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UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE – UFCG
CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA – CCT
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
AVALIAÇÃO DE UM DESSALINIZADOR VIA OSMOSE INVERSA USANDO
ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA: ESTUDO DO CONSUMO
ENERGÉTICO E CUSTOS
ANA KARLA CRISPIM SOARES
CAMPINA GRANDE – PB
MARÇO DE 2008
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AVALIAÇÃO DE UM DESSALINIZADOR VIA OSMOSE INVERSA USANDO
ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA: ESTUDO DO CONSUMO
ENERGÉTICO E CUSTOS
ANA KARLA CRISPIM SOARES
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-
Graduação em Engenharia Química do Centro
de Ciências e Tecnologia da Universidade
Federal de Campina Grande, em cumprimento às
exigências para obtenção do Grau de Mestre.
Área de Concentração: Operações e Processos.
Orientadores: Prof. Kepler Borges França (Ph.D)
Prof. Dr. Hervé Michel Laborde
CAMPINA GRANDE – PB
MARÇO DE 2008
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FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA CENTRAL DA UFCG
S676a
2008 Soares, Ana Karla Crispim.
Avaliação de um dessalinizador via osmose inversa usando energia solar
fotovoltaica: estudo do consumo energético e custos / Ana Karla Crispim
Soares. ─ Campina Grande, 2008.
89f. : il.
Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal
de Campina Grande, Centro de Ciências e Tecnologia.
Referências.
Orientadores: Kepler Borges França, Ph.D, Dr. Hervé Michel Laborde.
1. Água. 2. Dessalinização. 3. Osmose Inversa. 4. Painel Fotovoltaico. I.
Título.
CDU-66.081.63(043)
DEDICATÓRIA
Minha Mãe e meus Irmãos.
Companheiros de todas as horas.
Meus Parentes,
Vivos: minhas desculpas por qualquer erro ou omissão;
Aos que já se foram: minhas homenagens e saudades.
AGRADECIMENTOS
Agradeço em primeiro lugar a Deus por me dar força e coragem para vencer mais uma
etapa da minha vida.
Aos meus pais, irmãos e meu querido noivo pela paciência, incentivo compreensão e
apoio.
Aos meus orientadores, professor Kepler Borges França (Ph.D) e Dr. Hervé Michel
Laborde pela orientação e empenho no desenvolvimento dessa pesquisa.
A todos que fazem o Laboratório de Referência em Dessalinização.
Aos amigos e colegas do curso pelo companheirismo, colaboração, paciência e
discussões deste trabalho, em especial a Sérgio, Jorge, Edijoelma e à minha grande
amiga Rúbia Rafaela.
A Coordenação do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química e a
Universidade Federal de Campina Grande, pela atenção.
A CAPES pelo suporte financeiro.
SUMÁRIO
RESUMO........................................................................................................................i
ABSTRACT....................................................................................................................ii
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS...................................................................iv
LISTA DE FIGURAS....................................................................................................vi
LISTA DE TABELAS...................................................................................................vii
LISTA DE QUADRO...................................................................................................viii
CAPÍTULO I
1.0 INTRODUÇÃO 16
1.1 OBJETIVOS 18
1.1.1 Objetivo Geral 18
1.1.2 Objetivos Específicos 18
CAPÍTULO II
2.0 ESTUDOS BIBLIOGRAFICOS 19
2.1 A Dessalinização da Água 19
2.2 Processos de Dessalinização 21
2.3 Fundamentos da Tecnologia 24
2.4 Incrustações 26
2.5 Pré-Tratamento 26
2.6 Disposição do Concentrado 27
2.7 Principais Equações Empíricas e Fatores que regem o Processo de OI 29
2.7.1 Pressão Osmótica 29
2.7.2 Fluxo do Permeado 30
2.7.3 Fluxo do Concentrado 31
2.7.4 Taxa de Rejeição de Sais 32
2.7.5 Fluxo de Passagens de Sais 32
2.7.6 Balanço de Massa 33
2.7.7 Recuperação 33
2.7.8 Consumo de Energia 34
2.8 Energia Solar 36
2.9 Histórico da Geração Fotovoltaica 41
2.10 Conversão Fotovoltaica 42
2.11 Aplicações da Energia Fotovoltaica 43
2.12 Sistemas Fotovoltaicos Autônomos 44
2.13 Vantagens das Células Solares Fotovoltaicas 45
2.14 Configurações dos Painéis 45
2.15 Sistemas com carga CC sem armazenamento 45
2.16 Sistema de Conversão Fotovoltaica 46
2.17 Módulo Fotovoltaico 46
2.18 Energia Solar para Sistemas de Dessalinização 49
2.19 Experiências Mundiais em Unidades OR-FV 51
CAPÍTULO III
3.0 EXPERIMENTAL 54
3.1 Sistema de Osmose Inversa 54
3.2 Sistema de Dessalinização via Osmose Inversa 54
3.3 Sistema de Conversão de Energia Elétrica 57
3.3.1 Módulos Fotovoltaicos 59
3.3.2 Sistema de medição 60
3.3.3 Sistema de controle - Circuito eletrônico regulador de tensão DC para
funcionamento com células fotovoltaicas
61
3.4 Procedimento Experimental 62
CAPÍTULO IV
4.0 RESULTADOS 64
4.1 Comportamento da Corrente, Tensão do Motor, Potência e Pressão com o
Tempo
64
4.2 Comportamento das Vazões do Permeado e Concentrado com o Tempo 67
4.3 Comportamento da Recuperação com o Tempo 69
4.4 Comportamento do Consumo de Energia com o Tempo 70
4.5 Experimentos 71
4.6 Balanço de Custo de um Sistema de Dessalinização Usando Energia
Solar Fotovoltaica
72
4.7 Perfil do Custo da Água Dessalinizada em Função do Consumo e
Produção Diária
74
CAPÍTULO V
5.0 CONCLUSÕES 77
CAPÍTULO VI
6.0 PERSPECTIVAS 78
CAPÍTULO VII
7.0 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 79
ANEXOS 86
APÊNDICE I – Boletim técnico da membrana 87
APÊNDICE II – Especificações do painel fotovoltaica 88
APÊNDICE III – Simulação do ROSA (Reverse Osmosis System Analysis) 89
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
A área da membrana (m
2
)
ΔC gradiente concentração (mol/L)
c
i
concentração molar do soluto (mol/L)
Ca concentração da solução de alimentação (mg/L)
Cc concentração do concentrado (mg/L)
Cp concentração do permeado (mg/L)
CC corrente contínua
d dia
Ep consumo de energia prático
Eemp energia empírica consumida
FV fotovoltaico
h hora
I corrente elétrica
Jp fluxo do permeado (L/m
2
. h)
J
s
fluxo mássico do soluto (kg/m
2
h)
K
i
Coeficiente de Transferência de Massa do Soluto
K
w
Coeficiente de Transferência de Massa do Solvente
L litro
LABDES Laboratório de Referencia em Dessalinização
mg miligrama
min minuto
OI osmose inversa
ΔP gradiente de pressão aplicada
PPM – mg/L
PS passagem de sais
P
a
pressão de alimentação (kgf/cm
2
)
P
c
pressão do concentrado (kgf/cm
2
)
P
p
pressão do permeado (kgf/cm
2
)
pH potencial hidrogeniônico
Qa vazão de alimentação (m
3
/h)
Q
p
vazão do permeado (m
3
/h)
Q
pr
vazão do permeado real (m
3
/t
operação
)
Q
c
vazão do concentrado total (m
3
/h)
V
pr
volume do permeado real (m³/h)
RS rejeição de sais (%)
r recuperação do sistema (%)
R constante dos gases ideais (kgf.L/cm
2
.mol.K)
STD sólidos totais dissolvidos
T temperatura (°C)
TDS
a
sólidos totais dissolvidos na corrente da alimentação
TDS
c
sólidos totais dissolvidos na corrente do concentrado
TDS
p
sólidos totais dissolvidos na corrente do permeado
UFCG – Universidade Federal de Campina Grande
V Tensão (volt)
Pot Potência (walt)
SÍMBOLOS GREGOS
υ
i
carga elétrica do íon i (kgf.L/cm
2
.mol.K)
Δπ gradiente de pressão osmótica (kgf/ cm
2
)
π pressão osmótica (kgf/cm
2
)
κ condutividade elétrica
ηb eficiência da bomba (%)
ηm eficiência do motor (%);
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – Disponibilidade hídrica 19
Figura 2.2 - Representação do processo de osmose natural 20
Figura 2.3 - Representação do processo de osmose inversa 20
Figura 2.4 - Dessalinizadores: Capacidade instalada no mundo por tipo de
tecnologia
21
Figura 2.5 – Mercado mundial de osmose inversa desde 1990 e projeção para
2010
23
Figura 2.6 - Secção esquemática da membrana de osmose inversa em espiral 25
Figura 2.7 - Porcentagem de custos de diferentes componentes de operação e
manutenção de unidades de dessalinização de águas salobras
35
Figura 2.8 - Painel Fotovoltaico 38
Figura 2.9 - Evolução da produção mundial de módulos FV 41
Figura 2.10 - Célula Fotovoltaica
43
Figura 2.11 - Sistema fotovoltaico com carga CC sem armazenamento 46
Figura 2.12 - Sistema fotovoltaico básico em blocos 46
Figura 2.13 - Configuração da célula solar 47
Figura 2.14 - Configuração básica da unidade OI-FV pioneira no Brasil 53
Figura 3.1 - Sistema de dessalinização via osmose inversa 54
Figura 3.2 - Vista frontal do sistema de dessalinização 56
Figura 3.3 - Vista lateral do sistema de dessalinização 56
Figura 3.4 – Sistema de membranas 57
Figura 3.5 – Painéis fotovoltaicos 58
Figura 3.6 – Circuito eletrônico 58
Figura 3.7 – Janela do software Agilent BenchLink (Data Acquisition) 58
Figura 3.8 - Arranjo dos painéis fotovoltaicos 59
Figura 3.9 - Sistema de armazenamento de dados
62
Figura 4.1 - Comportamento da corrente com o tempo 65
Figura 4.2 - Comportamento da tensão com o tempo 66
Figura 4.3 - Comportamento da potência com o tempo 66
Figura 4.4 - Comportamento da pressão com o tempo 67
Figura 4.5 - Comportamento da vazão do permeado com o tempo 68
Figura 4.6 - Comportamento da vazão do concentrado com o tempo 68
Figura 4.7 - Comportamento da vazão da alimentação com o tempo 68
Figura 4.8 - Comportamento da recuperação com o tempo 69
Figura 4.9 - Comportamento da energia com o tempo 70
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 - Processos de dessalinização mais utilizados 23
Tabela 3.1: Especificações da membrana de osmose inversa (Apêndice Ι)
55
Tabela 3.2: Especificações do painel fotovoltaico (Apêndice 2) 59
Tabela 4.1: Média das variáveis de medidas em função da concentração da
solução de NaCl.
71
Tabela 4.2: Perfil do custo da água dessalinizada em função do consumo e
produção diária
75
LISTA DE QUADRO
Quadro 4.1 - Valores dos componentes do dessalinizador com os painéis 73
Quadro 4.2: Valores de instalação e manutenção 73
RESUMO
A água trata-se do constituinte mais característico e abundante da Terra. Bem comum e
indispensável à humanidade, destina-se aos mais diversos fins, desde ao consumo
humano até o uso industrial; podendo ser caracterizada como a forma de energia mais
essencial à vida e à manutenção dos ecossistemas. Apesar de sua imensa importância e
essencialidade à existência de vida na Terra verifica-se uma indolência inaceitável
quanto a gestão e conservação dos recursos hídricos do nosso planeta. Em virtude disto
busca-se melhorar a qualidade de vida e minimizar o problema de falta de água potável,
este trabalho tem como objetivo avaliar o processo de dessalinização via osmose inversa
usando energia solar fotovoltaica, seus consumos energéticos e custos. Para isso foi
desenvolvido e instalado no Laboratório de Referência em Dessalinização (LABDES),
na Universidade Federal de Campina Grande, um sistema constituído de duas
membranas de osmose inversa, alimentado por um conjunto de dezesseis painéis
fotovoltaicos. O desempenho do sistema foi avaliado com soluções de cloreto de sódio
com concentração variando de 1000, 1200, 1500 e 2000mg/L. As variáveis medidas,
como: pressão, tensão, corrente e vazão as quais foram obtidas através dos sensores
elétricos e armazenadas no computador pelo Software Data Aquisition permitiram
avaliar os seguintes parâmetros: corrente elétrica, tensão do motor, potência elétrica,
vazões do permeado e concentrado, recuperação e consumo de energia por m³ de água
produzida. As concentrações de água de alimentação e irradiação solar influenciam
consideravelmente a pressão, e conseqüentemente a produção de água permeada. O
sistema mostrou condições técnicas de produzir 0,17 m³/h de água dessalinizada a um
custo de R$ 6.78.
PALAVRAS-CHAVE: água, osmose inversa, dessalinização, painel fotovoltaico.
ABSTRACT
Water is the most characteristic and abundant constituent of the Earth. Well common
and essential to humanity, is the most diverse purposes, provided for human
consumption until the industrial use, can be characterized as a form of energy more
essential to life and the maintenance of ecosystems. Despite its enormous importance
and essentiality to the existence of life on earth there is an earnestness unacceptable as
the management and conservation of water resources of our planet. Because of this
quest is to improve the quality of life and minimize the problem of lack of drinking
water, this work aims at evaluating the process of desalination by reverse osmosis using
solar photovoltaics, their energy consumption and costs. For that has been developed
and installed at the Reference Laboratory in Desalination (LABDES), at the Federal
University of Campina Grande, a system consists of two membranes, reverse osmosis,
powered by a set of sixteen photovoltaic panels. The performance of the system was
evaluated with sodium chloride solutions with concentrations ranging from 1000, 1200,
1500 and 2000 mg/L. Variables measures such as: pressure, voltage, current flow and
which were obtained through the electric sensors and stored on the computer by the
Software Data Aquisition allowed to assess the following parameters: current, voltage
of the engine, electric power, flow rates of the permeate and concentrate , retrieval and
consumption of energy per m
3
of water produced. Concentrations of water, food
irradiation and solar influence considerably the pressure, and consequently the
production of water permeate. The system showed technical conditions to produce 0.17
m³ / h of desalinated water at a cost of $ 6.78.
KEY-WORDS: water, reverse osmosis, desalination, photovoltaic panel.
Capítulo 1 – Introdução 16
___________________________________________________________________
1 – INTRODUÇÃO
A água apresenta-se como a substância mais comum e a mais importante na face
da terra, sendo considerada um dos produtos mais nobres do nosso planeta. Devido a
sua distribuição irregular, milhares de pessoas continuam morrendo por sua falta e
também pelos seus abastecimentos contaminados. Embora 70% da superfície do planeta
esteja coberta pela água, 97% é de água salgada não adequada para o consumo ou
agricultura, salvo através de técnicas de dessalinização.
A disponibilidade de água potável em todo o mundo vem diminuindo, de forma
a merecer atenção especial de entidades internacionais e da comunidade científica.
Segundo estudo publicado pela UNESCO (2003), estima-se que na metade deste século,
de 2 a 7 bilhões de pessoas, em mais de quarenta países, sofrerão de escassez de água.
Esse assunto vem sendo debatido nos últimos anos em todo o mundo e alerta a
humanidade para a necessidade da procura de novas formas de suprir a demanda de
água potável. Embora o problema seja previsto tanto em países industrializados como
em países em desenvolvimento, os efeitos da falta de água são mais sentidos nos
últimos, onde a infra-estrutura é mais deficiente.
O Brasil concentra, hoje, entre 13% a 15% da água doce acessível de todo o
planeta.
A dificuldade de uma região que se encontra em situação de “alerta de escassez
hídrica”, alcançar uma produção industrial ou de alimentos satisfatória, decorre da
necessidade mínima de água requerida para satisfazer os três principais usos
consuntivos e de manter água suficiente para os ecossistemas, atender os demais usos
não consuntivo (navegação, hidroelétrica, psicultura, lazer etc.), que apresentam perdas
em especial por evaporação, e para assimilação e diluição de resíduos (vazão
salubridade) (CHISTOFIDIS, 2006).
