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How to cite this paperAn. 3. Enc. Energ. Meio Rural 2003
Potencial eólico para bombeamento de água na fazenda lageado
Silva, C. D.; Seraphim, O. J.; Teixeira, N. M.
Departamento de Engenharia Rural da Faculdade de Ciências Agronômicas/UNESP, 18603-970, Botucatu, SP tel.: (0--14) 6802-7194 fax: (--14) 6802-7165
RESUMO
O aumento da demanda global por energia é uma realidade incontestável. A produção de energia, em seu sentido amplo, é uma necessidade cada vez mais presente em nosso meio. É impossível imaginar o homem vivendo em condições dignas sem os benefícios proporcionados pela eletricidade. Entretanto, a forma tradicional de produção de eletricidade do país não suprirá por muito tempo esta crescente demanda.
A questão do bombeamento de água na propriedade rural, objetivo deste estudo, é um dos entraves mais importantes a ser solucionado para a área rural. A utilização local das fontes renováveis de energia, através de equipamentos adequados, mostra-se como alternativa interessante para sanar este problema. Neste estudo utilizou-se dados locais de velocidade do vento. Utilizou-se ainda, fórmulas para calcular o potencial energético desta fonte alternativa e catálogos técnicos.
Na avaliação do potencial eólico para bombeamento d'água na Fazenda Lageado, obtendo-se uma velocidade média mensal do vento de 3,1 m/s, suficiente para produzir diretamente energia mecânica através de cataventos, e bombear um volume médio diário na faixa de 102 a 24 m3/dia, em função da altura manométrica variando de 2 a 20 m, respectivamente, considerando a potência hidráulica gerada e o diâmetro das pás do rotor de 3,28 m.
Palavras-chave: Bombeamento, velocidade do vento, potencial eólico e potência hidráulica.
ABSTRACT
The increase of the global demand for energy is an undisputed reality. The energy production, in its broad sense, is a necessity each more present in our way. It is difficult to image the man living in worthy conditions without the benefits proportionate by the electricity. However, the traditional form of production of electricity of thecountry will not supply for much time this increasing demand.
The water pumping question in the rural property, objective of this study, is one of the most important impediments to be solved for the rural area. The local use of the renewable energy sources, through appropriated equipment, reveals as an interesting alternative to solve this problem. In this study it was used local data of speed of the wind. It was still used, formulas to estimate the energy potential of this alternative source and technical catalogues.
In the evaluation of the aeolian potential for water pumping in the Lageado Farm, getting itself a monthly average speed of the wind of 3.1 m/s, sufficient to produce energy directly mechanics through weather vanes.
INTRODUÇÃO
Mundialmente a demanda por energia cresce numa velocidade acentuada. Devido principalmente ao acesso de um maior número de pessoas a eletrodomésticos e, ainda, a maioria das máquinas industriais são alimentadas por energia elétrica. Com isto a necessidade de encontrar novas fontes de geração de energia é muito grande, pois as fontes atuais de energia não comportam sozinhas esta demanda, no qual as reservas de combustíveis fósseis está em processo acelerado de esgotamento.
As fontes renováveis de energias mostram-se como uma alternativa interessante para minimizar este problema, principalmente nos locais remotos onde as dificuldades de distribuição das linhas de eletrificação, sobretudo no aspecto econômico, são grandes mostrando-se inviáveis. No caso da energia extraída do vento é necessário um estudo aprofundado do regime do vento no local para saber se é possível obter energia eólica.
Como o bombeamento d'água demanda muita energia, seja mecânica ou elétrica é necessário encontrar alternativas de serem adaptadas para realizar esta atividade sem a utilização da energia elétrica convencional.
Neste sentido, este estudo tem como objetivo avaliar o potencial eólico para bombeamento d'água em zonas rurais, utilizando-se dos dados de velocidade média mensal do vento, referentes aos últimos dez anos na Fazenda Lageado, município de Botucatu, para calcular o potencial energético desta fonte, variando o diâmetro das pás dos rotores de cataventos encontrados no mercado.
Apesar de não ser o único vetor de desenvolvimento, o acesso à energia elétrica é de fundamental importância ao meio rural. Devido ao nível de carência existente em muitas zonas rurais brasileiras, as alterações no padrão de vida das famílias e no nível de renda das comunidades provocadas pelo acesso à eletricidade são mais efetivas quando integradas a outras ações, tais como serviço de ensino, saúde, saneamento, estradas, transporte, assistência técnica, crédito rural e agroindústria (FEDRIZZI, 1997) [1] .
Sendo assim, a inexistência de rede elétrica, a irregularidade e os custos do fornecimento de combustível em muitas regiões, motivam a introdução de sistemas de bombeamento baseados em recursos energéticos disponíveis localmente, como podem ser a eólica, solar, pequenas quedas d'água, biomassa, etc.
O comportamento dos ventos é bastante variável, em função da situação geográfico do local, rugosidade da superfície, relevo, vegetação, clima e época do ano (TUBELIS e NASCIMENTO, 1984) [2] .
Na analise dos dados de velocidade do vento para a região de Botucatu e concluiu-se que a velocidade média de 6,25 km/h demonstra uma grande possibilidade de uso desse elemento como fonte de energia alternativa (MARQUES JÚNIOR et. al., 1995) [3] .
A energia eólica pode ser aproveitada em bombas d'água para irrigação e outros propósitos. Assim, enorme quantidade de energia consumida para bombeamento d'água pode ser poupada pela introdução de bombas de catavento. E concluíram no trabalho que o bombeamento d'água usando a velocidade de bombear do catavento é muito econômica (MISHRA e SHARMA, 1992) [4] .
