BRPI0803253A2 - unidade de dessalinização acionada por energia solar fotovoltaica - Google Patents

Abstract

A presente invenção aqui descrita refere-se a uma unidade de osmose reversa ou nanofiltração/ultrafiltração acionada por energia solar fotovoltaica sem baterias para a dessalinização da água salobra. A ausência do banco de baterias proporciona uma redução dos custos e de manutenção; ao mesmo tempo em que altera, sobremaneira, a operação da unidade, tornando-a subordinada ás condições instantâneas da radiação solar e da temperatura ambiente Nesse sentido, desenvolveu-se especialmente para esta aplicação, um conversor de corrente continua e um algoritmo capaz de seguir o ponto de máxima potência e regular, ao mesmo tempo, a potência entregue à carga. Resultados experimentais obtidos em laboratório mostraram que, além de alcançar a mesma eficiência de seguir o ponto de máxima potência da maioria dos equipamentos comerciais, o algoritmo desenvolvido proporciona maior simplicidade, robustez, baixo custo e a possibilidade do controle da energia entregue á carga através da configuração mestre-escravo. O controle, dessa forma, possibilita racionalizar o manejo energético entre a dessalinização e o bombeamento de água do poço, por exemplo, através de estratégias de operação baseado em prioridades pré-estabelecidas.

Description

RELATÓRIO DESCRITIVO

"UNIDADE DE DESSALINIZAÇÃO ACIONADA POR ENERGIA SOLARFOTOVOLTAICA"

A presente invenção aqui descrita refere-se a um sistema que utilizaa energia solar para dessalinização da água salobra utilizando módulosfotovoltaicos e membranas de osmose reversa ou nanofiltração/ultrafiltração,onde a escolha da membrana depende da quantidade de sólidos totaisdissolvidos na água de alimentação.

Fundamentos da Unidade

O processo de dessalinização consiste, basicamente, no bombea-mento de água com alta concentração de sais contra membranas seletivas.

Essas membranas permitem o fluxo da água ao mesmo tempo em que barrama passagem da maior parte dos sais, assim como os vírus e bactérias. Apresente unidade utiliza painéis fotovoltaicos (FV), que convertem diretamentea energia eletromagnética que vem do sol em energia elétrica, noacionamento da bomba que realiza a filtração (bomba de pressão) e aeventual bomba d'água do poço sem utilizar baterias para armazenamento daenergia produzida.

Membranas

Uma membrana consisle, basicamente, de um filme que separaduas soluções de diferentes concentrações de sólidos totais dissolvidos. Noentanto, para iniciar o transporte do líquido, é necessária uma pressão externasuperior à pressão osmótica, gerada naturalmente pela diferença deconcentração entre as soluções. O processo não requer nenhumatransformação química ou biológica, dependendo somente do tamanho dosporos para alterar a seletividade. Aplicações de dessalinização desse tiponormalmente utilizam módulos em espiral. Diversos elementos ou cartuchosde membrana espiral podem ser inseridos em um único módulo. Cadaelemento consiste em um conjunto de membranas e espaçadóres enroladosem volta de um tubo coletor de permeado central. Os canais de alimentaçãosão delimitados por membranas dos dois lados, sendo que o canal deconcentrado é mantido aberto por espaçadores no formato de telas.

Bomba volumétrica

As bombas, normalmente, são classificadas pela forma com que aenergia é entregue ao fluído. Nesse sentido, chamam-se bombas dinâmicasou turbobombas as que geram a movimentação do fluído por meio de forçasque se desenvolvem na massa líquida, em conseqüência da rotação de umaroda (impelidor) com certo número de pás especiais. Dentro dessaclassificação, as bombas centrífugas sãò as mais difundidas em unidades deosmose reversa e se caracterizam por entregar uma^energia majoritariamentecentrífuga ao fluído. Essas bombas possuem uma excelente robustez e umrelativo baixo custo, entretanto, apresentam um elevado conjugado de partida.Esse conjugado, em unidades acionadas por módulos fotovoltaicos sembaterias, reduz a eficiência dessas bombas com oaufnento da pressão.