O problema é que a distribuição é irregular como por exemplo: do volume total,
80% concentram-se na Amazônia, região com pouca densidade demográfica. Os 20%
restantes ficam distribuídos nas demais regiões, que abrigam a maior parte da
população.
Ana Karla Crispim Soares
Capítulo 1 – Introdução 17
___________________________________________________________________
É notório que até pouco tempo atrás o racionamento do uso e a importância da
qualidade da água não ensejavam muita preocupação no Brasil. Não obstante, a
consciência da população brasileira vem começando a mudar, por imperativo da própria
realidade que já se transformou. Por essa razão, nunca se indagou e se discutiu tanto o
uso adequado da água como meio de propiciar a melhora da qualidade de vida das
populações atuais e futuras e o desenvolvimento sustentável do planeta.
A distribuição da população no sertão se caracteriza, em grande parte, por
comunidades pequenas e dispersas, onde as famílias não possuem o mínimo de infra-
estrutura, como energia elétrica, escolas, postos de saúde ou saneamento básico.
De acordo com estudos realizados pela Associação Brasileira de Águas
Subterrâneas (ABAS), pelo menos 19,5 bilhões de metros cúbicos de água poderiam ser
extraídos por ano do subsolo nordestino sem o risco de esgotamento dos mananciais. No
entanto, os poços perfurados na rocha cristalina, encontrada em cerca de 788.358 km²,
apresentam pouca vazão, grande profundidade e, na maioria das vezes, produzindo água
considerada salobra pela resolução CONAMA n° 20 de 1986, que define o patamar
máximo de 500 mg.L
-1
de sólidos totais dissolvidos (STD) para considerar a água doce,
e entre 500 e 3000 mg.L
-1
para considerá-la salobra, acima disso é salgada.
Um fato observado é que determinadas populações, devido à falta de estudo
realizado pelo Ministério de Minas e Energia (MME, 2003), intitulado “Projeto cadastro
da infra-estrutura hídrica do Nordeste”, cadastrou todos os poços, fontes naturais,
barragens subterrâneas e reservatórios superficiais significativos em uma área de
225.000 km² da região semi-árida brasileira. Os resultados preliminares mostraram que
55% dos poços se encontram em funcionamento, 34% estão paralisados devido à
salinidade e/ou não foram instalados por falta de energia elétrica e os 11% restantes
foram abandonados, por estarem secos ou obstruídos. O estudo revela ainda que mais de
70% dos sistemas de bombeamento de água acionados por módulos fotovoltaicos
instalados no Nordeste encontram-se em operação. Uma das opções mais econômica da
atualidade para dessalinizar essa água salobra é através de membranas de osmose
inversa (OI).
O processo de osmose inversa consiste, basicamente, no bombeamento de água
com alta concentração de sais contra membranas seletivas, sendo necessário uma
pressão superior à pressão osmótica, Δπ, para reverter o processo natural da osmose.
Ana Karla Crispim Soares
Capítulo 1 – Introdução 18
___________________________________________________________________
Essas membranas permitem o fluxo da água através delas, ao mesmo tempo em que
barram a passagem da maior parte dos sais, assim como os vírus e bactérias presentes na
água de alimentação.
A instalação de pequenos dessalinizadores em comunidades isoladas pode ajudar
a amenizar os problemas da seca no Nordeste brasileiro. Esses locais, devido a
dificuldades de manutenção, requerem uma instalação confiável e simples. A tecnologia
fotovoltaica apresenta todas essas características e, ainda, se torna viável, técnica e
economicamente, em locais sem acesso à rede elétrica convencional. Essa tecnologia é
apontada como uma das mais confiáveis formas de geração de energia elétrica, fato
comprovado pelo extenso período de garantia fornecido pelos fabricantes, 25 anos.
A unidade de osmose inversa analisada opera com pressão variável e é acionada
por módulos fotovoltaicos sem a utilização de baterias. A ausência das baterias traz
como vantagens a redução do custo e da necessidade de manutenção, fatores de
importância para a viabilidade de projetos no semi-árido do Nordeste.
1.1. OBJETIVOS
1.1.1. Objetivo Geral
O presente trabalho se propôs a estudar o desempenho de um sistema de um
dessalinizador com dois elementos de membranas de osmose inversa em série fazendo
uso dos painéis fotovoltaicos.
1.1.2. Objetivos Específicos
- Montagem de um sistema piloto de dessalinização via osmose inversa e energia
solar fotovoltaica.
- Teste e desempenho do dessalinizador em termos de consumo energético.
- Estudar dos custos de produção de água potável e outros parâmetros
pertinentes ao desempenho do dessalinizador.
Ana Karla Crispim Soares
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 19
___________________________________________________________________
2.0 ESTUDOS BIBLIOGRAFICOS
2.1 – A Dessalinização da Água
Há muitos anos o processo de dessalinização surgiu com o objetivo de remover
os sais da água, tornando-a potável para o consumo. Diversas regiões do planeta que
convivem diariamente com a falta de água utilizam variadas técnicas para separar o sal
da água. Algumas utilizam processos térmicos que envolvem mudança de fase, sejam a
evaporação ou o congelamento, outros, mais recentemente, permeiam a água através de
membranas.
Embora, em média, no Brasil ocorra um alto indicador de água renovável por
ano por habitante, há alguns estados brasileiros em especial a Paraíba, o Rio Grande do
Norte e o Distrito Federal que apresentam uma situação que exige elevada capacidade
de gerenciamento da água, por já estarem em situação de “alerta de escassez hídrica”
(Figura 2.1)(CHISTOFIDIS, 2006).
Ana Karla Crispim Soares
Figura 2. 1: Disponibilidade Hídrica
Fonte: (NETTO, 2005)
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 20
___________________________________________________________________
A instalação de pequenos dessalinizadores em comunidades isoladas pode ajudar
a amenizar os problemas da seca no Nordeste brasileiro.
O maior passo no desenvolvimento das tecnologias de dessalinização foi dado
durante a Segunda Guerra Mundial, devido à necessidade de água potável para suprir as
tropas militares em áreas áridas. A escassez da água em muitas regiões do planeta
também determina uma demanda por processos de dessalinização seguros e
econômicos.
E, entre os processos de dessalinização que vêm sendo comercializados, a
osmose inversa (OI) vem sendo considerado como o processo mais atrativo para a
produção de água potável a partir da água salobra e água do mar, sendo assim colocado
até ao alcance do indivíduo, viabilizando novos projetos antes impensáveis. (JOYCE et
al, 2001). As (Figura 2.2) e (Figura 2.3) mostram o processo de osmose natural e o
processo de osmose inversa.
Dentre os processos que utilizam a separação por membranas, a osmose inversa
evoluiu tanto, que hoje domina o setor de dessalinização, não só para potabilizar a água
em locais de escassez, como para diversos setores industriais. Destacam-se, entre as
principais aplicações industriais: o setor alimentício (refrigerantes e sucos) e as
termelétricas. A vasta aplicabilidade, desde o reuso de águas até a produção de água
Ana Karla Crispim Soares
Figura 2.3: Representação do
Processo de Osmose Inversa
Figura 2. 2: Representação do
Processo de Osmose Natural
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 21
___________________________________________________________________
ultrapura, unida às características como a modularidade e a baixa demanda energética,
formam as principais razões da rápida difusão do processo de osmose inversa.
2.2 – Processos de Dessalinização
A dessalinização começou a ser utilizada regularmente a cerca de 50 anos,
quando se estabeleceram, em vários países, unidades de dessalinização capazes de
suprir ininterruptamente uma comunidade com água potável. Atualmente a tecnologia é
considerada técnica e economicamente viável para produzir grandes quantidades de
água potável em diversas aplicações.
Desde a década dos anos 80, o emprego de membranas semipermeáveis
sintéticas em aplicações industriais passou a se difundir, ampliando o campo de
aplicação deste processo. Isto resulta em contínuas reduções de custo, não só pela maior
escala de produção permitida como também pelo crescente conhecimento tecnológico
adquirido.
Existem hoje, basicamente, duas tecnologias distintas em processos de
dessalinização, a térmica e as membranas. A (Figura 2.4) mostra a curva de tendência
dessas duas tecnologias no contexto mundial. A tecnologia que utiliza processos de
membranas vem se aproximando cada vez mais dos processos térmicos, devido,
basicamente, à escala de produção e à evolução da tecnologia.
Ana Karla Crispim Soares
Figura 2. 4: Dessalinizadores: Capacidade instalada no mundo por tipo de tecnologia
Fonte: (NATIONAL RESEARCH COUNCIL, 2004)
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 22
___________________________________________________________________
As exigências sobre a escolha da tecnologia devem ser estudadas as conexões
entre vários parâmetros locais como circunstâncias geográficas, a topografia do local, a
capacidade, o tipo de energia disponíveis no custo baixo, a disponibilidade de infra-
estrutura, o tamanho da planta e o salinização da água de alimentação
(MATHIOULAKIS et al., 2007).
As energias usadas nos processos de dessalinização são principalmente,
eletricidade e calor. A energia representa aproximadamente 25% - 40% do custo total
do sistema de dessalinização de água (TSIOURTIS, 2001).
Os avanços tecnológicos em transferência de calor, tecnologia de membrana,
recuperação do mecanismo de energia, manufatura do tratamento químico da água e
combinação dos métodos ou processos têm reduzido o consumo de energia por metro
cúbico (TSIOURTIS, 2001).
A dessalinização baseada na osmose inversa possui uma carga mais baixa do
que a dessalinização térmica, este resultado é mais reforçado se o modelo da produção
de energia for através de energias renováveis e também se a redução do consumo de
energia da osmose inversa for conseguida com sistemas novos de recuperação de
energia. Entretanto, as tecnologias térmicas de dessalinização não devem ser
desconsideradas porque apresentam uma redução grande do potencial do impacto
ambiental quando integradas com outro processo de produção (RALUY et al., 2006).
Seu principal campo de aplicação é a dessalinização de águas salobras e
marinhas, para uso em navios, plataformas de extração de petróleo, em poço artesianos
nas regiões áridas, etc. Este processo é também aplicado em larga escala na produção de
água ultrapura nas indústrias eletrônicas, nos hospitais, indústrias farmacêuticas, etc.
(OLIVEIRA, 2007)
Na dessalinização de água o processo de OI, juntamente com o processo de
evaporação (“flash”), é o mais utilizado, ficando uma pequena parcela do mercado para
o processo de eletrodiálise (ED), conforme mostrado na Tabela 2.1.
Ana Karla Crispim Soares
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 23
___________________________________________________________________
Tabela 2.1: Processos de dessalinização mais utilizados (MILLER, 2003)
Segundo relatório do BCC Research (2006), o mercado de membranas cresce em
média 10,3% ao ano e em 2005 superou a marca dos US$ 1,9 bilhões na
comercialização de membranas e sistemas de filtração. Como se pode observar na
(Figura 2.5), os EUA detêm a grande maioria do mercado de osmose inversa, seguido
pela Ásia, Europa, África/Oriente Médio e América Latina.
Outro ponto marcante é a diferença entre as unidades de dessalinização da água
do mar e salobra, isso se deve à relação direta existente entre o consumo específico e a
Ana Karla Crispim Soares
Milhões de
Dólares
Americanos
Figura 2.5: Mercado mundial de Osmose Inversa desde 1990 e projeção para 2010
Fonte: BCCRESEARCH, 2006
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 24
___________________________________________________________________
concentração de sais. Outros pontos, como a diferença de níveis de pressão e de taxa de
recuperação, podem ser comparados.
O que diferencia os vários dessalinizadores disponíveis no mercado é a
qualidade dos materiais neles empregados, a tecnologia de produção, o grau de
automação incorporado, a experiência do fabricante e a disponibilidade de assistência e
serviços técnicos (AQUANET, 2006).
2.3 – Fundamentos da Tecnologia
A osmose inversa é um método de dessalinização de grande sucesso aplicado
para água do mar, água salobra e água industrial (ABDEL-JAWAD et al., 2002).
Uma membrana de osmose inversa consiste, basicamente, de um filme que
separa duas soluções de diferentes concentrações de sólidos dissolvidos. No entanto,
para iniciar o transporte do líquido, é necessária uma pressão externa superior à pressão
osmótica, gerada naturalmente pela diferença de concentração entre as soluções. O
processo não requer nenhuma transformação química ou biológica, dependendo
somente do tamanho dos poros para alterar a seletividade.
A tecnologia utilizada na síntese de filmes de porosidade controlada é dominada
pelos polímeros orgânicos, podendo-se destacar três gerações distintas de membranas
(SCHNEIDER e TSUTIYA, 2001). A primeira se caracterizou por membranas
simétricas com poros regulares, quase cilíndricos que atravessavam toda a espessura da
membrana. Os principais problemas foram à baixa resistência mecânica e a baixa
produtividade. Com o avanço no controle da polimerização da membrana, a segunda
geração, chamada de membranas assimétricas ou anisotrópicas, possibilitou a criação,
normalmente por um único tipo de polímero, de uma fina película filtrante sobre uma
estrutura mais grossa e porosa, responsável pela estabilidade mecânica do conjunto. A
redução na espessura da película filtrante diminuiu consideravelmente a resistência à
filtração e, conseqüentemente, o consumo de energia. A terceira geração possibilitou a
criação de membranas com diferentes polímeros, possibilitando a diminuição da
espessura da película filtrante, entre 0,1 μm a 0,5 μm ou 1% da espessura do suporte
poroso. Essas medidas reduziram ainda mais o consumo energético, bem como
Ana Karla Crispim Soares
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 25
___________________________________________________________________
elevaram a resistência mecânica. No mercado da osmose inversa, predominam as
membranas de terceira geração ou membranas compostas.
As membranas são comercializadas por módulos, sendo estes conjunto de
estruturas necessárias para a operação como unidade de separação. Além da membrana,
o módulo contém estruturas de suporte mecânico e canais de alimentação e remoção do
permeado e do concentrado, visando limitar o acúmulo de material e a maximizar a
superfície de contato sem contaminar o permeado com o concentrado.
Normalmente, utilizam módulos em espiral, como a apresentada na (Figura 2.6).
Diversos elementos ou cartuchos de membrana espiral podem ser inseridos em um
único módulo. Cada elemento consiste em um conjunto de membranas e espaçadores
enrolados em volta de um tubo coletor de permeado central. Os canais de alimentação
são delimitados por membranas dos dois lados, sendo que o canal de concentrado é
mantido aberto por espaçadores no formato de telas. Diversos outros desenhos de
módulos podem ser encontrados na literatura (SCHNEIDER e TSUTIYA, 2001), além
dos módulos espirais, como: os módulos com placas, os módulos tubulares, os módulos
com fibras ocas e os módulos com discos rotatórios.
Ana Karla Crispim Soares
Figura 2.6: Secção esquemática da membrana de osmose inversa em espiral
Fonte: Adaptado de DOW, 2004
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 26
___________________________________________________________________
2.4 Incrustações
Dificilmente poderemos projetar um sistema de osmose inversa sem levar em
consideração a incrustação e seus efeitos, tanto na produção de água permeada, como na
redução da vida útil da membrana. Nesse caso, o rendimento seria prejudicado,
acarretando perda na qualidade da água permeada e aumento do consumo específico
(SCHNEIDER e TSUTIYA, 2001).
A incrustação sempre estará presente na operação das membranas de osmose
inversa. Entretanto, um convívio “pacífico” se torna possível, à medida que métodos de
manutenção preditiva sejam mitigados, ou seja, exista uma melhora na capacidade de se
prognosticar os problemas. Essa intervenção preventiva visa minimizar os efeitos
através de correções da manutenção, operação ou mesmo erros de projeto. O
diagnóstico preciso é de fundamental importância para manter o sistema operando
satisfatoriamente (CAVALCANTE, 2003).
