Ficha técnica

A bombagem solar híbrida
LORENTZ PSk

A família PSk faz o campo fotovoltaico e uma segunda fonte de energia trabalharem em conjunto, na mesma bomba e em contínuo. O PSk3 leva a sua entrada em corrente alternada dentro do regulador, para os sistemas de 8,3 e 16 kVA. Acima disso, o PSk2 recebe a mesma capacidade pelo smartPSUk2, até aos reguladores de 100 kWp de entrada solar e 75 kW de potência de motor. O smartStart acrescenta-lhe o comando automático do gerador.

Mistura contínua das duas fontes PSk3: entrada AC integrada PSk2 + smartPSUk2 De dia e de noite

O princípio

As duas fontes alimentam o mesmo barramento, o sol primeiro

Um sistema PSk híbrido tem uma única eletrónica de potência e um único motor. O campo fotovoltaico e a fonte alternada chegam ao mesmo barramento contínuo, aquele que alimenta o regulador da bomba. As fichas técnicas do smartPSUk2 descrevem o comportamento numa frase: o sistema combina a energia de forma contínua, de modo que só a quantidade necessária é retirada da fonte não solar.

A consequência prática resume-se a três pontos. O fotovoltaico mantém a prioridade e fornece o que pode a cada instante, em função da irradiação. A segunda fonte traz o complemento, instantaneamente e à medida da falta. O caudal ou a pressão pedidos mantêm-se enquanto o contributo exterior varia, minuto a minuto, em sentido inverso ao do sol.

Num local ligado à rede, isso equivale a consumir quilowatts-hora de apoio unicamente durante as quebras de irradiação e nas horas sem sol. Num local equipado com gerador, a máquina trabalha em carga parcial na maior parte do tempo, uma vez que só cobre a diferença entre a necessidade da bomba e a produção do campo. É este funcionamento que permite, como descreve a nota smartSolution hybrid pumping, escolher um gerador bastante mais pequeno do que o exigido por um acionamento puramente térmico.

Contínuoas duas fontes trabalham ao mesmo tempo, o apoio segue a irradiação em espelho

Noitea bombagem prossegue com a fonte alternada quando a programação o pede

Um só motora mesma bomba e o mesmo regulador servem os dois regimes

PumpScannertoda a configuração híbrida se define a partir da aplicação, sensores incluídos

A família

O PSk3 leva a sua entrada AC, o PSk2 recebe-a do smartPSUk2

Duas arquiteturas cobrem a gama. No PSk3, a entrada em corrente alternada está integrada no regulador: o cabo trifásico entra diretamente no aparelho, tal como o campo fotovoltaico. No PSk2, a função é assegurada por um quadro dedicado, o smartPSUk2, que recebe o campo solar e a fonte alternada e entrega ao regulador a corrente contínua combinada.

Regulador PSk3	PSk3‑7	PSk3‑15
Potência de saída nominal	8,3 kVA	16 kVA
Potência nominal do motor	5,5 kW	11 kW
Entrada solar, faixa de tensão	400 a 850 V	400 a 850 V
Tensão MPPT mínima	575 V	575 V
Entrada AC, tensão nominal	380 a 480 V ±10 %	380 a 480 V ±10 %
Entrada AC, corrente máxima	17,5 A	30 A
Calibre máximo dos fusíveis AC	20 A	35 A
Índice de proteção do regulador	IP 66	IP 66

A corrente de arranque da entrada alternada atinge 42 A nos dois tamanhos, valor a reter para a escolha dos órgãos de corte. A faixa de frequência admitida à entrada é de 45 a 60 Hz, segundo a tabela dos dados técnicos, e o manual acrescenta que o regulador vigia a tensão da rede antes de se ligar a ela, e depois durante todo o funcionamento: liga-se quando a tensão se situa dentro da faixa prevista, e para numa rede instável.

