Photovoltaic powered water pumping systems: design and optimization of an irrigation system

Tese de mestrado integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2014Este trabalho tem como âmbito o estudo da possibilidade do uso de energia solar fotovoltaica em sistemas de bombagem de água. Foi sugerido pela Martifer Solar o dimensionamento de um sistema de irrigação para um relvado situado na sede da empresa, em Oliveira de Frades, Portugal. A área total do relvado é 16,119m2. Inicialmente foi feito o estado da arte, onde foram discutidas as várias aplicações destes sistemas e as suas vantagens. De seguida, é descrita uma metodologia de dimensionamento, servindo como um guia para dimensionar e otimizar um sistema solar de bombagem de água. Para o dimensionamento foi abordado um método apresentado em Firatoglu et al. [1]. Primeiro foi estudada a quantidade de água necessária para a irrigação. Por se tratar de um relvado, a quantidade diária de água necessária varia ao longo dos meses desde 15m3 até 80m3. Depois, foi estudado o recurso solar para o local. Foi logo concluído que a variação da quantidade de água necessária varia de forma semelhante com a radiação solar disponível. Através do estudo de parâmetros dos vários componentes, foi feita uma correspondência entre os módulos fotovoltaicos e o motor/bomba. Foram calculadas curvas de potência máxima e curvas de pontos de equilíbrio. O principal objetivo é modelar, usando o Matlab. as duas de forma a ficaram o mais próximas possível, sem o uso de qualquer controlador eletrónico. Após o estudo de várias configurações ficou concluído que o sistema seria constituído por 14 módulos fotovoltaicos(2S×7P, com um motor com os parâmetros Kv=0.18 V/rpm e Ra=0.50Ω e com tanques de armazenamento de água. A quantidade de água necessária fica assegurada ao longo de todo o ano.This work has the objective of studying the possible application of photovoltaic solar energy to supply water pump systems. It was suggested by Martifer Solar to size an irrigation photovoltaic water pumping system. This system is studied for the location of the headquarters of the company, in Oliveira de Frades, Portugal. The total area to irrigate was 16,119 m2. A state-of-the art was made first, where advantages and different applications of these systems were presented. After, the methodology is described as a guide to sizing and optimize solar water pumping systems. For that sizing, a multi-step method was used presented in Firatoglu et al. [1]. First, water demand was studied. Because it is a grass field, values of water daily demand change from 15m3 to 80m3, depending on the month. After, average data from solar resource was studied. The first conclusion to achieve was that water demand changes seasonally in a similar way as solar radiation available. A match between PV array and motor/pump assembly was made, through the study of manufacturer’s data of the different components. Curves from maximum power point and equilibrium operation point were calculated. The main goal is to match as much as possible both curves, with no use of any electronic controller. The modulation of the system was made using Matlab. After the study of several configurations, it was concluded that the system would have 14 PV panels, (2S×7P) with a DC motor with Kv=0.18 V/rpm and Ra=0.50Ω and storage water tanks. It is assured that water demand is fulfilled throughout the year