2.5 – Pré-Tratamento
Na dessalinização de águas, a osmose inversa, do ponto de vista técnico e
econômico, é um dos processos mais versáteis podendo ser usado numa ampla faixa de
concentração de sais dissolvidos (SILVA, 2005).
As águas subterrâneas profundas são, geralmente, biologicamente estabilizadas,
isto é, apresentam baixa concentração de microorganismos e, conseqüentemente, uma
baixa possibilidade de formação de biofilme. Entretanto, uma análise físico-química da
água é extremamente importante para evitar, principalmente, a incrustação inorgânica.
Para que se obtenha um desempenho adequado na produção de água potável e no
tempo de vida das membranas, a água subterrânea ou de superfície deve ser pré-tratada
antes do processo de osmose inversa. O pré-tratamento da água in natura protege os
elementos de membranas contra vários fenômenos de incrustações de ordem inorgânica
e orgânica. Esses tipos de incrustações denominados como “fouling”, consistem na
formação de depósitos indesejáveis na superfície da membrana (LIRA, 2004). O
“fouling” pode ser proveniente de sais dissolvidos, sólidos suspensos e
microorganismos na superfície da membrana.
Ana Karla Crispim Soares
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 27
___________________________________________________________________
Essas águas, portanto, podem ser utilizadas como água de alimentação da
membrana, utilizando apenas pré-tratamentos simplificados como um filtro cartucho,
desde que se respeite o limite de operação imposto pela membrana e pela concentração
de cada composto, evitando assim a saturação e, conseqüentemente, a precipitação de
minerais dissolvidos (RIFFEL, 2005).
Por outro lado, as águas de superfície possuem uma alta concentração de
microorganismos e dependem, então, de um pré-tratamento eficaz para removê-los e,
assim, viabilizar a dessalinização por membranas. Vale lembrar que todas as
características da água, seja físico-química ou microbiológica, variam durante o ano,
dependendo da quantidade de chuva e de outros fatores, naturais ou não.
O pré-tratamento é uma das etapas de grande importância para o sistema de
dessalinização, pois evita formação de incrustações, contribuindo para que a membrana
não reduza seu tempo de vida útil.
As análises físico-química e bacteriológica da água são os principais parâmetros
na determinação do pré-tratamento necessário e na escolha dos tipos de elementos de
membranas que irão operar durante o processo, nos dessalinizadores. O número de
elementos de membranas depende do potencial hídrico e da demanda de água.
Atualmente, existem mais de mil unidades de dessalinização instaladas no Nordeste e
nenhuma delas apresenta um sistema de proteção para os componentes do
dessalinizador, inclusive para os elementos de membranas (NOTÍCIAS CNPQ, 2005).
Dependendo da qualidade e do uso da água permeada esta poderá passar por um
pós-tratamento. Poderá haver necessidade de correção do pH, desinfecção, remoção de
sulfeto de hidrogênio por oxidação e aeração, fluoração da água para evitar cáries
dentárias, colunas de troca iônica para produção de água ultrapura, remoção de gás
carbônico por aeração.
2.6 – Disposição do concentrado
Estima-se que a atual capacidade instalada de dessalinização no mundo seja
superior aos 32,37 milhões de m³ por dia (WATSON et al, 2003). Diversas opções para
dessalinização existem e sua escolha depende de considerações econômicas e
ambientais. Dentre os sistemas de dessalinização, a osmose inversa se destaca tanto em
Ana Karla Crispim Soares
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 28
___________________________________________________________________
número de instalações (68% das instalações), quanto em percentual da capacidade
instalada (44% da capacidade) (WATSON et al, 2003).
Conforme supracitado, mediante osmose inversa se tem a água dessalinizada
como produto, mas também um subproduto, ou seja, o concentrado. Em geral, nos
países desenvolvidos, o rejeito está sendo transportado para os oceanos ou injetados em
poços de grande profundidade; todavia, alternativas estão sendo estudadas, como:
bacias de evaporação, redução de volume do rejeito por plantas aquáticas, bacias de
percolação e irrigação de plantas halófitas (PORTO et al, 2001).
O devido tratamento do concentrado da dessalinização vem preocupando e
instigando os cientistas, que propõem soluções como a criação de peixes do tipo tilápias
e/ou plantas halófitas capazes de se desenvolverem em um meio salino. O concentrado
de unidades próximas à costa do mar normalmente é simplesmente lançado ao mar, não
causando, com isso, grandes impactos ambientais. Entretanto, o maior problema se
encontra em unidades de dessalinização de águas salobras instaladas no interior do
continente, onde o concentrado chega a possuir uma concentração até 10 vezes a da
água bruta original. Este concentrado é, muitas vezes, despejado novamente no poço de
origem, salinizando-o ainda mais. Em outras ocasiões, o concentrado é lançado sobre o
solo o que, em pouco tempo, pode esterilizá-lo.
A escolha da melhor opção para se dispor o rejeito da dessalinização deve
atender, dentre outros fatores, às disponibilidades locais (terra, compatibilidade das
águas receptoras e distância), às disponibilidades regionais (geologia, leis estaduais,
geografia e clima), ao volume de concentrado, aos custos envolvidos, à opinião pública
e à permissibilidade (MICKLEY, 2004b).
A emissão em águas superficiais é o método mais usado para destinação do
rejeito da dessalinização. Esta opção é usual para todos os tamanhos projetos, mas
pressupõe compatibilidade com as águas receptoras, podendo haver necessidade de
diluição (MICKLEY, 2004b). Ainda que os custos desta destinação sejam relativamente
baixos deve-se atentar para o impacto sobre a vida aquática, nos rios e mares receptores
(MICKLEY, 2004a).
No Brasil, o rejeito não está recebendo, na quase totalidade dos casos, qualquer
tratamento, mesmo assim, está sendo despejado no solo, propiciando alto acúmulo de
sais nas camadas superficiais do terreno (PORTO et al, 2001). A deposição deste rejeito
Ana Karla Crispim Soares
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 29
___________________________________________________________________
poderá trazer, em curto espaço de tempo, sérios problemas para as comunidades que se
beneficiam da tecnologia de dessalinização (PORTO et al, 1997).
Um estudo no município de Petrolina, Estado de Pernambuco, confirmou a
salinização do solo causada pelo despejo indiscriminado dos efluentes de dois
dessalinizadores instalados em duas comunidades (AMORIM et al, 1997). No Estado
do Ceará, verificou que, somente em Canindé, em 25% das localidades estudadas foram
observados problemas de erosão e salinidade nos solos que recebem os rejeitos
(PESSOA, 2000).
Também no Estado do Ceará, verificaram, considerando 79 comunidades com
dessalinizadores em operação, que apenas 20% aproveitavam os rejeitos, muito embora
sem qualquer fundamentação técnico-científica ou econômica para o seu uso, segundo
eles, lavagem de roupa e automóveis constituem a maior freqüência em utilização dos
rejeitos (38%), não se podendo afirmar que as referidas práticas tragam benefício
significativo às pessoas, sendo apenas experiências isoladas e motivadas pela absoluta
falta de água de boa qualidade (PINHEIRO & CALLADO, 2004).
A questão do fim dado ao concentrado se torna muito importante no momento
do projeto, pois, com algumas mudanças, como a redução da taxa de recuperação, pode-
se produzir um concentrado que traga impactos ambientais menores e prolongar a vida
da membrana.
2.7. Principais Equações Empíricas e Fatores que Regem o Processo de Osmose
2.7.1 Pressão Osmótica
A pressão osmótica depende da concentração do soluto, da temperatura da
solução e das espécies de íons presentes. Quanto maior for a concentração da solução,
maior será o valor da pressão osmótica da mesma (BRANDT et al., 1993). A pressão
osmótica nas condições indicadas e conhecidas é dada pela equação seguinte, (Equação
de Van’t Hoff):
π =∑ υ
i
c
i
RT 2.1
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Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 30
___________________________________________________________________
Onde:
π - pressão osmótica da solução iônica em questão (kgf/cm
2
)
υ
i
- carga elétrica do íon i, ou numero de íons formados na dissociação;
c
i
- concentração molar do soluto na solução (mol/L);
R - constante universal dos gases perfeitos (kgf. L/cm
2
mol K);
T - temperatura da solução, absoluta (K).
Esta equação é válida para soluções diluídas. Para soluções concentradas ela é
multiplicada por um coeficiente osmótico que é estimado de dados de pressão de vapor
ou do ponto de congelamento da solução avaliada, no caso, a água. A pressão osmótica
para água salobra, no caso da osmose inversa, é função da concentração de sais e do tipo
das moléculas orgânicas contidas na água de alimentação (AMJAD, 1993).
2.7.2 Fluxo do Permeado
O fluxo do permeado através de uma membrana de osmose inversa é
inversamente proporcional à área da membrana e proporcional à variação de pressão
osmótica e hidráulica (TAYLOR & JACOBS, 1996), é dado pela seguinte equação:
J
W
= k
w *
(ΔP - Δπ) = Q
p
/A 2.2
Onde:
J
w
- fluxo de permeado (L/ cm
2
. min);
K
w
- coeficiente de transferência de massa do solvente (L/ kgf.min);
ΔP - gradiente de pressão aplicada (kgf/ cm
2
);
Δπ - gradiente de pressão osmótica (kgf/ cm
2
);
Q
p
- vazão do permeado (L/min);
A - área de permeação da membrana (cm
2
).
Na osmose inversa os sais dissolvidos e moléculas orgânicas retidas na
superfície da membrana causam o aumento da concentração próxima à superfície
considerada, que, por conseguinte causa aumento no valor da diferença de pressão
osmótica da solução, o que tende a diminuir o fluxo de permeado.
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Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 31
___________________________________________________________________
2.7.3 Fluxo do Concentrado
O transporte de sais através da membrana é proporcional à concentração ou à
diferença de potencial químico, dependendo de concentração e independendo da pressão
aplicada ao sistema (TAYLOR & JACOBS, 1996). Desta maneira, o fluxo do
concentrado pode ser representado pela seguinte equação:
J
i
= k
i
ΔC = Q
p
C
p
/A 2.3
Onde, neste caso:
J
i
- fluxo mássico do soluto (g/cm
2
.min);
K
i
- coeficiente de transferência de massa do soluto (cm/min);
ΔC - gradiente concentração (mg/L);
Q
p
– vazão do permeado (L/min);
C
p
- concentração do permeado (mg/L).
ΔP, Δπ e ΔC são dados por:
ΔP = (P
a
+ P
c
) / 2 – P
p
2.4
Δπ = (π
a
+ π
c
)/2 - π
p
2.5
ΔC = (C
a
+ C
c
)/2 - C
p
2.6
De forma que:
P
a
, P
c
, P
p
são a pressão de alimentação, do concentrado e do permeado,
respectivamente.
π
a
, π
c,
π
p
são a pressão osmótica da alimentação, do concentrado e do permeado,
respectivamente.
C
a
, C
c
, C
p
são a concentração da alimentação, do concentrado e do permeado,
respectivamente.
Δπ pode ser dado ainda por:
( )
[ ]
4
10033,72/
−
∗∗−+=∆
pca
TDSTDSTDS
π
2.7
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Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 32
___________________________________________________________________
Na qual:
Δπ – gradiente de pressão osmótica (kgf/cm
2
);
TDS
a
– sólidos totais dissolvidos na corrente da alimentação;
TDS
c
- sólidos totais dissolvidos na corrente do concentrado;
TDS
p
- sólidos totais dissolvidos na corrente do permeado;
O TDS (Totais de Sólidos Dissolvidos), é dado em mg/L e Δπ é dado em kgf.cm
-
2
. O valor 7,033 x 10
-4
trata-se de um fator de conversão de pressão de lb/pol² para
kgf/cm².
2.7.4 Taxa de Rejeição de Sais (RS)
A taxa de rejeição de sais (RS) demonstra a capacidade da membrana de rejeitar
os sais dissolvidos durante a permeação da água (CHEN et al., 1997). Esta rejeição
ocorre devido a água e os sais terem taxas de transferência de massa diferentes.
( )
[ ]
100/(%) ∗−=
apa
CCCRS
2.8
Onde:
RS% - taxa rejeição de sais;
C
a
- concentração de alimentação (mg/L);
C
p
- concentração do permeado (mg/L).
A taxa de rejeição de sais indica a efetividade da remoção de sais e outras
espécies químicas pela membrana. Os valores de rejeição variam de 90 a 99,8%,
dependendo do tipo de membrana utilizada e da água de alimentação
(HYDRANAUTICS, 2002).
2.7.5 Fluxo de Passagem de Sais (PS)
Este fluxo é oposto a rejeição de sais e é porcentagem do sal na água de
alimentação que atravessa a membrana, é calculado de acordo com a seguinte equação:
2.9
Onde:
PS – passagem de sais (%);
Ana Karla Crispim Soares
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 33
___________________________________________________________________
C
a
– concentração inicial de sais dissolvidos na corrente de alimentação (mg/L);
C
p
– concentração de soluto na corrente de permeado (mg/L).
Se a rejeição de sais tiver um valor muito alto, a passagem de sais pela
membrana tem um valor pequeno sendo, portanto, valores inversamente proporcionais
que indicam capacidade de remoção e quantidade de sais na água a ser permeada.
2.7.6 Balanço de Massa
O balanço de massa para um sistema de dessalinização é apresentado ou
indicado pela equação seguinte;
QaCa = QpCp + QcCc 2.10
Onde:
Qa – vazão de alimentação (m
3
/h);
Ca – concentração inicial de sais dissolvidos na corrente de alimentação (mg/L);
Qp – vazão do produto (m
3
/h);
Cp – concentração de sais dissolvidos na corrente de produto (mg/L);
Qc – vazão do concentrado (m
3
/h);
2.7.7 Recuperação
A recuperação do sistema r(%) refere-se à razão da água convertida em água
purificada ou permeada Q
p
, e depende de vários fatores, como a formação de
incrustações na superfície das membranas, pressão osmótica e a qualidade do permeado.
Esta recuperação do sistema é dada pela seguinte expressão (BYRNE, 2002):
2.11
Onde:
r - nível de recuperação do sistema
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Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 34
___________________________________________________________________
Q
p
- vazão do permeado (m
3
/h)
Q
a
- vazão da alimentação (m
3
/h)
Se o fluido é incompressível e a solução é diluída, a densidade C
é constante,
então:
2.12
Onde: C
a
, C
p
e C
c
são a concentrações da alimentação, do permeado e do concentrado,
respectivamente, e Q
c
é o fluxo volumétrico do concentrado.
A recuperação máxima em qualquer instalação de osmose inversa depende dos
componentes presentes na água de alimentação, da pressão aplicada, da área de
transferência de massa e do tipo de membrana utilizada no processo (SILVEIRA, 1999).
Com o aumento do nível de recuperação do sistema, mais água bruta é
convertida em produto. Isto reduz o volume da água a ser rejeitada e,
conseqüentemente, aumenta o valor da concentração de sais dissolvidos na corrente de
rejeito, assim com a possibilidade de sua precipitação na superfície da membrana.
2.7.8 Consumo de Energia
A partir de 1995, o consumo de energia por m³ de água filtrada foi reduzido
consideravelmente. Tal redução ocorreu, em parte, pelo aumento da capacidade
instalada por arranjo de membranas, que permitiu uma melhor otimização hidráulica da
planta, e pelo aumento da eficiência energética do bombeamento, pela instalação de
sistemas rotação variável em bombas de alta pressão (HOFERT, 1999).
Vejamos alguns avanços que estão contribuindo para a diminuição dos custos de
dessalinização de águas marinhas.
• Redução dos custos de produção e melhoria da qualidade das membranas
pela automação do processo de produção;
• Mais área de membrana por modulo;
• Aumento significativo da produtividade dos módulos;
• Melhor rejeição de sais;
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Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 35
___________________________________________________________________
• Aumento da resistência ao cloro;
• Operação estável a pressões mais elevadas.
