Este artigo apresenta um novo tipo de estrutura estática chamada delta, ΔS(60). Esta estrutura foi desenvolvida com o objetivo de obter perfis constantes de irradiância diária,

extremamente importante nalgumas aplicações fotovoltaicas (como por exemplo, em sistemas de irrigação). Uma comparação do desempenho desta estrutura é feita com duas representativas do estado de arte atual: uma estrutura estática orientada ao Equador, S(25),e uma estrutura com seguidor de eixo horizontal, 1xh. É possível concluir que a hipótese de utilizar a ΔS(60) é particularmente interessante em sistemas de irrigação PV – a potência pico necessária com a ΔS(60) é menor que com a S(25), sendo a diferença ainda maior se consideramos o período de rega de maio a setembro

Barata Carrelo, Isaac Afonso

Hogan Teves de Almeida, Rita

Lorenzo Pigueiras, Eduardo

Narvarte Fernández, Luis

Servicio de Coordinación de Bibliotecas de la Universidad Politécnica de Madrid

XVI Congreso Ibérico y 
XII Congreso Iberoamericano 
de Energía Solar 
Madrid, España, 20-22 junio 2018 
©Asociación Española de Energía Solar 
 
 
 
 
 
 
ESTRUTURA DELTA PARA SISTEMAS DE IRRIGAÇÃO PV 
 
Almeida R. H.*, **, Carrelo I. B.*, Narvarte L.*, Lorenzo E.* 
 
* Instituto de Energía Solar, Universidad Politécnica de Madrid, Carretera de Valencia, km 
7, 28031 Madrid, España, rita.hogan@ies.upm.es 
** Instituto Dom Luiz, Faculdade de Ciências, Universidade de Lisboa, Campo Grande 
Edifício C1, Piso 1, 1749-016 Lisboa, Portugal 
 
 
RESUMO 
 
Este artigo apresenta um novo tipo de estrutura estática chamada delta, ΔS(60). Esta 
estrutura foi desenvolvida com o objetivo de obter perfis constantes de irradiância diária, 
extremamente importante nalgumas aplicações fotovoltaicas (como por exemplo, em 
sistemas de irrigação). Uma comparação do desempenho desta estrutura é feita com duas 
representativas do estado de arte atual: uma estrutura estática orientada ao Equador, S(25), 
e uma estrutura com seguidor de eixo horizontal, 1xh. É possível concluir que a hipótese de 
utilizar a ΔS(60) é particularmente interessante em sistemas de irrigação PV – a potência 
pico necessária com a ΔS(60) é menor que com a S(25), sendo a diferença ainda maior se 
consideramos o período de rega de maio a setembro.  
     
PALAVRAS CHAVE: Irrigação PV, Estrutura PV, Perfis diários constantes 
 
 
ABSTRACT  
 
This article presents a new type of static structure called delta, ΔS(60). This structure was 
developed with the objective of obtaining constant irradiance daily profile, extremely 
important in some photovoltaic applications (namely in irrigation systems). A comparison 
of the performance of this structure is made with two representative of the current state of 
art: a static structure oriented to Equator, S(25), and a structure with North-South horizontal 
axis tracker, 1xh. It is possible to conclude that the hypothesis of using ΔS(60) is 
particularly interesting in PV irrigation systems - the required peak power with ΔS(60) is 
smaller than with S(25), and if we consider only the irrigation period (from May to 
September) this difference is even bigger. 
 
