tensão da bateria, assim, verificando a sua qualidade. 
 
27 
 
 
Figura 9– Bateria 60 Ah 
 
Fonte: (PEGORETTI, 2020). 
3.5 MONTAGEM DO SISTEMA PARA BOMBEAMENTO DE ÁGUA 
O sistema é composto por: uma mesa dobrável com dimensões 1 x 0,8 metros 
para facilitar a locomoção, uma bateria de 60 Ah, um controlador de carga, um 
Disjuntor para o acionamento e proteção da bomba, uma bomba de diafragma e um 
manômetro para verificação da altura manométrica, como podemos ver abaixo na 
Figura 10. 
 
28 
 
 
Figura 10–Sistema para bombeamento de água 
 
Fonte: Autoria própria. 
3.6 TESTE SUCÇÃO DA BOMBA 
O teste de sucção da bomba foi realizado afim de verificar qual a profundidade 
máxima que a bomba pode puxar sem a utilização de escorva do sistema que é o 
processo de preenchimento total de líquido da tubulação de sucção da bomba, a fim 
de evitar que a mesma opere vazia ou com ar. 
O sistema foi colocado acima do laboratório, como mostrado na fig. 11, para 
que fosse possível a análise de profundidade. 
O teste foi feito para quatro alturas distintas, afim de analisar a perda de vazão 
conforme a profundidade de sucção, mostrado na Figura 11. 
 
 
29 
 
 
Figura 11 - Preparação para o teste de sucção 
 
Fonte: Autoria própria. 
3.7 TESTE RECALQUE DA BOMBA 
Para o teste de recalque da bomba foi utilizado um manômetro na saída e uma 
válvula globo conforme mostrado na fig. 12, afim de analisar o aumento da pressão 
conforme o fechamento da válvula e comparar a pressão dada em BAR pelo 
manômetro com coluna d’agua dada em metros, tendo em vista que, 1 Bar é 
aproximadamente 10 metros de coluna d’agua. Com isso, foi analisado também a 
30 
 
 
vazão da bomba conforme a altura manométrica. Para variar a pressão no 
manômetro, a válvula de globo foi sendo fechada para que a variação ocorra. 
 
Figura 12 - Teste de recalque do sistema de bombeamento de água 
 
Fonte: Autoria própria. 
31 
 
 
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES 
As Tabelas 3 e 4 apresentam as medições realizadas nos testes de sucção e 
recalque, e os gráficos da fig. 13 e 14 foram projetados provenientes dos dados das 
tabelas, fornecendo-nos a vazão da bomba mediante a variação da altura. 
 
Tabela 3 - Medições do teste de sucção 
Profundidade (m) Vazão (l/h) 
0,5 253,8 
1 234,5 
1,5 233,3 
1,7 231,7 
Fonte: Autoria própria. 
 
Figura 13 - Gráfico de vazão x altura de sucção 
 
Fonte: Autoria própria 
 
Podemos observar que, quanto menor a altura de sucção, maior será a vazão 
que a bomba poderá proporcionar. 
 
32 
 
 
Tabela 4 - Medições do teste de recalque 
Altura (m) Vazão (l/h) 
0 253,8 
10 197,2 
20 147,9 
30 120,1 
40 91,8 
50 60,6 
60 28,3 
68 0 
Fonte: Autoria própria. 
 
Figura 14 - Gráfico Altura manométrica x Vazão 
 
Fonte: Autoria própria. 
 
Diante do gráfico da curva da bomba, podemos perceber que a bomba pode 
elevar a água pouco mais de 60 metros, porém a vazão é quase nula. 
 
 
 
33 
 
 
4.1 EFICIÊNCIA DA BOMBA 
Com o conhecimento da altura manométrica e com emprego da equação 1 
descrita abaixo foi possível identificar qual o rendimento em que a bomba está 
trabalhando e projetar a curva de eficiência da bomba como podemos ver na tabela 5 
e figura 15. 
 
 η =
𝛾∗𝑄∗𝐻𝑚𝑎𝑛
𝑃
 (1) 
 
Onde: 
P = potência, em w 
γ = peso específico do líquido a ser elevado, em N/m³; 
Q = vazão, em m³/s; 
Hman = altura manométrica, em m; 
η = rendimento global do conjunto elevatório; 
Tabela 5 - Dados calculados para a Eficiência 
Vazão (l/h) η (%) 
253,8 0 
197,2 15,2 
147,9 22,8 
120,1 27,8 
91,8 28,3 
60,6 23,4 
28,3 13,1 
0 0 
Fonte: Autoria própria. 
 