O custo de energia elétrica para operação de membranas é o elemento mais
importante dos custos de operação e manutenção de sistemas de dessalinização de águas
salobras, operadas com membranas convencionais.
O percentual de custos de diferentes componentes de operação e manutenção de
unidades de dessalinização de águas salobras pode ser observado na (Figura 2.7).
A equação empírica que geralmente é usada para calcular a energia gasta durante
o processo de dessalinização é dada por (TAYLOR & JACOBS, 1996):
Eemp = H.(0.00315)/r.ηb.ηm 2.13
Onde:
Eemp – Energia empírica consumida (kWh/m³);
H – altura do nível da coluna de alimentação (m);
r – recuperação do sistema (%);
ηb – eficiência da bomba (%);
ηm – eficiência do motor (%);
(0.00315) – fator de conversão de energia para plantas de osmose inversa para kWh/m³
(TAYLOR & JACOBS, 1996).
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Figura 2. 7: Porcentagem de custos de diferentes componentes de operação e manutenção
de unidades de dessalinização de águas salobras.
Fonte: (FILTEAU & MOSS, 1997).
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 36
___________________________________________________________________
Na prática, para os sistemas de dessalinização que estudamos, o consumo de
energia é dado pela razão entre a potência consumida pela bomba e a vazão do
permeado (OLIVEIRA, 2002). Vejamos a equação simplificada:
Ep = Pot/Qp 2.14
Onde, neste caso:
Ep – consumo de energia prático (kWh/m³);
Pot – potência ativa consumida pelo sistema (W);
Qp – vazão do permeado (m³/h).
A potência ativa consumida pelo sistema é dada por:
Pot =V*I 2.15
Na qual:
V – tensão elétrica (volt)
I – corrente elétrica (ampére)
2.8 – Energia Solar
O sol é fonte de energia renovável, o aproveitamento desta energia tanto como
fonte de calor quanto de luz, é uma das alternativas energéticas mais promissoras para
enfrentarmos os desafios do novo milênio.
A energia solar é uma fonte inesgotável e gratuita que deve ser explorada ao
máximo, principalmente em zonas tropicais que dispõem de alta incidência de radiação,
o que torna viável a transformação de energia solar em energia elétrica, química,
mecânica, térmica, etc.
Vivemos todos os dias em contato com a energia mais expressiva do planeta, a
do sol. E o Brasil tem fortes motivos para utilizar essa energia oferecida em abundância,
já que é um dos países mais ricos no mundo em incidência de raios solares,
principalmente nas regiões Norte e Nordeste. Apesar disso, a geração de energia solar é
ainda pequena e um dos principais motivos é a falta de investimentos em pesquisas para
Ana Karla Crispim Soares
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 37
___________________________________________________________________
desenvolver sistemas mais eficientes, que poderiam assegurar o uso eficiente da energia
solar.
A Energia Solar soma características vantajosamente para o sistema ambiental,
pois o Sol, trabalhando como um imenso reator à fusão, irradia na Terra todos os dias
um potencial energético extremamente elevado e incomparável a qualquer outro sistema
de energia, sendo a fonte básica e indispensável para praticamente todas as fontes
energéticas utilizadas pelo homem.
A conversão direta de energia solar em eletricidade tem sido objeto de estudo
desde o fim do século XIX. O efeito fotoelétrico foi descoberto em 1890, quando
Lenrich Hertz, testando a teoria eletromagnética da luz proposta por Maxwell,
verificando a existência de ondas eletromagnéticas quando uma placa metálica era
exposta à luz ultravioleta.
Em 1950, foi descoberto que certos materiais denominados de semicondutores
tinham a propriedade de converter eletricidade quando expostos à luz, principalmente a
luz solar.
Em 1954, nos Laboratórios de Bell Telephone, nos Estados Unidos, foram
desenvolvidos pastilhas de silício, onde se viu que o silício tem uma eficiência de 10
vezes mais, do que as outras substâncias, na transformação de luz em eletricidade. Em
1955, em Phoenix, no Arizona, ocorreu a primeira apresentação pública de células
fotovoltaicas para a geração de eletricidade.
Desde então, o silício mostrou ser o material mais barato e eficiente para a
produção de eletricidade através do efeito fotovoltaico, aonde vem sendo o elemento
mais comercializado para a produção de painéis fotovoltaicos.
A transformação da radiação eletromagnética em energia elétrica é feita por
células fotovoltaicas, ou células solares, que podem ser entendidas como dispositivos
semicondutores que produzem uma corrente elétrica quando expostos à luz.
Um conjunto de células fotovoltaicas interligadas forma um módulo, (Figura
2.8). Os módulos são encapsulados com materiais que garantem rigidez mecânica que
protegem as células contra danos e condições climáticas, e evitam que a umidade do ar
atinja os contatos elétricos e conduzem bem o calor, para reduzir a temperatura de
trabalho das células.
Ana Karla Crispim Soares
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 38
___________________________________________________________________
A energia solar para dessalinização é uma idéia atrativa em todas as partes do
mundo onde a água potável é escassa, e particularmente em áreas remotas sem
eletricidade, mas o mar e o sol são abundantes para este tipo de tecnologia. Nas últimas
décadas a energia solar vem sendo muito promissora para os dessalinizadores,
particularmente por pequenos sistemas onde outras tecnologias são competitivas
(THOMSON & INFIELD, 2002).
Realmente os dessalinizadores de osmose inversa e energia solar de pequeno
porte vêm sendo bem sucedidos. Infelizmente, entretanto, o sistema entre outros,
permanece com custos altos, em comparação com sistemas de osmose inversa
alimentados por eletricidade ou diesel.
Os projetos para estes sistemas tendem requerer melhores arranjos dos painéis
fotovoltaicos, para melhorar sua capacidade de dessalinização. Os preços globais de
painéis estão caindo firmemente ano a ano e com o aumento da eficiência das células,
atribuindo assim ao estudo contínuo do projeto (THOMSON & INFIELD, 2002).
Na ilha de Gran Canaria foi instalado painéis fotovoltaicos ligados a um
dessalinizador via osmose inversa de pequeno porte. Isto é, uma solução conveniente
para regiões onde há pequenas quantidades de água potável e energia suficiente para
alimentar os painéis fotovoltaicos, anualmente a média da irradiação solar diária em
uma superfície horizontal está em 5,6 kWh/m
2
. Este valor é representado para regiões
semi-áridas, onde tal energia fornecida alimenta o sistema projetado para produção
Ana Karla Crispim Soares
Figura 2. 8: Painel Fotovoltaico
Fonte: NETTO, 2006
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 39
___________________________________________________________________
diária de água potável de no mínimo 800L/d, onde o sistema proposto permite um
aumento de produção de água por meios de fontes adicionais de energia.
Em 1981 foi instalado na Jordânia e Arábia Saudita um dessalinizador via
osmose inversa e energia solar, que tinha uma energia útil de 8kW, com dois estágios de
membranas, onde produz 3,2 m
3
/d de água potável, e tinha como água de alimentação a
água do mar de concentração 42800ppm, no México, foi instalado células fotovoltaicas
que forneciam 2,5kW, produzindo 1,5m
3
/d, de água potável. Já em uma pequena aldeia
de pesca no Cituis, na costa Norte de Java, foi instalado painéis fotovoltaicos numa
usina elétrica que fornecia 25,5kW, com o objetivo de fazer gelo, preservar o peixe e
produzir água fresca por osmose inversa para 780 habitantes com uma vazão de 12m
3
/d,
com 8 horas de operação (DELYANNIS, 1987).
O sistema de painéis fotovoltaicos é empregado em algumas regiões remotas
para bombeamento de água, fornecimento de energia elétrica para clínicas, escolas, e
umas aldeias pequenas.
Os painéis fotovoltaicos operam a partir de células solares, a conversão da
radiação solar ocorre entre dois eletrodos anexados num sistema liquido ou sólido, onde
absorve a luz solar, onde gera a energia elétrica. Assim o material tem que ser de alta
pureza e de alta perfeição cristalina. O material de célula solar ideal: é constituído de
material não tóxico; fácil para instalação em grandes áreas; uma ótima eficiência do
painel fotovoltaico e longo tempo de estabilidade, no futuro surgiram novas classes de
materiais de células solares orgânicas, do ponto de vista global, isto pode ser
considerado uma vantagem, de alta potência e baixo custo na eficiência da célula solar
(GOETZBERGER et al., 2002).
O silício tem um pequeno problema, onde 50% do custo de um módulo é devido
ao custo da produção de bolachas de silício. A tecnologia presente está relativamente
amadurecendo, mas vários estudos têm mostrado que isto ainda pode ter uma redução
nos custos. Simulações mostraram que os parâmetros ideais para uma alta eficiência,
apontam que com o descrever da espessura da célula a voltagem do circuito aberto
aumenta, devido à corrente reduzir, que é resultado da geometria dos painéis
(GOETZBERGER et al., 2002).
Performance de um sistema de energia solar sem armazenamento de energia
composto de um painel fotovoltaico, um motor e uma bomba (LOXSOM et al., 1994).
Ana Karla Crispim Soares
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 40
___________________________________________________________________
Há duas possibilidades para este tipo de sistema sem armazenamento de energia: em
altos níveis de insolação, a energia solar fornecida pelos painéis é suficientemente alto
para ter um bombeamento da água, já em baixos níveis de insolação este valor diminui,
temos um caso simples onde o valor de bombeamento é linearmente relacionado à
insolação do ambiente.
A partir deste sistema, pode-se recolher os dados a cada hora e assim estimar a
radiação total diária e mensal do ambiente.
No Brasil em cada m² de solo, irradia em um ano aproximadamente 1.500
quilowatt-hora de energia. Esta energia pode ser transformada em outras formas úteis
como, por exemplo, em eletricidade. É preciso tirar vantagem por todos os meios
possíveis desta inesgotável fonte de energia que pode nos tornar independente do
petróleo ou de alternativas menos seguras, mais caras, com preços atrelados ao dólar.
Porém, ainda existem problemas a superar. É preciso lembrar que esta energia é sujeita
a flutuações e variações. Por exemplo, a radiação é menor no inverno, quando mais
precisamos dela. É muito importante continuar buscando tecnologia de recepção,
acumulação e distribuição da energia solar. No ano de 2004, o Sol irradiou na Terra
quatro mil vezes mais energia que do que foi consumido. O Brasil possui os mais
elevados índices mundiais dessa fonte de energia. A incidência solar na área do Distrito
Federal, corresponde a produção energética de 162 Itaipus, conforme dados da
ABRAVA (www.fabioenergia.hpg.com.br) 04/05/2004.
O atendimento de comunidades isoladas tem impulsionado a busca e o
desenvolvimento de fontes renováveis de energia. No Brasil, por exemplo, 15% da
população não possui acesso à energia elétrica. Coincidentemente, esta parcela da
população vive em regiões onde o atendimento por meio da expansão do sistema
elétrico convencional é economicamente inviável. Trata-se de núcleos populacionais
esparsos e pouco densos, típicos das regiões Centro-Oeste, Nordeste e Norte.
No Brasil a geração de energia elétrica por conversão fotovoltaica teve um
impulso notável, através de projetos privados e governamentais, atraindo interesse de
fabricantes pelo mercado brasileiro. A quantidade de radiação incidente no Brasil é
outro fator muito significativo para o aproveitamento da energia solar.
Atualmente o custo das células solares é um grande desafio para a indústria e o
principal empecilho para a difusão dos sistemas fotovoltaicos em larga escala. A
Ana Karla Crispim Soares
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 41
___________________________________________________________________
tecnologia fotovoltaica está se tornando cada vez mais competitiva, tanto porque seus
custos estão decrescendo, quanto porque a avaliação dos custos das outras formas de
geração está se tornando mais real, levando em conta fatores que eram anteriormente
ignorados, como a questão dos impactos ambientais.
2.9 – Histórico da Geração Fotovoltaica
As primeiras aplicações do efeito fotovoltaico foram para o uso espacial, como
fonte de eletricidade para satélites, no final da década de 50. Já os primeiros estudos
datam de 1839, ano em que Edmund Becquerel descobriu o efeito fotovoltaico do
silício, quando ele produziu uma corrente, expondo eletrodos de prata à radiação solar
em um eletrólito. Contudo, a primeira célula produzida foi com selênio em 1883 por
Fritts e Uljanin. O descobrimento do transistor por Shockley em 1949, fatos que
marcaram o início da era do semicondutor, possibilitou o desenvolvimento da
tecnologia fotovoltaica. Na década de 70, com a chamada crise do petróleo, se iniciaram
as primeiras aplicações para uso terrestre (GOETZBERGER et al., 1998).
Desde então, a indústria fotovoltaica mundial tem demonstrado um crescimento
médio do setor (últimos 4 anos) de quase 39% ao ano, chegando a 48% ao ano, quando
se analisa somente o mercado Europeu. Em 2003, a produção mundial alcançou os
744,08 MW, desses quase 49% vieram do Japão, como mostra a curva de crescimento,
mundial e dividido por país, da (Figura 2.9).
Ana Karla Crispim Soares
Figura 2.9: Evolução da produção mundial de módulos FV
Fonte: MAYCOCK, 2004.
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 42
___________________________________________________________________
2.10 – Conversão Fotovoltaica
A conversão fotovoltaica consiste na transformação direta da energia luminosa
do sol em energia elétrica, utilizando captadores denominados fotocélulas (BEZERRA,
2001).
As fotocélulas constituem um campo altamente promissor do aproveitamento da
energia solar, cuja viabilidade técnica já foi comprovada no suprimento de energia
necessária ao funcionamento dos aparelhos elétricos e eletrônicos instalados nos
engenhos espaciais lançados em órbita (PALZ,1981).
Apesar das sofisticadas tecnologias que vêm sendo empregadas na construção
das células solares, elas ainda não conseguiram um estágio de desenvolvimento
industrial que as tornassem totalmente competitivas, apenas para algumas aplicações
como: as bóias de navegação, faróis e as estações meteorológicas automáticas.
O princípio de funcionamento da célula fotovoltaica (Figura 2.10) baseia-se na
propriedade que alguns materiais (principalmente os cristais) têm, quando devidamente
manuseados, de gerar uma corrente elétrica quando neles incide um feixe de luz. Estes
materiais são denominados de semicondutores, que são substâncias isolantes a
temperaturas muito baixas, mas condutores elétricos a temperatura ambiente
(ACIOLI,1994). Quando estes semicondutores são submetidos à ação de um feixe
luminoso, liberam elétrons, produzindo uma corrente contínua. Ao liberar os elétrons,
os lugares por eles ocupados na rede do cristal recebem o nome de vazios, aos quais se
atribui simbolicamente uma carga positiva. O deslocamento dos elétrons na rede do
cristal se faz até que eles se combinem com os átomos incompletos e preenchendo assim
os vazios. Nos cristais puros os elétrons e os vazios, são em igual número e, portanto as
recombinações são freqüentes dando origem a uma fraca condutibilidade.
Para melhorar a condutibilidade é feita uma dopagem, ou seja, são introduzidas
no cristal pequenas quantidades de impurezas constituídas por átomos que possuam um
número de elétrons de valença diferente do cristal, fazendo com que os elétrons
circulem mais livremente.
Quando o número de elétrons está em excesso, tem-se um semicondutor do tipo
n. E quando o excesso é de vazios, tem-se um semicondutor positivo tipo p. Então,
quando é feita a dopagem há a formação de duas regiões: uma rica em elétrons e outra
Ana Karla Crispim Soares
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 43
___________________________________________________________________
rica em vazios. Entre estas duas regiões forma-se uma junção p-n, região de pequena
espessura no qual a condutividade passa do tipo p para o tipo n. Portanto, quando a
superfície do semicondutor for exposta aos raios solares, os elétrons passam pela junção
p-n em direções opostas, surgindo assim um campo elétrico (
Ε
) de p para n,
conseqüentemente dando origem a corrente elétrica (GREEN, 2002).