KEYWORDS: PV irrigation, PV structure, Constant daily profiles 
INTRODUÇÃO 
 
Este paper apresenta um novo tipo de estrutura estática chamada delta, ΔS(60). Esta foi 
desenvolvida com o objetivo de obter um perfil constante de irradiância diária semelhante 
ao obtido com um seguidor de eixo N-S horizontal, 1xh, uma vez que este perfil é essencial 
para distintas aplicações fotovoltaicas (PV), nomeadamente sistemas de irrigação PV (EIP-
Water, 2012), (Closas e Rap, 2017), (Hartung e Pluschke, 2018). 
À primeira vista a melhor estrutura para obter este perfil de irradiância constante seria a 
1xh, porém há situações em que as estruturas estáticas continuam a ser a melhor opção por 
motivos de fiabilidade e custo. Nesse seguimento surgiu a ideia de estudar esta nova 
estrutura. 
Neste trabalho uma análise do desempenho da estrutura ΔS(60) é comparada com duas 
respresentativas do estado de arte atual: uma estrutura estática orientada ao Sul, S(25), e um 
seguidor de eixo N-S horizontal, 1xh, no âmbito de sistemas de irrigação PV a pressão e 
caudal variável. Como caso representativo, é simulado um sistema em Valhadolide, 
Espanha, que bombeia água desde um poço (com uma altura estática de 95 m) para um 
depósito de 5 m. A análise é realizada ao longo de 2 períodos distintos: ano inteiro e de 
maio a setembro, representando este último caso um período típico de rega na Península 
Ibérica.  
O sistema 1xh foi simulado e otimizado. De seguida, as potências pico necessária para 
ΔS(60) e S(25) para bombear a mesma quantidade de água nos 2 períodos referidos foram 
calculadas.  
Este trabalho começa por incluir uma breve descrição da estrutura. De seguida apresenta-se 
o caso de estudo (incluindo as características do sistema e os principais parâmetros de 
simulação), bem como os principais resultados obtidos. Finalmente, alguns comentários são 
apresentados.  
 
ESTRUTURA DELTA 
 
ΔS(60) é uma estrutura estática sobre solo onde metade dos módulos PV estão orientados 
para Este e os restantes para Oeste, tendo ambos os lados o mesmo ângulo de inclinação, 
β=60 (Fig. 1). Com este ângulo, a superfície de painel vista pelo Sol é igual em 3 momentos 
do dia: pela manhã, quando o Sol está perpendicular às superfícies orientadas a Este; ao 
meio-dia; e pela tarde, quando o Sol está perpendicular às superfícies orientadas a Oeste. 
Aproximadamente, estes momentos ocorrem 4 horas antes do meio-dia, ao meio-dia e 4 
horas depois. A irradiância direta no plano do gerador tende a ser igual nestes momentos, o 
que leva a uma irradiância global no mesmo plano razoavelmente constante durante 8 horas 
por dia.  
 
 
Fig. 1.  Estrutura delta, ΔS(β): o gerador PV é dividido em duas metades - uma orientada a 
Este e outra a Oeste.  
 
ΔS(60) foi incorporada no SISIFO, um programa de simulação de sistemas PV 
desenvolvido no Instituto de Energia Solar da Universidade Politécnica de Madrid (IES-
UPM, 2018). 
 
CASO DE ESTUDO: BOMBAGEM DE POÇO A DEPÓSITO, VALHADOLIDE, 
ESPANHA 
  
Um exercício de simulação foi realizado para um sistema de bombagem de poço a depósito 
em Alaejos, Valhadolide, Espanha (41.307 Norte, 5.215 Oeste).  
Os valores da média diária mensal de irradiação horizontal, Gdm(0), foram obtidos do PVGIS 
(European Commission, 2018) e os respetivos perfis de irradiância diários calculados 
utilizando o SISIFO (IES-UPM, 2018). O modelo de Erbs (Erbs et al, 1982) foi utilizado 
para a decomposição dos valores mensais globais nas componentes direta e difusa, o 
modelo de Collares-Pereira e Rabl (Collares-Pereira e Rabl, 1979) para obter valores de 
irradiância instantânea a partir dos valores de irradiação diária, e o modelo de Perez (Perez 
et al, 1986) para transposição dos valores de irradiância do plano horizontal para o plano do 
gerador. A sujidade foi estabelecida em 2%, as perdas em AC e DC são, respetivamente, 1 
e 3%, a relação entre a potência nominal e a do gerador 0.96, a reflectância do solo é 0.3 e o 
tempo de simulação é 1 minuto.  
No que diz respeito à estrutura fotovoltaica propriamente dita foram utilizadas as seguintes 
separações entre filas: 3, 4.5 e 1.5 para 1xh, ΔS(60) e S(25).  
O sistema inclui uma moto-bomba Caprari E8P95/7ZC MAC870-8V e um variador de 
frequência OMRON RX 75 kW e bombeia agua de um poço com uma altura estática de 95 
m para um depósito de 5 m, sendo considerados 5 m adicionais de perdas por fricção.  
 