 
 
 
34 
 
 
Figura 15 - Eficiência da bomba 
 
Fonte: Autoria própria. 
4.2 TEMPO DE DURAÇÃO DA BATERIA 
O tempo médio de duração da bateria para zerar a sua carga pode ser 
determinada por: capacidade da bateria (60Ah) sobre consumo da bomba (3A). 
𝑡 =
60 𝐴ℎ
3 𝐴
= 20 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 
Porém, para manter a vida útil da bateria, o fornecedor sugere a utilização de 
no máximo 30% da capacidade da bateria, ou seja, 18Ah, portanto, o tempo de 
duração da bateria será: 
𝑡 =
18 𝐴ℎ
3 𝐴
= 6 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 
 
Foi analisado que as baterias são carregadas durante a incidência do sol sobre 
a placa solar, mesmo com a bomba acionada, ou seja, o sistema ficará ligado 
enquanto tiver incidência solar nas placas e após o anoitecer, por mais 6 horas de 
duração da bateria. 
35 
 
 
4.3 CUSTO DO SISTEMA FOTOVOLTAICO 
Uma das principais preocupações no momento da concepção deste projeto foi 
com o custo, tendo em vista que este sistema é destinado para zonas rurais e pessoas 
de baixa renda, foi feito uma pesquisa do valor dos itens e foi possível montar um 
sistema fotovoltaico para bombeamento de água de baixo custo, conforme a tabela 6. 
 
 
Tabela 6 - Custo do sistema fotovoltaico 
Descrição Valor 
Placa solar 80 W (KYOCERA KC 80) 299,00 
Bomba de Diafragma 100 PSI 
(Superagri) 
90,00 
Bateria 60 Ah (Moura) 420,00 
Controlador de Carga (Unitron) 43,37 
Disjuntor 4 A (Stack) 17,17 
TOTAL 869,54 
Fonte: Autoria própria. 
36 
 
 
5 CONCLUSÕES E SUJESTÕES 
5.1 CONCLUSÕES 
Bombear água usando sistemas solares é uma alternativa viável para uso 
humano em ampla variedade de ambientes, como residencial, irrigação, consumo 
animal e comunidades, sendo possível a retirada de água de pequena escala em 
poços, represas, reservatórios, rios e lagos. 
De acordo com os objetivos gerais definidos neste trabalho, são apresentadas 
as conclusões resultantes da análise dos resultados obtidos nos experimentos. 
 
1. O sistema fotovoltaico para bombeamento de água mostrou-se eficiente 
para as aplicações residenciais propostas; 
2. O sistema projetado apresentou simples processos de fabricação, 
montagem e operacionalidade; 
3. O sistema estudado demonstrou-se viável para a operação de 
bombeamento de água para baixas alturas de sucção e altas altitudes 
de recalque; 
4. O sistema proposto pode ter seu processo de montagem repassado para 
pessoas de quaisquer níveis sociais e intelectuais com um simples 
treinamento; 
5. O sistema proposto mostrou-se viável financeiramente tendo em vista o 
baixo custo para montagem do kit; 
6. O bombeamento de água é uma importante aplicabilidade da energia 
fotovoltaica e hidráulica, principalmente na região do semiárido; 
7. Os resultados dos testes realizados com a bomba estiveram em 
consonância com os dados fornecidos pelo fabricante. 
 
375.2 SUJESTÕES 
 
1. Utilizar o sistema para vencer alturas de recalque acima de 5 metros; 
2. Analisar a altura de sucção do sistema utilizando uma válvula pé com 
crivo para manter a escorva do sistema de bombeamento; 
3. Utilizar o sistema estudado para aplicações em instalações de 
irrigação. 
 
 
38 
 
 
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do Norte, Centro de Tecnologia, Curso de Engenharia Mecânica.
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 Orientador: Prof. Dr. Luiz Guilherme Meira de Souza.
 1. Energia Solar - Monografia. 2. Sistema Fotovoltaico -
Monografia. 3. Sistema de Bombeamento de Água - Monografia. I.
Souza, Luiz Guilherme Meira de. II. Título.
RN/UF/BCZM CDU 621.472
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN
Sistema de Bibliotecas - SISBI
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede
Elaborado por Fernanda de Medeiros Ferreira Aquino - CRB-15/301