O Si é a matéria-prima mais tradicional o que representa uma maior limitação
em termos de redução de custos de produção. Todas as outras tecnologias estão
baseadas em películas delgadas (filmes finos, com espessura da ordem de 1µm) de
material ativo semicondutor e é neste aspecto que reside o grande potencial de redução
de custos que estas tecnologias detêm. Filmes finos para aplicações fotovoltaicas estão
sendo desenvolvidos para a conversão de energia elétrica por apresentarem baixos
custos de produção decorrentes das quantidades diminutas de material envolvido, das
pequenas quantidades de energia envolvidas em sua produção, do elevado grau de
automação dos processos de produção (grande capacidade de produção) e seu baixo
custo de capital (RUTHER, 1996). A luz solar contém relativamente pouca energia, se
comparada a outras fontes energéticas, os painéis solares fotovoltaicos têm de ter um
baixo custo para poder produzir energia elétrica a preços competitivos.
Ana Karla Crispim Soares
Figura 2.10: Célula Fotovoltaica
Fonte: HIMALAYA, 2007
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 44
___________________________________________________________________
2.11 – Aplicações da Energia Fotovoltaica
As fotocélulas possuem os mais diversos empregos, tanto no campo espacial
quanto no campo terrestre.
No campo espacial possuem aplicação na geração de eletricidade para
equipamentos lançados ao espaço (nos satélites).
No campo terrestre estas aplicações podem, a grosso modo, ser divididas em
duas categorias:
produtos de consumo;
sistemas autônomos.
Na categoria de produtos de consumo estão incluídos as calculadoras, relógios,
brinquedos, pequenos carregadores de baterias, televisores portáteis e aparelhos de uso
doméstico (alarmes, iluminação, etc.).
Os sistemas autônomos também abarcam uma vasta gama de aplicações, tanto
rurais como urbanas, tais como: uso em residências, sistemas comerciais e agrícolas que
não estejam conectados com a rede elétrica. Dentro desta categoria, as aplicações mais
comuns são para: telecomunicações, bombeamento de água para consumo ou irrigação,
sensoriamento remoto, sinalizações (bóias, faróis, linhas de trem, etc.), cerca elétrica,
iluminação pública, alimentação elétrica de residências ou postos de saúde, sistemas de
dessalinização, entre outros (LEÃO et al., 2001).
2.12– Sistemas Fotovoltaicos Autônomos
Os sistemas fotovoltaicos podem ser classificados em três categorias principais:
isolados, híbridos ou conectados à rede elétrica. A utilização de cada uma dessas opções
vai depender do tipo de aplicação e da disponibilidade de recursos energéticos. Os
sistemas fotovoltaicos autônomos são sistemas que não estão conectados à rede elétrica,
mas podem ou não apresentar fontes de energia complementar à geração fotovoltaica.
Quando o sistema não se restringe somente à geração fotovoltaica, dizemos que
o sistema é híbrido. Quando o sistema não é interligado a rede elétrica comercial,
puramente fotovoltaico, ele é denominado de sistema isolado.
Ana Karla Crispim Soares
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 45
___________________________________________________________________
Sistemas fotovoltaicos autônomos, híbridos ou isolados, em geral, necessitam de
algum tipo de armazenamento. Este armazenamento pode ser feito por meio de baterias,
energia potencial gravitacional (sistemas de bombeamento de água), produção de
hidrogênio, ar comprimido, etc.
Além deste armazenamento, os sistemas autônomos híbridos necessitam de um
controle que integre os vários geradores de forma a otimizar a operação. Existem várias
configurações possíveis, assim como estratégias de uso de cada fonte de energia.
2.13 – Vantagens das Células Solares Fotovoltaicas
As células solares fotovoltaicas apresentam uma série de vantagens que fazem
com que a sua procura cresça cada vez mais. Entre estas, podemos citar: funcionamento
silencioso, simples e confiável; fonte renovável de energia elétrica; maior potência por
unidade de área; instalação simples; compacto e potente; construção reforçada e
duradoura; não possui partes móveis que podem se desgastar, sistema de baixa
manutenção, sistema modular leve; compatível com qualquer bateria; grande vida útil
(em torno de 20 anos); energia solar como combustível; converte energia mesmo em
dias nublados; fornece tensões de 12, 24, 36 e 48 volts (corrente contínua), dependendo
da necessidade; tem fácil manuseio e transporte, podendo ser ampliado conforme sua
necessidade; oferece baixo impacto ambiental,etc. (OLIVEIRA, 2002).
2.14 – Configurações dos Painéis
A configuração dos painéis depende da potência e tensão desejada, assim será
escolhida a ligação em série e/ou paralelo.
As ligações em série permitem a obtenção de uma maior tensão por uma
corrente constante enquanto as ligações em paralelo permitem obter uma maior corrente
por uma tensão constante. Logo, as ligações em série serão vantajosas para aparelhos
que precisam utilizar baixa corrente e alta tensão e as ligações em paralelo serão
favoráveis ao uso de equipamentos que necessitam de baixa tensão e alta corrente.
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Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 46
___________________________________________________________________
2.15 – Sistemas com carga CC sem armazenamento
Neste tipo de configuração a energia elétrica é usada no momento da conversão
por efeito fotovoltaico em equipamentos que operam em corrente contínua. Um
exemplo deste tipo de uso é em sistemas de bombeamento de água com bombas com
motor de corrente contínua. A (Figura 2.11) mostra um esquema de blocos deste tipo de
configuração.
2.16 – Sistema de Conversão Fotovoltaica
O sistema de conversão fotovoltaica engloba todo o agrupamento de módulos
em painéis fotovoltaicos e outros equipamentos convencionais. Este sistema resume-se
basicamente a três blocos (Figura 2.12): o módulo fotovoltaico, o controlador de
potência, outros equipamentos, como fiação, diodos de proteção, sistemas de consumo
da energia obtida (cargas).
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ARRANJO
FOTOVOLTAICO
EQUIPAMENTO
CC
Figura 2.11: Sistema fotovoltaico com carga CC sem
armazenamento
Figura 2.12: Sistema fotovoltaico básico em blocos
MÓDULO
CONTROLADOR DE
POTÊNCIA
CARGAS
FOTOVOLTAICO
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 47
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2.17 – Módulo Fotovoltaico
Um módulo fotovoltaico normalmente é simplificado como um conjunto de
células fotovoltaicas iguais (Figura 2.13), trabalhando sobre a mesma radiação e
temperatura. Entretanto, quando acontece de uma ou mais células estarem danificadas
ou estarem submetidas a uma radiação inferior às demais, como no caso de um
sombreamento por um galho de árvore, ocorre a geração de pontos quentes. Isso ocorre,
porque a célula mal iluminada ou com defeito encontra-se polarizada inversamente,
passando a funcionar como carga. A célula não foi fabricada para dissipar essa energia
e, quando a temperatura na célula supera os 85 °C, corre-se o risco de diminuir a vida
útil ou mesmo danificar irreversivelmente o módulo fotovoltaico.
O módulo é a unidade básica de todo sistema de geração de eletricidade
fotovoltaica. O módulo é composto de células conectadas em arranjos que produzem
tensões e correntes suficientes para o aproveitamento prático da energia, já que cada
célula tem (15x15cm
2
) só pode fornecer cerca de 1,0 -1,5 W com tensão de 0,5 V.
• Tensão de circuito aberto e corrente de circuito aberto
Quando um módulo está posicionado na direção do sol, a tensão pode ser
medida entre os terminais positivos e negativo de um voltímetro. Se não houver, ainda,
nenhuma conexão de qualquer equipamento ao módulo, a corrente não flui; então esta é
denominada de tensão de circuito aberto (Vca).
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Figura 2.13: Configuração da célula solar
Fonte: HIMALAYA, 2007
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 48
___________________________________________________________________
A corrente deve ser medida por um amperímetro; e ainda sem as conexões de
qualquer equipamento, se ligarmos os terminais de um módulo diretamente, haverá uma
corrente fluindo, a qual será denominada de corrente de curto-circuito (Icc); neste caso a
tensão é zero.
• Arranjo dos módulos
Os módulos, assim como as células em um módulo, podem ser conectadas em
ligações série e/ou paralelo, dependendo da potência e tensão desejadas.
A conexão em série dos dispositivos fotovoltaicos é feita de um terminal
positivo de um módulo a um terminal negativo de outro, e assim por diante.
Quando a ligação está em série (isto é idêntico para células, módulos e painéis)
as voltagens são adicionadas e a corrente não é afetadas, ou seja:
V = V
1
+ V
2
+ ... + V
n
2.16
Ι
=
Ι
1
=
Ι
2
= ... =
Ι
n
2.17
Ao assumir-se as correntes individuais iguais, significam considerar-se módulos
idênticos sob as mesmas condições de radiação e temperatura.
Dispositivos conectados em paralelo compreendem ligações de terminais
positivos juntos e terminais negativos juntos.
A conexão em paralelo causa adição das correntes enquanto que a tensão
continua a mesma, ou seja:
Ι
=
Ι
1
+
Ι
2
+ ... +
Ι
n
2.18
V = V
1
=V
2
= ... = V
n
2.19
Assumindo que as tensões individuais sejam iguais, significam considerarem-se
módulos idênticos sob as mesmas condições de radiação e temperatura.
Para proteger o painel dos possíveis agentes externos (danos e condições
climáticas) é necessário revesti-los com alguns elementos, como:
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Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 49
___________________________________________________________________
Cobertura exterior de vidro, que tem como função principal proteger as células e
facilitar ao máximo a transmissão da irradiação solar. Caracterizam-se por sua
resistência, alta transmissividade e baixo conteúdo em ferro.
Encapsulante, de silicone ou mais freqüentemente EVA (acetato de etileno
vinil). É especialmente importante que não seja afetado em sua transparência
pela contínua exposição ao sol, buscando-se ademais um índice de refração
semelhante ao do vidro protetor para não alterar as condições de irradiação
incidente.
Lâmina ou proteção posterior que igualmente deve prestar uma grande proteção
frente aos agentes meteorológicos. Usualmente se empregam lâminas formadas
por distintas chapas de materiais, de diferentes características.
Marco metálico de alumínio ou aço inoxidável, que assegure uma suficiente
rigidez ao conjunto, incorporando os elementos de captação e proteção a
estrutura exterior do painel.
Fiação e bornes de conexão habituais nas instalações elétricas, protegidas da
intempérie por coberturas de materiais isolante.
Diodo de proteção contra sobrecargas ou outras alterações de funcionamento do
painel.
2.18 – Energia Solar para Sistemas de Dessalinização
A primeira aplicação prática da energia solar fotovoltaica para sistemas de
dessalinização foi na dessalinização de águas, usando a destilação (BEZERRA, 2001).
Estas experiências foram realizadas na Espanha, Argélia, Egito, Canadá, Itália e na
Arábia Saudita.
Embora a osmose inversa e as células fotovoltaicas sejam cada vez mais usadas
em todo o mundo, sua combinação é recente (CARVALHO, 2000). A sua utilização
para dessalinizar água do mar e água salobra foi encontrada em algumas regiões
remotas da Índia, América Latina, África, Austrália e outras. O número de aplicações
cresce aceleradamente, devido à necessidade de água potável para consumo humano
(JOYCE et al., 2001; MOHSEM & JABER, 2001).
Ana Karla Crispim Soares
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 50
___________________________________________________________________
O custo de energia invariavelmente representa cerca de 50 a 75% de custo para a
máquina em operação, apesar da tecnologia e design do dessalinizador, o foco principal
está, portanto no seu consumo de energia. As tecnologias disponíveis não oferecem
muitas possibilidades de reduzir o consumo de energia, para assim baixar o custo de
água dessalinizada, mas através, dos conhecimentos da engenharia pode-se alcançar a
eficiência destes custos, para isso deve-se focar um estudo sobre a eficiência da energia
(MESA et al., 1996).
Diferentes simuladores estão disponíveis para modelar a eficiência, as
necessidades energéticas e, finalmente, o custo e as limitações de produção de água
potável, utilizando sistemas de dessalinização de osmose inversa de pequeno porte
(FRANÇA et al., 2000).
Para ser econômico, um sistema de dessalinização usando energia solar
fotovoltaico requer um projeto do sistema perfeitamente eficiente em termos de
consumo de energia, tendo em vista os custos relativamente altos dos painéis
fotovoltaicos.
O primeiro sistema (LABDES) de dessalinização via osmose inversa usando
painéis fotovoltaicos foi montado e testado (LUCENA FILHO, 2000). O sistema de
dessalinização de pequeno porte fez uso de um arranjo de três membranas 2514 em série
com um motor de corrente alternada. Nesse sistema, a pressão variou de 3 kgf/cm² a 15
kgf/cm² e a água de alimentação de 4,6mg/L a 10000mg/L, o trabalho buscou com este
procedimento determinar a tensão e a corrente elétrica mínima onde o sistema pudesse
operar, os resultados obtidos mostraram que o consumo de energia era de
aproximadamente 6,0 kWh/m
3
, valor este considerado alto, sendo assim o sistema de
dessalinização necessitava partir para testes experimentais utilizando painéis
fotovoltaicos, tendo em vista que o sistema possuía condições de funcionar com outra
fonte de energia.
Foi analisados e ilustrados por LABORDE et al (2001) quais os parâmetros num
sistema de dessalinização OI de pequeno porte que afetam o consumo energético e
devem ser otimizados e há dois componentes críticos: as bombas de alta pressão,
combinada com o motor elétrico, e a configuração do arranjo das membranas, estes
afetam crucialmente o consumo de energia do sistema.
Ana Karla Crispim Soares
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 51
___________________________________________________________________
Em seguida (OLIVEIRA, 2002) desenvolveu um sistema experimental de
pequeno porte para dessalinizar águas salobras via o processo de osmose inversa usando
energia solar fotovoltaica para acionar uma motor-bomba de alta pressão, de corrente
contínua. Esse sistema operou com solução de cloreto de sódio de concentração de
1000mg/L a 4000mg/L para as pressões de 4,0 kgf/cm² a 10,0 kgf/cm². O sistema tinha
a capacidade de produzir até 200 litros de água potável por hora durante 6 horas de
radiação solar, valor bastante significativo para atender pessoas que se encontram
desprovidas de água e apresentou o menor um consumo de energia de 1,5 kWh/m³.
Considerando que a água gerada pelo processo seja somente para beber, o
protótipo poderá abastecer em torno de 300 pessoas por dia (OLIVEIRA, 2002).
OLIVEIRA, 2007 desenvolveu um sistema de maior capacidade, fazendo uso de
um gerador fotovoltaico com a utilização de um circuito eletrônico, no qual substituiu
os acumuladores de carga (baterias). A ausência do banco de baterias proporcionou uma
redução dos custos e de manutenção, entretanto o sistema tornou-se subordinado às
condições instantâneas da radiação solar e da temperatura ambiente. Esse sistema
operou com solução de cloreto de sódio de concentração de 1000mg/L a 2500mg/L e
água de poço com concentração de 3800mg/L. A pressão máxima obtida foi de 8,2
kgf/cm², mesmo com a grande variação de tensão em função da irradiação solar, o
sistema mostrou condições técnicas de produzir 0,25 m³/h de água dessalinizada.
A fim de aperfeiçoar a pesquisa na área de dessalinização e energia fotovoltaica
propomos dar continuidade ao trabalho iniciado por (OLIVEIRA, 2007) com algumas
modificações, como: aumento do número de painéis fotovoltaicos, inclusão de uma
válvula de alivio com intuito de minimizar as alterações na pressão e operação do
sistema com soluções de cloreto de sódio na faixa de concentração de 1000mg/L a
2000mg/L.
2.19 – Experiências Mundiais em Unidades OI-FV
A crescente escassez de água potável e energéticos aponta positivamente para
soluções que utilizem o potencial energético local sem degradar o meio ambiente. A
união dessas duas tecnologias modulares, a fotovoltaica e a osmose inversa, possibilita a
obtenção de água potável em locais remotos onde a energia solar é abundante.