RESULTADOS 
 
A potência pico do sistema 1xh é 80 kWp e a Fig 2 inclui o volume de água bombeado ao 
longo do ano com as três estruturas em estudo para esta mesma potência. 
 
 
 
Fig. 2.  Volume de água bombeado em cada mês do ano com as três estruturas em estudo 
(1xh com linha continua, ΔS(60) com traçejada e S(25) com pontos). 
 
Como se pode verificar na Fig 2 a estrutura 1xh é a que permite a bombagem de um maior 
volume de água (336681 m3/ano e 195235 m3 de maio a setembro), seguida da S(25) e 
finalmente da ΔS(60). Quantificando, ΔS(60) com 80 kWp bombeia 42% e 54% do 
bombeado pela 1xh para todo o ano e o período de maio a setembro respetivamente. Já no 
caso da S(25) estes mesmos valores sobem para 63% e 70% (ver Tabela 1).  
 
Tabela 1.  Percentagem do volume de água bombeado por ΔS(60) e S(25) quando 
comparado com 1xh. Nas 3 situações a potência do sistema é 80 kWp. 
 
Período Volume de água/ Volume água1xh x 100 [%] 
 ΔS(60) S(25) 
Anual 42 63 
Período de irrigação 54 70 
 
Sabendo que a quantidade de água bombeada com as duas estruturas alternativas, ΔS(60) e 
S(25), é menor que a 1xh, o próximo passo é calcular a potência necessária em ΔS(60) e 
S(25) para igualar o volume de água bombeado pela estrutura 1xh. A Fig. 3 representa o 
volume de água bombeado anualmente por ΔS(60) e S(25) para distintas potências pico 
com o objetivo de atingir o mesmo montante de água da 1xh. Tanto o volume de água como 
a potência pico estão normalizados pelos valores correspondentes ao 1xh, isto é, 336681 m3 
e 80 kWp. Os pontos pretos no gráfico representam o sobredimensionamento necessário em 
cada uma das estruturas (apresentados também na Tabela 2). A Fig. 4 inclui a mesma 
informação considerando apenas o período de irrigação, sendo neste caso o volume de água 
objetivo 195235 m3. 
 
 
 
Fig. 3.  Volume de água bombeado anualmente por ΔS(60) e S(25) normalizado pelo 
volume de água bombeado pelo sistema de 80 kWp 1xh (Volume de água/Volume de 
água1xh) em função da sua potência pico normalizada pela potência pico de 80 kWp 1xh 
(P*/P*1xh). Os pontos com Volume de água/Volume de água1xh=1 representam o 
sobredimensionamento necessário em ΔS(60) e S(25) para igual o desempenho de 80 kWp 
1xh. 
 
 
 
Fig. 4.  Volume de água bombeado durante o período de irrigação por  ΔS(60) e S(25) 
normalizado pelo volume de água bombeado pelo sistema de 80 kWp 1xh (Volume de 
água/Volume de água1xh) em função da sua potência pico normalizada pela potência pico de 
80 kWp 1xh (P*/P*1xh). Os pontos com Volume de água/Volume de água1xh=1 representam 
o sobredimensionamento necessário em ΔS(60) e S(25) para igual o desempenho de 80 
kWp 1xh. 
 
É interessante notar que apesar de para a mesma potência a S(25) conseguir bombear mais 
água que a ΔS(60), para alcançar o mesmo volume de água da 1xh, a ΔS(60) necessita de 
menos potência pico que a S(25): na ΔS(60) 1.75 a potência de 1xh para os 2 períodos 
considerados; na S(25) o dobro em termos anuais e 2.75 vezes mais de maio a setembro 
(ver Tabela 2). Esta diferença é justificada uma vez que na estrutura S(25) a moto-bomba 
atinge a sua frequência máxima (50 Hz) durante uma grande parte do ano (como se pode 
verificar na Fig. 5). 
 