Nesse sentido, o motor-bomba de diaftagma tem se revelado umaalternativa em instalações, onde alta press'ão e relativa baixa vazão sãonecessárias, como em unidades desse tipo. Essa bomba é classificada comovolumétrica ou de deslocamento positivo, na qual a energia é fornecida aofluido sob a forma de pressão através da movimentação de um órgãomecânico da bomba, obrigando-o a executar o njesmo movimento. Essemovimento do diafragma, continuamente, enche-e expele um determinadovolume no interior da bomba com o fluido. As principais características dessasbombas são: baixa vazão e alta pressão;' vazão pulsátil; vazão médiaindependente das características do sistema; rotação permissível proporcionalà viscosidade; necessidade de válvula de alivio na linha de descarga, essaválvula deve estar junto à bomba e antes de qualquer outra válvula.Seguidor de máxima potência

Na operação do módulo fotovoltaico, existe somente um único pontona curva característica (l-V), chamado de ponto de máxima potência, no qualé gerada a máxima potência. Em geral, quando a carga é diretamenteacoplada ao módulo, o ponto de operação não coincide com o ponto demáxima potência. Para esse fim, diversos algoritmos são normalmenteutilizados, podendo citar: ,>

a) perturbação e observação; esse .algoritmo utiliza o ponto deinflexão da curva de potência do módulo fotovoltaico, calculando a potênciaantes e depois da perturbação gerada na tensão de operação;

b) incremento na condutância; procura anular a derivada dacorrente e da tensão do arranjo FV, variando a tensão de operação;

c) capacitância parasita; opera de modo semelhante ao INC, excetopela inclusão dos efeitos da capacitância parasita da junção, e o objetivo doalgoritmo é igualar a condutância diferencial e a ccPhdutância do arranjo FV;

d) tensão constante; mede a tensão de circuito aberto e, através deuma constante calculada pela razão da tensão de máxima potência e a tensãode circuito aberto, estipula-se a tensão de operação.

Entretanto, devido a algumas características operacionais dessaunidade, optou-se por desenvolver um novo algoritmo capaz de integralizar aoconversor com segmento da máxima potência a característica de operação dotipo mestre-escravo.

Principais aplicações

A unidade aqui apresentado destina-se a aplicações dedessalinização de pequeno porte, normalmente para pequenas comunidades(vilas, escolas, entre outras) ou mesmo pequenas'embarcações. A principalaplicação vislumbrada é a dessalinização deságua salobra de açudes,cacimbas ou poços profundos que possuam, teor, de sólidos totais dissolvidosentre 500 e 2000 mg/L.

Dessalinização em pequena escala

A dessalinização começou a ser utilizada'regularmente há uns 50anos, quando se estabeleceram, em vários' países, unidades dedessalinização capazes de suprir ininterruptamente uma comunidade comágua potável. Atualmente a tecnologia èy considerada técnica eeconomicamente viável para produzir grandes quantidades de água potávelem diversas aplicações.

Existem hoje, basicamente, duas tecnologias distintas em processosde dessalinização, a térmica e as membranas. Atualmente, a tecnologia queutiliza processos térmicos, envolvendo a mudança de estado físico, estáperdendo mercado para as membranas seletivas, devido, basicamente, àescala de produção e à evolução da tecnologia.

O desenvolvimento das membranas seletivas possibilitou adessalinização em pequena escala, devido principalmente à maior eficiênciaenergética e à modularização. E a utilização de painéis FV no acionamentodessas unidades, permite ainda, a utilização dessa tecnologia em regiões semacesso ou com difícil acesso a rede de distribuição de energia elétrica, comoIlhas, barcos ou regiões mais afastadas.Descrição do equipamento

A unidade de dessalinização por painéis FV desenvolvida consistede um reservatório de água bruta, ou de alimentação, um sistema de pré-tratamento, outro reservatório para a água permeada, ou dessalinizada. Nesseentremeio, está alocado um motor-bomba chamado de "bomba de pressão"que alimenta a membrana com pressão suficiente, superior à pressãoosmótica, para permear a água através dela.