Ana Karla Crispim Soares
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 52
___________________________________________________________________
Na atualidade, os sistemas fotovoltaicos encontra-se em rápido crescimento na
Europa, Estados Unidos e Japão, devido à expansão das instalações residenciais
interligadas a rede ( RIFFEL, 2005)
Na Austrália, em muitas regiões remotas, a população consome água de poço
com concentração de sais variando de 1.500 mg/L a 5.000 mg/L. Um pequeno sistema
de dessalinização foi desenvolvido usando painéis fotovoltaico para obter água potável.
O sistema de dessalinização utilizado é baseado num sistema híbrido de membranas
(NF ou OI) e um pré-tratamento com membranas de UF. A energia utilizada no motor-
bomba é proveniente de painéis fotovoltaicos. Os resultados mostraram que utilizando a
água de alimentação de 2.000 mg/L NaCl produziu 40 L/h de água potável e operando a
uma pressão de 9 bar foi necessário uma potência elétrica de 90 W. A quantidade de
energia requerida para produzir 1 litro de água potável variou de 2 a 8 kWh/m³,
dependendo da salinidade da água de alimentação e das condições de operação do
sistema (RICHARDS, 2003).
Na Tunísia de acordo com as estatísticas da Autoridade Nacional de Água mais
de 51% dos recursos de água disponível têm uma salinidade que varia entre 1.500 mg/L
a 3.000 mg/L. Um pequeno sistema experimental de dessalinização foi desenvolvido
usando painéis fotovoltaico. O sistema é composto de uma membrana em espiral de
polyamida, os painéis fotovoltaicos, pré-tratamento e pós-tratamento. O sistema operou
numa pressão de 5 bar e a produção de permeado foi de 1,2 L/h, produção relativamente
abaixo da capacidade nominal que é de 50 L/d (BOUGUECH, 2004).
No Jordânia foi instalado um sistema experimental para avaliar o desempenho de
uma planta de dessalinização usando sistema de energia fotovoltaica. De acordo com a
análise de qualidade da água salobra fornecida pela Agência Internacional de
Cooperação Japonesa (JICA), o total de sólidos dissolvidos varia de 5000 mg/L a
10.000 mg/L. O sistema desenvolvido é constituído de uma membrana de OI, dois
painéis fotovoltaicos, baterias, controlador de carga, inversor, motor-bomba e um
sistema de pré-tratamento. O TDS da água de alimentação utilizado no experimento foi
de 400 mg/L e o pH 7,2. Após a dessalinização, a água potável produzida passou a ter
um TDS de 20 mg/L e o pH de 7,9. Os resultados mostraram que a corrente elétrica e a
voltagem variam de acordo com a hora do dia, mas os valores máximos são obtidos
entre a0h30min e 15h30min, a partir dessa hora, há um decréscimo, afetando
Ana Karla Crispim Soares
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 53
___________________________________________________________________
consequentemente o sistema de dessalinização, onde há uma diminuição na produção do
permeado. O fluxo máximo de permeado obtido foi de 10,8 L/h às 12h30min
(ABDALLAH et al., 2005).
Brasil – Caucaia
A primeira unidade de osmose inversa acionada por módulos fotovoltaicos do
Brasil foi instalada na comunidade de Cuité – Pedreiras em Caucaia (MONTENEGRO,
2001), no estado do Ceará, região Nordeste, onde se encontra uma temperatura anual
média de 28 ºC e um potencial anual de energia solar de cerca de 2.000 kWh/m². Os
componentes principais da instalação são: 8 baterias (12V, 100Ah) com controlador de
carga, 1 membrana de OI (produção de água potável nominal de 250 L/h) e 20 módulos
FV de 55 Wp cada. A planta é equipada com sensores para a medição da radiação solar
global, temperatura ambiente e do módulo, velocidade do vento, fluxo de água potável e
a tensão e a corrente fornecida para as baterias e para o motor. Dois sensores de fluxo
são usados para medir o fluxo de água de alimentação e do concentrado. A (Figura 2.14)
apresenta um esquema com a configuração básica da unidade. Nesse projeto, somente a
energia necessária para acionar o processo da osmose inversa foi suprido pelos módulos
fotovoltaicos; a bomba do poço foi acionada diretamente pela rede convencional de
distribuição.
Ana Karla Crispim Soares
Figura 2.14: Configuração básica da unidade OR-FV pioneira no Brasil
Fonte: RIFFEL, 2005
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 54
___________________________________________________________________
A escolha da localidade para instalar o projeto, pioneiro no Brasil, levou em
consideração a situação do suprimento de água potável e a organização social local. A
comunidade beneficiada conta com uma população de cerca de 150 famílias. O poço da
localidade possui uma concentração de sais da ordem de 1200 mg.L
-1
(água salobra),
considerada imprópria para o consumo humano. A comunidade buscava água potável de
outro local, a aproximadamente 2 km de distância, esse serviço é feito normalmente por
mulheres ou crianças.
Ana Karla Crispim Soares
Capítulo 3 – Experimental 54
___________________________________________________________________
3.0 EXPERIMENTAL
Este capítulo trata da descrição dos materiais e equipamentos utilizados na parte
experimental, bem como o procedimento metodológico utilizado.
O trabalho foi desenvolvido no Laboratório de Referência em Dessalinização
(LABDES) da Universidade Federal de Campina Grande, e concentrou-se em estudar o
desempenho de um sistema de dessalinização via osmose inversa, fazendo uso de
energia não-convencional, sem a utilização de baterias.
3.1 Sistema de Osmose Inversa
O sistema experimental ilustrado na (Figura 3.1) é constituído de um sistema de
dessalinização via osmose inversa acoplado a um sistema de geração de energia elétrica.
3.2 Sistema de Dessalinização via Osmose Inversa
O sistema de dessalinização (Figura 3.2 e Figura 3.3) é constituído por dois
elementos de membranas de osmose inversa do tipo BW30LE-4040 (composto de
poliamida), da FILMTEC, cujas características específicas encontram-se na Tabela 3.1.
Ana Karla Crispim Soares
Figura 3.1: Sistema de dessalinização via osmose inversa
Membranas OI
Sistema de energia solar
Sistema de dessalinização
válvula
Irradiação solar
Painéis
fotovoltáicos
Energia elétrica
(CC)
permeado
Tanque de
alimentação
bomba de
alta pressão
Energia elétrica
motor cc
Filtros
manômetro
manômetro
Circuito
Eletrônico
concentrado
ou rejeitado
Capítulo 3 – Experimental 55
___________________________________________________________________
Estas membranas são inseridas em tubos de alta pressão ou permeador (pressão máxima
de operação 600psi=42kgf/cm
2
e temperatura máxima 49°C). Para recuperar uma
quantidade maior de água, as membranas são colocadas em série. Um motor-bomba de
alta pressão de 1 HP, 90DC / 9,3 A / 746W / 1750rpm da Pacific Scientific, alimentam
as membranas a partir de um tanque de alimentação de capacidade volumétrica de 200
litros. Dois rotâmetros analógicos (1 a 18 LPM) da Purotecn, dois manômetros
analógicos da WIKA (1 a 21kgf/cm
2
e 1 a 4kgf/cm
2
), um tanque de capacidade
volumétrica de 200 litros para receber o concentrado e o permeado durante o processo,
tubos e conexões de PVC, válvulas de retenção e mangueiras plásticas complementam o
sistema hidráulico.
Tabela 3.1: Especificações da membrana de osmose inversa (Apêndice I)
Material Compósito de poliamida
Tipo BW30LE-4040
Configuração Enrolado em espiral
Pressão máxima aplicada 42,18 kgf / cm
2
Vazão máxima de alimentação 3,6 m
3
/ h
Vazão nominal do permeado 8,7 m
3
/ d
Temperatura máxima de operação 45
o
C
pH 2,0 – 11,0
Área nominal da membrana 7,6 m
2
(82ft
2
)
Tempo de vida 5 anos
O sistema de dessalinização estudado operou sem os filtros de acetado de
celulose de 5μm de porosidade. Considerando que os elementos de filtros são outra
fonte de demanda de energia, foi assumida que a água de alimentação decantou antes do
processo para evitar a formação de incrustações. Para os casos onde há de fato a
necessidade de filtros, a posição do recipiente de alimentação pode ficar em uma
posição mais elevada para evitar o uso de um motor-bomba de auxilio. Isso significa
menor consumo de energia durante o processo.
Em resumo dependendo da qualidade da água o processo de operação pode ser
dividido em duas etapas:
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Capítulo 3 – Experimental 56
___________________________________________________________________
(I) Uso da energia dos painéis fotovoltaicos para bombear água para o tanque de
alimentação que possa oferecer uma dada coluna de água para os elementos
de membranas;
(II) Uso da energia dos painéis fotovoltaicos para o processo de dessalinização
sem elementos filtrantes para casos que a água de alimentação possua uma
turbidez menor de que 0,5 UTN (Portaria 518 de 2004 do M.S.).
O sistema de dessalinização tem como objetivo obter água permeada com baixa
salinidade e uma maior recuperação, desta forma na (Figura 3.4) podemos observar que
as membranas estão ligadas em série, sendo assim temos que a água de alimentação do
tanque entra apenas na primeira membrana, produzindo água permeada e água
concentrada. Em seguida a água concentrada da primeira membrana torna-se a água de
alimentação da segunda membrana que também irá produzir água permeada e água
concentrada. Essa ligação em série permite que a primeira membrana sofra um desgaste
menor que a segunda, em virtude da concentração da água de alimentação da segunda
ser maior que da primeira membrana.
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Figura 3.2: Vista Frontal do Sistema
de Dessalinização
Figura 3.3: Vista Lateral do Sistema de
Dessalinização
Capítulo 3 – Experimental 57
___________________________________________________________________
3.3 Sistema de Conversão de Energia Elétrica
A energia elétrica utilizada para o funcionamento da motor-bomba é proveniente
do sistema de conversão de energia, o qual é constituído de painéis fotovoltaicos
(Figura 3.5), do sistema de controle (circuito eletrônico) (Figura 3.6) e do sistema de
medição (Data Acquisition / Switch (Agilent 34979A)) (Figura 3.7).
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Água de Alimentação
Água Permeada
Água do Concentrado
Módulo de Membrana II
Módulo de Membrana I
Água Concentrada
Figura 3.4: Sistema das Membranas
Figura 3.5: Painéis Fotovoltaicos
Capítulo 3 – Experimental 58
___________________________________________________________________
3.3.1 Módulos Fotovoltaicos
Para o funcionamento do sistema de dessalinização utilizando a energia
proveniente dos painéis fotovoltaicos (modelo KC110-1 da Kyocera Corporation –
Tabela 3.2), foram necessários 16 painéis fotovoltaicos na seguinte configuração: 2
conjuntos de 8 painéis ligados em série são conectados em paralelo (Figura 3.8).
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Figura 3.6: Circuito Eletrônico
Figura 3.7: Janela do software Agilent BenchLink (Data Acquisition)
Capítulo 3 – Experimental 59
___________________________________________________________________
Tabela 3.2: Especificações do painel fotovoltaico (Apêndice II)
Potência nominal máxima de saída 110 W
Tensão nominal com circuito aberto 21,1 V
Tensão nominal máxima de saída 76,5 V
Corrente nominal máxima com curto circuito 7,25 A
Corrente nominal máxima de saída 6,67 A
Tensão máxima do sistema 600 V
Área de célula 100 cm
2
O arranjo misto, ou seja, uma parte é constituída de módulos em série e outra em
paralelo.
A corrente resultante na carga, será a soma das correntes de cada um dos
conjuntos de células em série e a tensão resultante será igual à soma das tensões de cada
uma das células contidas em um dos agrupamentos em série.
3.3.2 Sistema de medição
Os primeiros métodos de registro de medidas resumem-se a simplesmente
observar o processo que está sendo ensaiado, ler as medidas apresentadas pelos
instrumentos de medição e anotar os valores numéricos em papel. Este é um método que
implica especial atenção do experimentador na leitura e registro das medidas, além de
ser impreciso os dados e cansativo no caso de experimentos longos e com várias
grandezas sob análise.
Ana Karla Crispim Soares
Figura 3.8: Arranjo dos painéis fotovoltaicos
+
-
Capítulo 3 – Experimental 60
___________________________________________________________________
Seguindo a tendência determinada pelo desenvolvimento dos computadores,
foram sendo projetados sistemas de aquisição capazes de se adequar ao padrão destes
equipamentos. Assim, sistemas completos de aquisição e armazenamento de dados
computadorizados passaram a fazer parte dos recursos dos laboratórios, auxiliando nas
atividades de pesquisa.
Em decorrência do grande desenvolvimento verificado no campo da
microeletrônica, os recursos de aquisição e de processamento dos dados foram sendo
agregados em equipamentos dedicados. Placas de aquisição integradas apresentam
sistemas de condicionamento de sinais, amostragem, conversão e armazenamento, e até
unidades de processamento digital de sinais.
Nos equipamentos que se deseja monitorar, ou controlar, são instalados sensores
que transformam um fenômeno físico em sinais elétricos. Os sinais elétricos produzidos
variam de acordo com os parâmetros físicos que estão sendo monitorados, e devem ser
condicionados para fornecer sinais apropriados à placa de aquisição de dados. Os
acessórios de condicionamento de sinais amplificam, isolam, filtram e excitam sinais
para que estes sejam apropriados às placas de aquisição. Uma vez condicionados e
trabalhados na forma desejada, os sinais podem ser lidos em computadores, com placas
específicas instaladas, e armazenados em diferentes formas, como arquivos de texto.
Foi utilizado o Data Acquisition / Switch (Agilent 34979A) para aquisição dos
dados experimentais em tempo real através de sensores digitais, o qual os dados são
armazenados no computador. Os dados obtidos fazem parte do sistema de energia e do
sistema de dessalinização. Os dados de entrada no “Data Acquisition” são obtidos por:
um manômetro digital (envia sinal para obter a pressão de saída do concentrado) é
importante relatar que a diferença entre a pressão de alimentação e a pressão de saída do
sistema de membranas foi de 1,0 kgf/cm² sendo assim, o monitoramento da variação de
pressão foi tomado na saída do concentrado, dois sensores de vazão (envia sinal para
obter a vazão do permeado e do concentrado), sensores para obter a voltagem (antes e
após o motor-bomba) e a corrente elétrica de entrada do motor-bomba. Os instrumentos
digitais foram conectados ao “Data Acquisition” e o mesmo conectado ao computador a
fim de armazenar os resultados para análise posterior (Figura 3.9).
A taxa de aquisição utilizada pelo equipamento é programável pelo usuário e
varia de alguns millisegundos a segundos, minutos ou até horas. Com este equipamento,
há possibilidade de adquirir até 20 sinais. Utilizou-se 6 canais para a leitura da pressão,
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Capítulo 3 – Experimental 61
___________________________________________________________________
da vazão do permeado, da vazão do concentrado, da corrente elétrica, da tensão de
entrada do motor-bomba e da tensão de saída dos painéis para análise posterior e
representação gráfica posteriormente, analisados graficamente.
3.3.3 Sistema de controle - Circuito eletrônico
O circuito eletrônico desenvolvido tem como objetivo garantir o funcionamento
do sistema de dessalinização alimentado via células fotovoltaicas sem a utilização de
baterias e com isso diminuir consideravelmente o custo do sistema.
Para seu desenvolvimento foram estudados aspectos funcionais de células
fotovoltaicas. Havendo uma incidência solar sobre uma célula fotovoltaica, esta produz
uma potência. A descrição do desempenho de uma célula fotovoltaica é caracterizada
por uma curva tensão versus corrente, obtida para uma dada condição de irradiação,
temperatura e área.
O circuito eletrônico é composto por quatro estágios que trabalham em cascata a
fim de permitir o pleno funcionamento do sistema.
O primeiro estágio trata-se de circuito responsável pela partida lenta do motor,
com isso evitamos um pico de corrente na partida do mesmo, para este circuito usou-se
a topologia de circuitos RC serie. As características básicas alcançadas que se conseguiu
para este circuito foi a de um crescimento em rampa da tensão de alimentação do motor
com um tempo de 8s até atingir o valor máximo de alimentação. Com os testes
realizados com o sistema obteve-se um ótimo desempenho do mesmo.