Em modo híbrido, a tensão do campo fotovoltaico comanda o acesso à mistura. O PSk3 retifica a tensão alternada internamente; para que as duas fontes trabalhem juntas, o Vmp real do campo deve manter-se acima dessa tensão retificada. O manual dá a correspondência: 380 V AC exigem 535 V DC no mínimo, 400 V AC pedem 565 V DC, 460 V AC levam o limiar a 650 V DC e 480 V AC a 680 V DC. O mesmo capítulo enuncia uma regra de instalação curta e firme: em modo híbrido, o campo fotovoltaico não deve ser ligado à terra.

Regulador PSk2	Entrada solar	Motor	Corrente de saída	Entrada AC máx. por fase
PSk2‑21	21 kWp	15 kW	3 × 33 A	38 A
PSk2‑25	25 kWp	18,5 kW	3 × 40 A	45 A
PSk2‑40	40 kWp	30 kW	3 × 65 A	70 A
PSk2‑100	100 kWp	75 kW	3 × 160 A	170 A

Dois quadros cobrem esta gama. O smartPSUk2‑40 associa-se aos reguladores PSk2‑21 a PSk2‑40: a sua entrada alternada aceita 3 × 380 a 415 V ±10 % em 50 ou 60 Hz, dentro do limite de 38 kW e 48 kVA, e a sua saída contínua está indicada para 850 V no máximo e 70 A. O smartPSUk2‑100 serve os PSk2 acima do PSk2‑40, até ao PSk2‑100, com a mesma faixa de tensão de entrada, uma potência máxima de 95 kW e uma saída contínua de 170 A. Os dois quadros aceitam uma tensão em circuito aberto do campo de 850 V, têm proteção IP 54 numa caixa em aço inoxidável termolacado, funcionam de −10 a 50 °C de temperatura ambiente e integram uma proteção contra os sobreaquecimentos, bem como um arrefecimento ativo.

O smartPSUk2‑100 exige 380 V alternados no mínimo. A sua ficha técnica assinala-o como advertência: abaixo desse limiar, a potência de motor disponível fica limitada. Numa rede fraca ou sujeita a variações de tensão, a LORENTZ aponta duas respostas, a redução do limite de potência no regulador PSk2 a partir dos parâmetros de funcionamento do PumpScanner, ou a instalação de um transformador, de preferência com várias saídas entre 400 e 460 V para se ajustar às condições locais.

Quanto à compatibilidade, o artigo da base de conhecimento é claro: os componentes smartSolution, smartPSUk2 e smartStart funcionam com os sistemas PSk2‑x da geração atual, reconhecíveis pela caixa azul. Estes sistemas substituem os PSxk2 de caixa cinzenta, mas nenhuma placa eletrónica é comum às duas gerações.

O smartStart

O gerador arranca e para a pedido da bomba

O smartStart é a caixa que dá ao sistema o comando do gerador. Liga-se ao regulador por um cabo preparado, que transporta ao mesmo tempo a alimentação e o diálogo entre os dois aparelhos. Consoante a programação escolhida, o sistema põe a máquina a trabalhar e desliga-a, sem deslocação do explorador ao local.

A condição de emprego recai sobre o próprio gerador, que deve dispor de arranque automático à distância a dois fios. O smartStart fornece então um contacto de comutação sem potencial, fechado quando o pedido de arranque é acionado. Os manuais PSk2 e PSk3 dão a mesma capacidade máxima para este contacto de relé: 250 V alternados ou 30 V contínuos, 2 A. Do lado das características admitidas para a máquina, a documentação smartSolution do PSk2 aceita 380, 400 ou 415 V trifásicos em 50 ou 60 Hz; o manual do PSk3 alarga esta lista às tensões de 440, 460 e 480 V.