A Figura 1 representa um esquema simplificado da unidade, ondepodem ser vistos os seguintes componentes:

(1) : Arranjo Fotovoltaico;

(2) : Conversor CC-CC abaixador - mestre;115 (3): Conversor CC-CC abaixador - escravo;

(4) : Bomba de Pressão;

(5) : Membrana Filtrante;

O arranjo fotovoltaico (1) é formado por um conjunto de módulosfotovoltaicos capazes de suprir a demanda da Bomba de Pressão (4) e deoutras bombas ou demais aplicações (apontado como Outros usos). Osconversores (2) e (3) possuem o mesmo algoritmo, diferenciando no nível depotência de cada um. Esse algoritmo incorpora ao conversor o segmento damáxima potência assim como a possibilidade de operação da forma mestre-escravo, utilizando-se para isso somente circuitos analógicos e malhas detensão. A grande vantagem é do ponto de vista econômico, principalmente empequenas unidades, onde para o controle semi-automático da unidade não énecessário microcontroladores. Como só se utiliza malhas de tensão,economiza-se ainda os sensores de efeito Hall (medição de corrente).

A base do algoritmo criado é justamente;'manter a tensão na cargaou no módulo FV fixa, conforme ilustra a Figura 2. As regras do controleproposto são: se o arranjo FV gerar mais energia que o consumo nominal dabomba de pressão (dessalinização), o controle mantém a tensão de saídaigual à tensão nominal da carga. Caso contrário, o controle mantém a tensãode entrada igual a melhor tensão fixa.

Eletronicamente, ver Figura 3, essa escolha é feita, encontrando amenor tensão de controle entre os sinais de entrada (1) e saída (2). Isso éfeito por dois diodos (3) que faz com que o diodo de menor tensão se polarizenegativamente, resultando assim o sinal de tensão (4) que produzirá o ciclo detrabalho (duty cycle) desejado.

Claims (5)

1. "UNIDADE DE DESSALINIZAÇÃO ACIONADA POR ENERGIASOLAR FOTOVOLTAICA que se caracteriza por um sistema que utiliza aenergia solar para dessalinização da água salobra utilizando módulosfotovoltaicos e membranas de osmose reversa ou nanofiltração/ ultrafiltração,dependendo da quantidade de sais dissolvidos da água de alimentação".

2. "A unidade de acordo com a reivindicação 1, conta com umconversor de corrente contínua dedicado e especialmente desenvolvido parabuscar o ponto de máxima potência áo mesmo tempo que gerencia odespacho da energia produzida em função da estratégia de operaçãoescolhida baseada em prioridades entre o sistema»de bombeamento principal(bomba de pressão) e o bombeamento da água de alimentação da fonte (dopoço, por exemplo); as principais vantagens do algoritmo desenvolvido para ocontrole da unidade são; a simplicidade e a facilidade de implementação;essas vantagens, unidas à boa eficiência obtida em regiões próximas à linhado Equador, demonstram que o sistema possui um bom custo-benefício; edevido ao reduzido número de componentes eletrônicos o sistema se tornamais robusto e confiável".

3. "A unidade de acordo com as reivindicações 1 e 2, é caracterizadapor operar de forma autônoma, sem a necessidade de baterias ou mesmooutra fonte energética; toda a energia necessária para a operação do sistemaprovém do sol e é convertida por módulos fotovoltaicos existentes nomercado; a ausência de baterias proporciona uma redução dos custos deinstalação e da necessidade de manutenção".

4. "A unidade de acordo com as reivindicações 1, 2 e 3, écaracterizada por utilizar bombas volumétricas de deslocamento positivoaliada ao sistema de controle, incorporado no conversor de corrente contínua,que possibilitam uma operação mais contínua apesar de toda variação dairradiação solar durante o dia; essa estratégia garante uma maior vida útil dasmembranas filtrantes, de acordo com as recomendações do fabricante".

5. "A unidade de acordo com as reivindicações 1, 2, 3 e 4, écaracterizada por utilizar uma válvula especial na saída do concentrado queproporciona uma operação da unidade com uma pressão mais constante; as válvulas normalmente utilizadas não impedem a queda de pressão durante apassagem de uma nuvem, por exemplo".