O segundo estágio é responsável pelo controle de nível de tensão no motor.
Nesta parte do projeto foram utilizados diodos zener como limitadores de tensão. Eles
foram escolhidos com base nas especificações de placa do motor que limita a tensão de
alimentação do mesmo em 90V. Como no comércio não foi encontrado um zener que
atendesse essa especificação de tensão, foi feito um arranjo com diodos a fim de
conseguir este valor.
O terceiro estágio do projeto consta do circuito de potência, responsável por
garantir a corrente de funcionamento do motor tendo como referência a tensão de
controle do segundo estágio. Para esta etapa utilizaram transistores de potência NPN
ligados em coletor comum com resistores de baixo valor no emissor a fim de se evitar
Ana Karla Crispim Soares
Capítulo 3 – Experimental 62
___________________________________________________________________
efeito cascata nos mesmos. Para a especificação dos transistores, novamente usou-se
dados de placa do motor, além de dados técnicos das placas fotovoltaicas do sistema.
O quarto e ultimo estágio do circuito eletrônico trata da proteção do sistema.
Para isso projetou-se um circuito de corte eletrônico baseado no corte e saturação de
transistores de junção bipolar que limita a corrente máxima de operação em 5% a mais
do valor nominal da corrente de alimentação do motor, protegendo assim um dano
elétrico no motor e um dano mecânico na bomba.
3.4 Procedimento Experimental
O sistema dessalinização via osmose inversa fazendo uso dos painéis
fotovoltaicos sem acumuladores foi avaliado o comportamento do sistema com solução
de cloreto de sódio (P.A., Marca VETEC).
Os ensaios foram realizados com concentrações de 1000 mg/L, 1200 mg/L, 1500
mg/L e 2000 mg/L. Durante o processo foram tomadas amostras na entrada da corrente
de alimentação. Para as amostras da corrente da alimentação, além da condutividade
elétrica foi determinado seu potencial hidrogeniônico com o auxílio de um pHmetro
digital da marca Hanna. Em função do volume tratado, os experimentos levaram
aproximadamente de 1 a 6 horas.
A capacidade de produção do permeado e concentrado foram obtidos por meio
de dois rotâmetros e armazenado no computador. Estes valores de fluxo permitem
determinar a recuperação do sistema de acordo com a Equação 2.11. As pressões das
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Figura 3.9: Sistema de armazenamento de dados
Capítulo 3 – Experimental 63
___________________________________________________________________
correntes de alimentação e de saída (concentrado e permeado) foram lidas com o auxílio
de manômetros analógicos e sensores digitais de pressão e armazenados no computador.
Os valores obtidos para as pressões foram provenientes de sinais elétricos. Esses
sinais foram convertidos para kgf/cm² através de um fator de conversão, o qual foi
obtido a partir dos valores das pressões do manômetro analógico do concentrado. Os
valores obtidos para as vazões provenientes de sensores elétricos foram convertidos
para m³/h através de um fator de conversão, o qual foi obtido a partir dos valores
mostrados nos rotâmetros instalados no dessalinizador. Da mesma forma, o Data
Aquisition apresentou medidas da corrente elétrica durante o processo os valores foram
obtidos através de sensores elétricos.
Para determinar a viabilidade do uso da energia fotovoltaica para o sistema de
dessalinização no intervalo de 50 segundos foram tomadas variáveis de medidas
relativos à corrente elétrica, tensão, pressão aplicada ao sistema, vazão do permeado e
vazão do concentrado através da leitura dos sinais elétricos. Com esses dados, podemos
calcular a potência elétrica (watt), o consumo de energia por metro cúbico produzido de
água potável (kWh/m
3
) e a recuperação do sistema (%) a partir das Equações 2.15, 2.14
e 2.11, respectivamente.
O desempenho do sistema foi avaliado para água sintética com concentração de
1.000, 1.200, 1.500 e 2.000 mg/L. O sistema operou com pressões variáveis de acordo
com a oferta de radiação diária.
Após o término das bateladas, as membranas passaram por um processo de
lavagem durante 5 minutos, com água deionizada, com o objetivo de expulsar toda a
solução remanescente, evitando, assim, a precipitação dos sais na superfície da
membrana e possível proliferação de microorganismos.
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Capítulo 4 – Resultados 64
___________________________________________________________________
4.0 – RESULTADOS
Os resultados obtidos nesta etapa serão avaliados e discutidos, onde tais
resultados são oportunos ao processo de dessalinização via osmose inversa alimentado
por energia solar. Os gráficos que representam o comportamento da tensão, corrente,
potência elétrica, pressão, vazões do permeado e concentrado, recuperação do sistema e
consumo de energia com o tempo, para uma solução de cloreto de sódio (NaCl) com
concentração de 1500 mg/L, a pressão inicialmente aplicada ao sistema foi de 5
kgf/cm
2
; sendo que durante o experimento a vazão de alimentação não se manteve
constante, devido a pressão ser variável. Essa vazão de alimentação varia de acordo com
a radiação solar, fazendo com que a tensão de entrada do motor-bomba também seja
variável.
4.1 – Comportamento da Corrente, Tensão da Bomba, Potência e Pressão com o
Tempo
Nas Figuras 4.1 a 4.3 estão representados os comportamentos da corrente
elétrica, tensão elétrica e potência elétrica em função do tempo. Já na figura 4.4 está
representado o comportamento da pressão de operação do sistema em função do tempo.
A Figura 4.1 mostra que durante o experimento houveram variações da corrente
elétrica, em virtude da presença de nuvens, o que ocasionou uma redução da irradiação
solar nos painéis fotovoltaicos. A Figura 4.2 observou-se que a tensão elétrica oscila
com o tempo. A tensão elétrica permanece na faixa de 60 à 70 Volts, exceto em
situações onde provavelmente temos uma incidência de nuvem, o que ocasiona uma
redução no nível de tensão fornecido ao sistema pelos painéis fotovoltaicos. A Figura
4.3 apresenta o comportamento da potência elétrica em função do tempo, esta possui um
comportamento semelhante às Figuras 4.1 e 4.2, tendo em vista que potência elétrica é
diretamente proporcional a corrente elétrica e a tensão do motor. Observa-se nas figuras
que no intervalo de 120 a 160 minutos têm-se uma queda nos níveis de tensão e
corrente, e conseqüentemente de potência elétrica do motor, isto se deve a baixa
incidência solar.
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Capítulo 4 – Resultados 65
___________________________________________________________________
Analisando o comportamento da variação da corrente, tensão e potência elétrica
do motor para todos os experimentos, observaram-se comportamentos semelhantes em
todos os gráficos.
Na Figura 4.4 está representado o comportamento da pressão em função do
tempo para a solução de cloreto de sódio. Observa-se que a pressão varia com o tempo.
Isto se deve ao fato de que a incidência solar durante o experimento não é constante,
que as condições meteorológicas e a concentração da água de alimentação influenciam
diretamente na pressão de operação, entretanto utiliza-se uma válvula de alívio que
limita a pressão do dessalinizador, evitando a sua elevação, além de um ponto ideal
admissível, uma pressão pré-determinada é ajustada para a operação do dessalinizador.
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Figura 4.1: Comportamento da corrente com o tempo.
I= 7,11 A
0 20 40 60 80 100 120 140 160
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
Corrente (A)
Tempo (min)
Capítulo 4 – Resultados 66
___________________________________________________________________
Ana Karla Crispim Soares
Figura 4.2: Comportamento da tensão com o tempo.
V= 65,68 V
0 20 40 60 80 100 120 140 160
10
20
30
40
50
60
70
80
Tensão do Motor (V)
Tempo (min)
Figura 4.3: Comportamento da potência com o tempo.
Pot= 467,76 W
0 20 40 60 80 100 120 140 160
0
100
200
300
400
500
600
Potência (W)
Tempo (min)
Capítulo 4 – Resultados 67
___________________________________________________________________
4.2 – Comportamento das Vazões do Permeado e Concentrado com o Tempo.
As Figuras 4.5 a 4.7 apresentam o comportamento das vazões do permeado, do
concentrado e da alimentação em função do tempo.
Observa-se que na Figura 4.5 a vazão do permeado apresenta-se praticamente constante
durante o experimento, e que o comportamento do mesmo não se encontra dentro do
esperado levando-se em conta que cada membrana utilizada no experimento possui uma
capacidade média de produção de 0,36 m³/h, o sistema tem condições de uma produção
nominal de 0,72 m³/h a pressão de operação de 8,0 kgf/cm
2
(OLIVEIRA, 2007).
A Figura 4.6 a vazão do concentrado e a Figura 4.7 a vazão de alimentação
apresentam comportamento semelhante entre si, possuindo um comportamento diferente
do previsto. O comportamento desse sistema é diferente dos sistemas de dessalinização
convencionais, no qual a tensão de alimentação e a vazão de alimentação são
constantes, portanto a pressão aplicada ao sistema se mantém constante durante todo o
tempo em que o sistema está operando e neste experimento a pressão não se mantém
constante.
Ana Karla Crispim Soares
P= 5,34 bar
0 20 40 60 80 100 120 140 160
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
Pressão (bar)
Tempo (min)
Figura 4.4: Comportamento da pressão com o tempo.
Capítulo 3 – Experimental 68
___________________________________________________________________
A Figura 4.7 é possível perceber que na faixa de 0 a 20 minutos a vazão de
alimentação e a vazão do concentrado apresentou uma variação nas vazões e que na
vazão do permeado quase não houve alteração, isto se deve ao fato de que as vazões do
concentrado e da alimentação são maiores do que a vazão do permeado e desta forma os
sensores eletrônicos não conseguem fazer leitura numa vazão tão pequena. Não se deve
ultrapassar o limite de pressão máxima porque pode provocar problemas de
compactação e precipitação de sais na membrana, aumentando-se, assim, a
concentração de polarização e conseqüentemente a diminuição da vida útil da
membrana.
Ana Karla Crispim Soares
0 20 40 60 80 100 120 140 160
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
Vazão do Permeado (m³/h)
Tempo (min)
Figura 4.5: Comportamento da vazão do
permeado com o tempo.
Figura 4.6: Comportamento da vazão do
concentrado com o tempo.
0 20 40 60 80 100 120 140 160
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Vazão do Concentrado (m³/h)
Tempo (min)
Qc= 0,43
Qp = 0,16
Figura 4.7: Comportamento das vazões com o tempo.
0 20 40 60 80 100 120 140 160
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0,75
Qp
Qc
Qa
Vazões (m³/h)
Tempo (min)
Qa= 0,59
Capítulo 3 – Experimental 69
___________________________________________________________________
4.3 – Comportamento da Recuperação com o Tempo.
Na Figura 4.8 é apresentado o perfil da recuperação do sistema em função do
tempo. Observa-se que na faixa de 130 a 160 minutos tem-se uma elevação no nível de
recuperação, o que pode-se considerar um “falso” resultado, tendo em vista que nos
gráficos anteriores temos um decaimento dos parâmetros avaliados para este mesmo
intervalo de tempo. Este “falso” resultado deve ser proveniente da presença de ar nas
tubulações do sistema o que provoca uma “falsa” leitura dos níveis de recuperação,
dessa forma, faz-se necessário aperfeiçoar o equipamento a fim evitar tais erros
sistemáticos.
Portanto, confirma-se que, com o aumento do nível de recuperação, mais água
salina é convertida em água potável, reduzindo assim o volume de água a ser rejeitada,
aumentando o valor da concentração de sais dissolvidos na corrente do concentrado.
Em alguns casos a recuperação depende do tipo do pré-tratamento aplicado à
água bruta. Podemos citar águas de baixa condutividade térmica, mas ricas em
carbonatos, bicarbonatos ou de alta dureza que podem incrustar nas membranas em
curto espaço de tempo.
Ana Karla Crispim Soares
Figura 4.8: Comportamento a recuperação com o tempo.
R = 23,95%
0 20 40 60 80 100 120 140 160
10
20
30
40
50
60
Recuperação (%)
Tempo (min)
Capítulo 3 – Experimental 70
___________________________________________________________________
4.4 – Comportamento do Consumo de Energia com o Tempo.
A Figura 4.9 apresenta o comportamento do consumo de energia por metro
cúbico de água permeada do sistema em função do tempo. Observa-se que na faixa de
60 a 110 minutos a energia tem um comportamento praticamente constante, isto deve-se
a uma provável redução da densidade de nuvens na atmosfera durante este intervalo de
tempo e desta forma tem-se uma maior incidência solar nos painéis.
O consumo de energia encontra-se diretamente relacionado com a potência
elétrica requerida para um dado tipo de água.
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Figura 4.9: Comportamento da energia com o tempo.
E= 3,56 kWh/m³
0 20 40 60 80 100 120 140 160
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Energia (kWh/m³)
Tempo (min)
Capítulo 4 – Resultados 71
___________________________________________________________________
4.5 – Experimentos
Foram escolhidos quatro experimentos para demonstrar as médias dos resultados
com uma água de alimentação de concentrações entre 1000 mg/L a 2000 mg/l.
Tabela 4.1: Média das variáveis de medidas em função da concentração da solução de NaCl
Concentração (mg/L) 1000 1200 1500 2000
Tempo (min) 60 220 150 200
pH 8,3 7,69 7,63 7,68
Corrente (A) 5,47 7,30 7,11 5,12
Tensão do Motor (V) 72,86 68,18 65,68 73,36
Pressão (bar) 5,67 5,57 5,34 5,57
Recuperação (%) 19,36 26,25 23,95 12,8
Potência (W) 400,76 497,67 467,76 377,06
Energia (kWh/m³) 2,00 3,11 3,56 2,69
Qp (m³/h) 0,20 0,16 0,16 0,14
Qc (m³/h) 0,87 0,45 0,43 0,95
Qa (m³/h) 1,07 0,61 0,59 1,09
Qpr * (m³/toperação) 0,14 0,54 0,33 0,34
Vpr (m³/h) 0,14 0,15 0,13 0,10
(*) Leitura do hidrômetro do volume de água dessalinizada.
Através dos valores obtidos podemos observar que a vazão de alimentação não
permanece constante devido às variações na pressão, desta forma não temos
comportamento linear durante o experimento.
Os experimentos não podem ser comparados entre si, tendo em vista que a
irradiação solar é única no dia do experimento, ou seja, que em dias diferentes a
irradiação solar é diferente. Só seria possível comparar os experimentos se tivéssemos
quatro dessalinizadores idênticos e realizássemos o mesmo experimento com
concentrações diferentes no mesmo dia.
O valor da potência obtida está relacionado com o número de painéis e
diretamente com a “grandeza da incidência solar” naquele momento, ou seja, se a
densidade de nuvens aumentar a potência diminui, mesmo para um dia com bastante de
insolação.
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Capítulo 4 – Resultados 72
___________________________________________________________________
Se tomarmos o valor da pressão média de operação de 5,5 bar a produção de
permeado foi maior para concentração de 1.000 ppm e tende diminuir com o aumento
da concentração de alimentação. E essa afirmação pode ser comprovada com o volume
(praticamente o mesmo) que entrou no sistema para as concentrações de 1.000 e 2.000
ppm.
O V
pr
não é igual ao Q
p
obtido durante o experimento, devido aos erros
sistemáticos e também ao intervalo das leituras dos sensores elétricos, pois num
intervalo de 50 segundos é possível o surgimento de nuvens que afetariam a incidência
solar e fariam com que não houvesse leitura do hidrômetro para o permeado, e desta
forma os sensores não registrariam está ausência de permeado, o que justifica tal
diferenças.
Quanto as médias apresentadas na Tabela 4.1 são verificadas diferenças, em
alguns resultados, quando comparadas com os valores obtidos através das equações
citadas anteriormente para o cálculo destas variáveis em razão dos sucessivos
arredondamentos realizados para estes valores e dos problemas ocasionados pela “falsa”
leitura já exposta.