Uma bateria aloja-se no interior do quadro, uma AGM de chumbo 12 V de 7 Ah no mínimo, do tipo Genesis NP‑12 ou equivalente. O regulador recarrega-a durante o funcionamento solar ou com a rede. Serve precisamente para as horas em que nada mais produz: sem ela, um sistema cuja bombagem deve começar às duas da manhã não teria com que alimentar as suas placas lógicas para comandar o arranque. A caixa instala-se a menos de um metro do regulador, com um espaço livre de 250 mm acima e por baixo.

Uma segunda saída do smartStart comanda os equipamentos vizinhos. A nota ancillary equipment switching indica os seus usos e os respetivos acionadores: pôr a trabalhar uma bomba de injeção de fertilizante quando a bomba LORENTZ funciona, lançar um pivô de rega quando a potência disponível chega para o caudal pretendido, ou arrancar um segundo sistema de bombagem quando a sonda do furo dispara ou quando o primeiro sistema recebe a sua ordem de marcha.

O gerador

Um dimensionamento que parte da potência no ponto de funcionamento

A nota de aplicação dedicada à conceção dos sistemas híbridos PSk2 e smartPSUk2 enuncia uma regra simples e demonstra-a em dois casos. A potência a reter para o gerador é a que o motor exige no ponto de funcionamento visado, multiplicada por um coeficiente de segurança de 1,5, e entende-se em potência constante, aquela que a máquina mantém em contínuo.

Primeiro exemplo da nota: uma instalação que deve produzir 25 m³/h sob 50 m de altura manométrica total. A potência exigida pelo motor nesse ponto é de 6 kW, o que conduz a um gerador de 9 kW em potência constante. Esta máquina é mais pequena do que o motor da bomba, e o documento tira daí a consequência sem rodeios: não mantém a bomba à potência máxima sem o contributo do campo fotovoltaico. Segundo exemplo, a mesma instalação levada à potência máxima exige 12,5 kW ao motor, ou seja, 18,75 kW de gerador, e aí a autonomia completa fica garantida.

A escolha entre estas duas lógicas pertence ao projeto. A nota smartSolution hybrid pumping documenta o caso do gerador propositadamente compacto: um limite de velocidade, definido no PumpScanner sob a designação PSU speed limit, limita o regime da bomba em modo híbrido e permite que um gerador de potência constante inferior à do motor faça funcionar o conjunto. O manual PSk2 menciona a mesma regulação para um furo de caudal fraco ou para um gerador de menor dimensão. Por fim, o comportamento das máquinas térmicas varia de modelo para modelo: se surgirem oscilações ou vibrações inabituais no arranque do sistema híbrido, a nota aconselha a reduzir a velocidade da bomba até recuperar um funcionamento estável.

× 1,5coeficiente aplicado à potência do motor para obter a potência constante do gerador

6 → 9 kWo exemplo da nota para 25 m³/h sob 50 m de altura manométrica total

Carga parcialo regime normal do gerador, uma vez que só cobre a diferença deixada pelo sol

Temporizaçãoo atraso de arranque evita que o motor cale no lançamento em modo híbrido

Esta temporização, também definida no PumpScanner, reaparece em cada uma das notas de aplicação assim que entra em jogo um gerador. Dá à máquina o tempo de atingir o seu regime antes que a bomba lhe peça a sua potência.

Os modos de condução

Quatro formas documentadas de conduzir um sistema híbrido

As notas de aplicação LORENTZ descrevem quatro modos de condução, cada um com os seus sensores, as suas regulações no PumpScanner e o seu caso de utilização. Escolhem-se no momento da colocação em serviço e alteram-se depois à distância, por estação ou consoante a necessidade da cultura.

Pressão constante

Um sensor de pressão LORENTZ liga-se a uma entrada analógica do regulador e configura-se no PumpScanner; nas bombas de superfície CS‑F e CS‑G, a documentação indica os locais de montagem previstos no corpo da bomba e nas flanges.