Tabela 2. Potência pico PV normalizada pela potência de 1xh para garantir a mesma 
quantidade de água bombeada que 1xh. 
 
Período        
  
 ΔS(60) S(25) 
Anual 1.75 2 
Período de irrigação 1.75 2.75 
 
A Fig. 5 mostra o perfil diário de água bombeada para o caso anual das 3 estruturas no dia 
típico do mês de junho. É possível verificar a grande semelhança existente entre as 
estruturas 1xh e ΔS(60). Relativamente à S(25) pode-se observar a saturação nos 50 Hz e 
por isso o perfil constante ao longo do dia. O perfil da S(25) com 2.25 a potência pico da 
1xh é muito semelhante, isto é, as horas de funcionamento total são as mesmas, sendo 
também igual o número de horas de funcionamento a frequência nominal (aumentado 
apenas o volume de água bombeado entre o inicio/fim do dia e a chegada aos 50 Hz). 
 
 
 
Fig. 5.  Volume de água bombeado no dia típico de junho com as 3 estrutras em estudo. 
 
COMENTÁRIOS FINAIS 
 
Um novo tipo de estrutura, ΔS(60), é proposto e o seu desempenho num sistema de 
irrigação PV desde um poço a um depósito em Valhadlide, Espanha, é comparado com o de 
duas estruturas típicas em sistemas PV: S(25) e 1xh. 
É possível concluir que a hipótese de utilizar a ΔS(60) é particularmente interessante em 
sistemas de irrigação PV – a potência pico necessária com a ΔS(60) é menor que com a 
S(25), sendo a diferença ainda maior se consideramos o período de rega de maio a 
setembro. Se a potência pico da estrutura 1xh é 80 kWp, durante o período de irrigação a de 
ΔS(60) tem de ser 140 kWp e a S(25) 220 kWp. 
 
AGRADECIMENTOS 
 
Este trabalho foi possível graças ao financiamento do programa Horizon 2020 da União 
Europeia no projeto MArket uptake of an innovative irrigation Solution based on LOW 
WATer-ENergy consumption (MASLOWATEN), acordo de subvenção número 640771, 
bem como ao apoio financeiro do Programa MIT Portugal em Sistemas Sustentáveis de 
Energia e da Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT), bolsa PD/BD/105851/2014 e 
projeto IDL UID/GEO/50019/2013. 
 
REFERÊNCIAS 
 
Collares-Pereira, M. e Rabl, A. (1979). The average distribution of solar radiation-
correlations between diffuse and hemispherical and between daily and hourly insolation 
values. Solar Energy 22, 155-164. 
 
Closas, A. e Rap, E. (2017). Solar-based groundwater pumping for irrigation: 
Sustainability, policies, and limitations. Energy Policy 104, 33-37. 
 
EIP-Water (2012). European Innovation Partnership Water - Strategic Implementation Plan. 
Brussels. 
 
Erbs, D.G., Klein, S.A. e Duffie, J.A. (1982). Estimation of the diffuse radiation fraction for 
hourly, daily and monthly-average global radiation. Solar Energy 28, 293-302. 
 
European Commission, J.R.C. (2018). Photovoltaic Geographical Information System 
(PVGIS), disponível em http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/ 
 
Hartung, H. e Pluschke, L. (2018). The benefits and risks of solar-powered irrigation - a 
global overview. Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO) and 
Deutsche Gesellschaft fur Internationale Zusammenarbeit (GIZ), Rome. 
 
IES-UPM (2018). Simulación de Sistemas Fotovoltaicos (SISIFO), disponível em 
http://sisifo.info/ 
 
Perez, R., Stewart, R., Arbogast, C., Seals, R. e Scott, J. (1986). An anisotropic hourly 
diffuse radiation model for sloping surfaces: Description, performance validation, site 
dependency evaluation. Solar Energy 36, 481-497. 


Estrutura delta para sistemas de irrigação PV

http://oa.upm.es/51653/1/RAlmeida1_CIES_2718x.pdf

Estrutura delta para sistemas de irrigação PV

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