4.6 – Balanço de Custo de um Sistema de Dessalinização Usando Energia Solar
Fotovoltaica
O sistema de dessalinização via painel fotovoltaico depende de alguns fatores,
tais como infra-estrutura do sistema, tamanho da planta, vazão da água de alimentação,
salinidade da água de alimentação, tipo do processo utilizado, custo de energia,
operação e manutenção.
O balanço de custo foi baseado ao de AHMAD e SCHMID (2002). O período de
20 anos foi definido por ser a expectativa de vida útil dos painéis fotovoltaicos.
Considerando os custos levantados foram para uma comunidade que já possua a
construção do abrigo e a perfuração do poço teremos:
Ana Karla Crispim Soares
Capítulo 4 – Resultados 73
___________________________________________________________________
Quadro 4.1 – Valores dos componentes do dessalinizador com os painéis
QUANTIDADE COMPONENTES VALOR
UNITÁRIO
VALOR
TOTAL
02 Permeador
(Vega Dessalinizadores Ltda)
R$ 400,00 R$ 800,00
01 Motor-Bomba – DC (1Hp)
(Pacific Scientific)
R$ 2.500,00 R$ 2.500,00
02 Membrana
(BW30LE-4040 Filmetc Membranes)
R$ 1.200,00 R$ 2.400,00
02 Hidrômetro
(Cagepa-CG)
R$ 100,00 R$ 200,00
02 Manômetro
(Wika do Brasil Ind. e Com. Ltda)
R$ 60,00 R$ 120,00
01 Circuito Eletrônico
(Custo do Serviço)
R$ 500,00 R$ 500,00
16 Painel 110Wp
(Kyocera Corporation)
R$ 1.600,00 R$ 25.600,00
Sub-Total I: R$ 32.120,00
Quadro 4.2 – Valores de instalação e manutenção
Sub-Total II: R$ 11.054,40
Total: R$ 43.174,40
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Instalação 10 % do valor do sistema R$ 3.212,00
Operação e manutenção 2% do valor do sistema R$ 642,40
Três trocas de elementos de membranas (20 anos) R$ 7.200,00
Capítulo 4 – Resultados 74
___________________________________________________________________
4.7 – Perfil do Custo da Água Dessalinizada em Função do Consumo e Produção
Diária
A produção do permeado do sistema de dessalinização com soluções de NaCl
pode ser a mesma para água salobras dentro da mesma faixa de concentração e pressão
de operação estudadas. De acordo com a taxa de rejeição da membrana de 98% a
qualidade do permeado pode variar em função da concentração iônica da água in
natura, ou seja, a presença de outros íons além do NaCl, estes estarão presentes no
permeado e concentrado e, consequentemente, a condutividade elétrica e STD serão
superior aqueles oriundos de uma solução de alimentação contendo, somente os íons de
sódio e cloreto. No Apêndice I encontra-se anexo o boletim técnico do elemento de
membrana da Filmtec que mostra suas características e a taxa de rejeição de sais.
O simulador de dessalinização via osmose inversa ROSA (Reverse Osmosis
System Analysis) mostra no Apêndice III duas simulações, uma para solução de NaCl e
outra para água in natura de mesma concentração da solução de NaCl, visando que o
mostrar que potencial da taxa de rejeição (RS%) da membrana de 98% para ambos os
casos são de valores aproximados para a mesma recuperação de 24%.
Considerando os comentários acima o sistema em estudo pode ser tomado como
referência para sistemas de dessalinização no campo para que venha atender a produção
de água potável para beneficiar pequenas comunidades difusas.
Para as situações estudadas neste trabalho foi tomada como referência a vazão
do permeado (Qp = 0,17 m³/h) a mais representativa em função das concentrações das
soluções estudadas. Também foi tomado de acordo com o boletim técnico da membrana
em estudo vazão nominal de um elemento de membrana de 0,36 m³/h. Como o
dessalinizador é composto de dois elementos de membranas a vazão nominal de
referência será de 0,72 m³/h.
A Tabela 4.2 apresenta os valores do custo do permeado em função dos dados de
referencias mencionados acima e levando em consideração somente o custo do
dessalinizador. Nesse trabalho é assumido que outros pontos como poço, abrigo do
dessalinizador, etc., não seja parte do orçamento deste trabalho. Essa hipótese leva crer
que a parte de Engenharia Civil e outras sejam partes de outro projeto.
Ana Karla Crispim Soares
Capítulo 4 – Resultados 75
___________________________________________________________________
Tabela 4.2 Perfil do custo da água dessalinizada em função do consumo e produção
diária
(* ) Para dois elementos de membranas
Esta análise dos custos não foi minuciosa visto que não foram levados em conta
os juros sobre o capital, as inflações do mercado. Também não se contabilizou um
possível aproveitamento da energia solar para a produção do sal, através da evaporação
da salmoura, colocada num reservatório exposto à radiação solar para evaporação,
deixando sal como produto.
A produção de água permeada no dessalinizador depende de vários parâmetros
assim como segue: concentração de sais dissolvidos na água de alimentação, a distância
da fonte hídrica para o dessalinizador, área de membrana disponível, número de painéis
e número de horas de incidência solar durante o dia. Os parâmetros que podem interferir
na produção do permeado são: a densidade de nuvens presentes na atmosfera durante o
dia, a qual diminui consideravelmente o desempenho dos painéis fotovoltaicos. O caso
em estudo o sistema não apresenta um banco de baterias que possa, através de circuitos
elétricos, disponibilizar energia suficiente para manter o dessalinizador funcionando de
forma continua.
Ana Karla Crispim Soares
Variáveis
Valor Obtido Valor Nominal Relação Percentual
(%)
Qp
(m³/h)
0,17
0,72
*
24
t
operação
(h/d) 6 6 -
Qp
(m³/d) 1,02 4,32 24
Média de pessoas
beneficiadas
(5L/pessoa)
204 864 24
Média de famílias
(5 pessoas/família) 41 173 24
Custo médio do
permeado
(R$/m³)
6,78 2,31 293
Capítulo 4 – Resultados 76
___________________________________________________________________
Quando as interferências da corrente elétrica aparecem durante o processo de
dessalinização, conforme se encontra mostrada na (Figura 4.1) corrente elétrica versus
tempo, a produção do dessalinizador diminui. Esse fato se dar por falta de incidência
solar nos painéis. Conseqüentemente a quantidade de água que entra no dessalinizador
diminui consideravelmente tão quanto a recuperação no sistema.
Este problema pode ser contornado com a implementação de baterias, o qual se
torna caro pelo fato da manutenção e o tempo útil médio de dois anos serem muito
pequeno.
A outra alternativa para minimizar o problema para buscar aumentar a
produtividade é fazer um estudo das cargas de cada componente do sistema, visando
determinar o gradiente de potência necessário para operar com maior segurança. Esse
estudo levará a uma monitorização de várias variáveis do processo de dessalinização e
também o potencial de irradiação solar do dia.
Com esse estudo do “balanço de potência” se poderá estudar as ocorrências em
função do número de freqüência que a corrente elétrica diminui por falta de incidência
solar. Para esses casos pode se implantar sensores que possam dirigir a quantidade de
água que entra para um menor número de elementos de membranas.
A produção seria maior do que o uso do número total de membrana para um
gradiente de pressão menor do que aquele do projeto.
Ana Karla Crispim Soares
Capítulo 5 – Conclusões 77
___________________________________________________________________
5.0 – CONCLUSÕES
O resultado do trabalho desenvolvido nos permite concluir que:
1. Para o sistema de dessalinização com os painéis fotovoltaicos foi observado que
a produtividade depende diretamente da taxa de irradiação solar. O fato de esta
variar faz com que ocorra uma série de oscilações em freqüências diferentes
produzindo assim gradientes de pressões abaixo e/ou acima da pressão osmótica
da solução problema, conforme mostram as figuras do comportamento das
vazões do permeado.
2. Para faixa de concentração de (1200 a 1500)mg/L, qual é bastante
representativa em águas salobras, obteve-se uma capacidade média de produção
de permeado de 0,17 m³/h que correspondeu a 0,13 m³ de permeado produzido
durante 1 hora. Isso pode significar uma produção de 1020L de permeado para
6 horas de operação.
3. A instalação no sistema das válvulas de passagem e alívio na entrada e saída
dos elementos de membrana, aparentemente regula a pressão interna do
dessalinizador e mantém a água nos elementos de membrana quando a ausência
de energia a partir dos painéis. Todavia a necessidade de se explorar mais a
eficiência desses dois componentes no sistema.
4. Os dados obtidos através dos custos dos componentes do sistema de
dessalinização incluindo instalação e manutenção pode subsidiar água
permeada para 41 familias a um custo de 6,78 reais/m³.
Ana Karla Crispim Soares
Capítulo 6 – Perspectivas 78
___________________________________________________________________
6.0 – PERSPECTIVAS
Esta dissertação não teve a pretensão de esgotar as pesquisas sobre osmose
inversa com energia fotovoltaica sem acumuladores. Para tanto, fica como sugestões
para trabalhos futuros:
- Desenvolver um balanço de energia de todos os componentes do sistema de
dessalinização (Um balanço de potência para diversos pontos da tensão versus
corrente);
- Desenvolver uma modelagem da incidência do sol para atender a demanda
de energia do sistema;
- Em função da analise do balanço de energia e de oferta de energia solar
estudar o sistema visando identificar as faixas viáveis e criticas de operação;
- Testar o sistema numa comunidade onde há maior ocorrência de incidência
solar visando estudar o desempenho do sistema;
- Aperfeiçoar o circuito eletrônico de forma que o mesmo possa interromper
o experimento caso não haja produção de água permeada e automaticamente retorne
quando a tensão aumentar;
- Estudar o desempenho do sistema em função do número de painéis
fotovoltaicos versus diferentes arranjos, bem como acompanhando o percurso do sol
durante o ano;
Ana Karla Crispim Soares
Capítulo 7 – Referências Bibliográficas 79
___________________________________________________________________
7.0 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Ana Karla Crispim Soares
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Ana Karla Crispim Soares
ANEXOS
Ana Karla Crispim Soares
Apêndice I 87
_____________________________________________________________________
APÊNDICE I
Boletim Técnico da Membrana
Ana Karla Crispim Soares
Apêndice I 88
_____________________________________________________________________
Ana Karla Crispim Soares
Apêndice I 89
_____________________________________________________________________
Ana Karla Crispim Soares
Apêndice II 90
_____________________________________________________________________
APÊNDICE II
Especificações do Painel Fotovoltaico
Ana Karla Crispim Soares
Apêndice II 91
_____________________________________________________________________
Ana Karla Crispim Soares
Apêndice II 92
_____________________________________________________________________
Ana Karla Crispim Soares
Apêndice III 93
_____________________________________________________________________
APÊNDICE III
Simulação do ROSA (Reverse Osmosis System Analysis)
Ana Karla Crispim Soares
Apêndice III 94
___________________________________________________________________
Project Information: Simulação para um sistema de dessalinização com solução de
NaCl de 2000 mg/L
System Details
Feed Flow to Stage 1
0.74 m³/h
Pass 1
Permeate
Flow
0.20 m³/h
Osmotic
Pressure:
Raw Water Flow to
System
0.74 m³/h
Pass 1
Recovery
27.00 % Feed 1.64 bar
Feed Pressure
4.94 bar
Feed
Temperature
28.8 C Concentrate 2.20 bar
Fouling Factor 0.85 Feed TDS 2002.90 mg/l Average 1.92 bar
Chem. Dose
None
Number of
Elements
2
Average
NDP
2.56 bar
Total Active Area
14.49 M²
Average Pass
1 Flux
13.79 lmh Power 0.13 kW
Water Classification: Well Water SDI < 3 Specific
Energy
0.63 kWh/m³
Ana Karla Crispim Soares
Stage Element PV Ele
Feed
Flow
(m³/h)
Feed
Press
(bar)
Recirc
Flow
(m³/h)
Conc
Flow
(m³/h)
Conc
Press
(bar)
Perm
Flow
(m³/h)
Avg
Flux
(lmh)
Perm
Press
(bar)
Boost
Press
(bar)
Perm
TDS
(mg/l)
1
BW30L
E-4040
1 1 0.74 4.59 0.00 0.63 4.56 0.11 15.62 0.00 0.00 81.37
2
BW30L
E-4040
1 1 0.63 4.21 0.00 0.54 4.18 0.09 11.96 0.00 0.00 121.57
Apêndice III 95
___________________________________________________________________
Ana Karla Crispim Soares
Pass Streams
(mg/l as Ion)
Name Feed Adjusted Feed
Concentrate Permeate
Stage 1 Stage 2 Stage 1 Stage 2 Total
NH4 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
K 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
Na 787.89 787.89 924.35 1064.93 32.01 47.82 38.86
Mg 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
Ca 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
Sr 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
Ba 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
CO3 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
HCO3 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
NO3 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
Cl 1215.01 1215.01 1425.45 1642.23 49.36 73.74 59.93
F 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
SO4 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
SiO2 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
Boron 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
CO2 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
TDS 2002.90 2002.90 2349.81 2707.16 81.37 121.57 98.80
pH N/A N/A N/A N/A N/A N/A N/A
Apêndice III 96
___________________________________________________________________
Project Information:Simulação para um sistema de dessalinização com água in natura
System Details
Feed Flow to Stage 1
0.74 m³/h
Pass 1
Permeate
Flow
0.20 m³/h
Osmotic
Pressure:
Raw Water Flow to
System
0.74 m³/h
Pass 1
Recovery
27.00 % Feed 2.05 bar
Feed Pressure
5.55 bar
Feed
Temperature
28.8 C Concentrate 2.76 bar
Fouling Factor 0.85 Feed TDS 2836.81 mg/l Average 2.40 bar
Chem. Dose
None
Number of
Elements
2
Average
NDP
2.68 bar
Total Active Area
14.49 M²
Average Pass
1 Flux
13.79 lmh Power 0.14 kW
Water Classification: Well Water SDI < 3 Specific
Energy
0.71 kWh/m³
Ana Karla Crispim Soares
Stage
Elemen
t
PV Ele
Feed
Flow
(m³/h)
Feed
Press
(bar)
Recirc
Flow
(m³/h)
Conc
Flow
(m³/h)
Conc
Press
(bar)
Perm
Flow
(m³/h)
Avg
Flux
(lmh)
Perm
Press
(bar)
Boost
Press
(bar)
Perm
TDS
(mg/l)
1
BW30L
E-4040
1 1 0.74 5.20 0.00 0.63 5.17 0.11 15.77 0.00 0.00 87.14
2
BW30L
E-4040
1 1 0.63 4.82 0.00 0.54 4.80 0.09 11.81 0.00 0.00 132.37
Apêndice III 97
___________________________________________________________________
Ana Karla Crispim Soares
Pass Streams
(mg/l as Ion)
Name Feed Adjusted Feed
Concentrate Permeate
Stage 1 Stage 2 Stage 1 Stage 2 Total
NH4 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
K 22.40 22.40 26.33 30.29 0.88 1.33 1.07
Na 800.00 800.00 941.13 1083.63 27.07 41.25 33.14
Mg 110.00 110.00 129.70 149.74 2.10 3.17 2.56
Ca 62.00 62.00 73.11 84.41 1.15 1.75 1.41
Sr 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
Ba 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
CO3 4.98 4.98 6.47 7.94 0.00 0.01 0.01
HCO3 277.21 277.21 324.74 372.79 10.47 15.63 12.67
NO3 0.62 0.62 0.70 0.77 0.19 0.25 0.21
Cl 625.00 1458.88 1717.26 1978.60 43.85 66.89 53.71
F 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
SO4 78.90 78.90 93.13 107.65 0.96 1.45 1.17
SiO2 21.80 21.80 25.69 29.66 0.47 0.65 0.55
Boron 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
CO2 2.26 2.17 2.70 3.04 2.13 2.53 2.30
TDS 2002.93 2836.81 3338.29 3845.51 87.14 132.37 106.51
pH 8.10 8.10 8.06 8.06 6.84 6.93 6.89
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