O sistema ajusta o regime para manter a consigna, e o contributo alternado preenche o que a irradiação não fornece. O manual PSk2 inclui explicitamente a exigência de pressão constante entre as que justificam o emprego do smartPSUk2. O caso espanhol publicado pela LORENTZ adota assim uma consigna de 2,5 bar para uma rede de rega.

Manual PSk2, capítulos 10.5 e 15.2.1; estudo de caso Hybrid irrigation in Spain.

Caudal constante

Um contador de água com saída de impulsos mede o caudal e o sistema ajusta a velocidade da bomba para manter o valor programado. A potência alternada só é chamada quando se torna necessária para manter essa consigna.

A nota toma como exemplo uma fábrica de açúcar que exige 130 m³/h em contínuo durante dezasseis horas, das 4h30 às 20h30. O arranque automático dá-se à hora escolhida, antes ou depois do nascer do dia, e a instalação em sistema diesel-híbrido recebe ainda a temporização de arranque.

Nota de aplicação automatic flow control.

Volume diário programado

A LORENTZ documenta este modo de condução sob o nome «daily flow», definido no PumpScanner com a designação «daily amount». Descreve uma programação do sistema, e não uma garantia de resultado assumida pelo LE LAB. O contador de água serve de totalizador: a programação fixa a quantidade a bombear e o sistema para assim que ela é atingida. Se o dia solar não tiver chegado, a máquina passa à fonte alternada e prossegue a bombagem durante a noite até ao volume pedido.

A reposição a zero do contador programa-se à hora pretendida, o que permite ajustar o apoio a uma janela escolhida: a nota ilustra um intervalo das 22h30 às 4h e um contador reposto a zero às 4h. A necessidade de água de uma cultura varia ao longo do ano, e a regulação é retomada estação a estação.

Nota de aplicação daily flow.

Solar por defeito

Esta condução dirige-se aos locais que já possuem um gerador e o querem manter como reserva, sem mudar os hábitos do explorador. O equipamento resume-se ao regulador PSk2 e ao smartPSUk2; o modo PSU ativa-se no PumpScanner, com um limite de velocidade se for necessário para ter em conta um gerador de potência constante inferior à do motor.

Depois, a utilização resume-se a um gesto: o explorador põe o gerador a trabalhar à mão e o sistema passa a modo híbrido; desliga-o, e o regresso ao solar sozinho dá-se por si. A nota adota esta condução pela simplicidade e pela segurança de exploração que traz a um local já equipado.

Nota de aplicação solar by default operation.

O ponto de instalação

Uma corrente não sinusoidal, e componentes dimensionados sobre o máximo

É o ponto técnico que os manuais tratam com maior insistência, e merece ser colocado logo no estudo. A entrada em corrente alternada funciona como retificador: exige da fonte uma corrente não sinusoidal, carregada de harmónicas, cujo valor máximo ultrapassa ligeiramente o de uma corrente puramente sinusoidal.

A intensidade realmente exigida depende da impedância e da tensão da fonte. Os valores publicados correspondem ao caso mais exigente, o de um gerador sobredimensionado ou de uma rede potente, quando o sistema funciona à potência máxima. O manual PSk3 anuncia até 30 A eficazes por fase para um motor de 11 kW levado à potência máxima, sendo os seus dados técnicos estabelecidos numa rede trifásica de 400 V de baixa impedância. Para o PSk2, a tabela das secções de cabo e das correntes de entrada alternadas sobe de 38 A por fase no PSk2‑21 a 170 A no PSk2‑100, passando por 70 A no PSk2‑40. A instrução é idêntica nos dois manuais: todos os componentes da instalação se dimensionam sobre esse valor de corrente máxima.

A rede pública impõe por vezes uma restrição suplementar. Onde existam exigências locais sobre as distorções harmónicas, a documentação prevê a instalação de filtros na entrada alternada. O manual PSk3 acrescenta um efeito útil: esses filtros reduzem igualmente a corrente eficaz exigida à fonte. Os restantes elementos são da responsabilidade do instalador, a saber, o cabo, o seccionador ou disjuntor alternado e os fusíveis, uma vez que nem fusível nem disjuntor alternado estão integrados no regulador. No PSk3, os fusíveis recomendados são do tipo gR ou gS, calibrados a 20 A para o PSk3‑7 e 35 A para o PSk3‑15. Quanto à proteção diferencial, a documentação é explícita: este produto pode gerar uma corrente com componente contínua, e só um dispositivo do tipo B é admitido a montante.

Na aplicação

Os sistemas PSk no LE LAB

Os sistemas PSk constam do catálogo da aplicação, com as suas curvas e os seus limites de utilização: os PSk3‑7 e PSk3‑15 para as potências compactas, depois os PSk2‑21, PSk2‑25, PSk2‑40 e PSk2‑100 acima. O cálculo mobiliza-os onde o comando em pressão constante e o recurso a um apoio fazem sentido, isto é, nas redes de rega que exigem uma consigna mantida seja qual for a luz do dia.

Ecrã de resultados do LE LAB em pressão constante: histograma do volume bombeado mês a mês, com a parte assegurada pelo sol e a parte fornecida pelo apoio, seguido da tabela dos valores mensais. — A repartição entre o sol e o apoio, mês a mês, tal como a aplicação a devolve na etapa dos resultados. A quota solar anual e os meses em que o apoio trabalha aparecem diretamente, com a tabela dos valores sob o gráfico.

O relatório retoma esta repartição para o projeto estudado: o volume bombeado mês a mês, a parte assegurada pelo campo fotovoltaico, a parte fornecida pela segunda fonte, e a potência que o gerador deve manter em carga contínua. Estes três elementos permitem avaliar a continuidade de funcionamento prevista pelo estudo e o regime da máquina térmica.

Dimensionar o meu projeto A bombagem em pressão constante

Fontes

De onde vêm estas informações

Manual dos sistemas de bombagem PSk3, LORENTZ: dados técnicos do regulador, entradas solar e alternada, cablagem do funcionamento híbrido, correspondência das tensões, corrente de entrada e harmónicas, fusíveis, smartStart e compatibilidade dos geradores.
Manual dos sistemas de bombagem PSk2, edição 2023, LORENTZ: dados técnicos dos reguladores PSk2‑21 a PSk2‑100, capítulo smartSolution, instalação e funcionamento do smartPSUk2, tabela das secções de cabo e das correntes de entrada alternadas, smartStart, contacto seco de 250 VCA ou 30 VCC sob 2 A, e bateria.
Ficha técnica smartPSUk2‑40, LORENTZ: compatibilidade, entrada alternada, saída contínua, índice de proteção, faixa de temperatura, dimensões e ligação ao regulador.
Ficha técnica smartPSUk2‑100, LORENTZ: compatibilidade, entrada alternada, saída contínua, advertência sobre a tensão mínima e a potência de motor disponível.
Nota de aplicação PSk2, smartPSUk2 hybrid system layout and design, LORENTZ: coeficiente de segurança, exemplos de dimensionamento do gerador, especificações dos geradores.
Notas de aplicação smartSolution hybrid pumping, automatic flow control, daily flow, solar by default operation e ancillary equipment switching, LORENTZ: modos de condução documentados, equipamentos necessários, regulações do PumpScanner e exploração.
Artigo da base de conhecimento Compatibility of PSk2 versions, smartPSU, smartSolution components, LORENTZ: gerações de reguladores e compatibilidade dos componentes smartSolution.
Estudo de caso Hybrid irrigation in Spain, LORENTZ: configuração de um sistema PSk2‑40 com smartPSUk2, smartStart, sensor de pressão e contador de água.
Para continuar: a bombagem solar em pressão constante, o solar e o gerador na mesma instalação e o estudo de caso de um pomar de quivis no Sudoeste de França.

A bombagem solar híbridaLORENTZ PSk