Em vários países da Ásia, considerável esforço está presente na existência de investimentos no desenvolvimento na aplicação da força eólica para bombeamento d'água para irrigação. Em áreas no norte da China e nas áreas costeiras do sul, cataventos são usados no bombeamento d'água (TSUTSUI, 1989) [5] .
A energia eólica pode ser convertida em energia útil por dois tipos de sistemas bem distintos, um de construção simples, o moinho de vento, que a humanidade utiliza já há 3.000 anos para produzir energia mecânica, e o outro, o aerogerador, que serve para produção de eletricidade e para o qual a experiência atual é muito limitada, mas que, em contrapartida, atraí muito interesse para o futuro. Até a década de 30, os cataventos eram muito populares entre os agricultores norte-americanos, essencialmente para o bombeamento de água (PLAZ, 1981) [6] .
O bombeamento d'água foi uma das primeiras aplicações da energia eólica convertida. Basicamente, um sistema de bombeamento é constituído por rotor eólico, bomba hidráulica, transmissão e dispositivo de controle (ARAÚJO e SIMÕES, 1986) [7].
MATERIAL E MÉTODO
Na pesquisa considerando-se a avaliação do potencial de implantação de um sistema de bombeamento de água utilizando a energia eólica na Fazenda Lageado, localizada no município de Botucatu, São Paulo, com localização geográfica definida pelas coordenadas 22° 51' Latitude Sul e 48° 26' Longitude Oeste e altitude média de 786 metros acima do nível do mar. Os dados meteorológicos de velocidade do vento média mensal diária a 10 m de altura de 1990 a 1999, foram fornecidos pelo responsável pela coleta de dados da Estação Meteorológica do Departamento de Ciências Ambientais - FCA/UNESP, Campus de Botucatu-SP e os dados de precipitação média mensal diária de 1987 a 1996, foram retirados do Dados Meteorológicos (1987/1996). Foram utilizados para este estudo catálogos técnicos dos fabricantes de cataventos e outros.
Neste estudo utilizou-se área varrida pelas pás dos rotores dos cataventos para avaliar o potencial desse recurso natural para utilização no bombeamento d'água. Entre as empresas que trabalham com cataventos no Brasil, consultou-se a Kenya [8] e Dicomex [9] .
Para cataventos, a empresa Kenya oferece várias opções que variam de acordo com a fonte de água que pode ser poço artesiano, poço semi-artesiano, açude, rio, represa, etc. Variam os tamanhos das torres de sustentação que podem ser de 6 a 24 metros. De acordo com os obstáculos encontrados nas imediações do local de bombeamento é feita a escolha do tamanho da torre; variam também as bombas a pistão que podem ser de 1 1/4 a 6 polegadas. A escolha da bomba é em função do volume de água requerido, da capacidade e do tipo de poço ou da fonte de água; mas o diâmetro do rotor é fixo em 3,20 metros com 18 pás.
A empresa Dicomex coloca no mercado o catavento FORTUNA. Este poder ser instalado em represa, rio, açude ou poço comum de até 90 m de profundidade. Variam os tamanhos de torres de 6 a 15 m; as bombas à pistão variam de 2 1/2 a 5 polegadas; ao contrário do catavento Kenya, no FORTUNA o diâmetro do rotor também varia e pode ser de 2,50 e 3,00 m com 16 pás, 3,03 m com 18 pás e 3,28 m com 24 pás.
Descreve-se a seguir o processo de determinação do potencial eólico para bombeamento, segundo (MIALHE, 1980) [10] .
O potencial eólico "P" disponível do vento, é obtida pela equação (1):
P/A = Potencial eólico (W/m2);
k = Valor tabelado;
V = Velocidade do vento (m/s).
Onde "k" é um valor tabelado a ser empregado no cálculo do potencial eólico para diferentes unidades de P, A e V. Pode ser observado na Tabela 01.
A equação (1) fornece o potencial energético do vento. Porém, apenas uma fração desse potencial poderá ser realmente convertido em trabalho útil por um catavento por exemplo. Através de pesquisas realizadas por Betz, chegou-se à conclusão que o catavento ideal consegue captar apenas 59,3% da potência disponível do vento. Essa porcentagem da potência do vento, que é possível ser captada por um motor eólico, tem sido denominada de "coeficiente de potência máxima (Cp)". Segundo estudos desenvolvidos, o valor de 0,593 para "Cp" não levam em conta as perdas aerodinâmicas no rotor, as variações da velocidade nos vários pontos da área de captação, o tipo de rotor e outras variáveis. Assim, na prática, o coeficiente "Cp" geralmente não ultrapassa o valor 0,3. A avaliação das potencialidades para utilização de motores eólicos, a partir dos dados dos ventos nos locais em estudo, pode ser realizada através da equação (2):
A determinação do potencial eólico fornece informações necessárias ao planejamento e utilização dessa fonte natural de energia de uma forma racional. Deve-se saber o quanto de energia está disponível e até que ponto pode ser convertida em energia mecânica ou elétrica.
A conversão subseqüente em potência de bombeamento resulta numa redução de potência disponível que depende das eficiências da transmissão e da bomba (ARAÚJO, 1990) [11] .
Numa primeira estimativa, para sistemas eólicos de bombeamento d'água, esses efeitos levam à seguinte regra prática: a Potência Hidráulica média de saída, num dado local com uma determinada velocidade média do vento é calculado pela equação (3):
Phidr - Potência hidráulica (W);
A - Área da pá (m2);
V - Velocidade eólica média (m/s).
Após a determinação da potência hidráulica verificou-se a vazão de água bombeada, contra altura manométrica. Este cálculo é fundamental para determinação do tipo e tamanho do sistema. É dado pela equação (4):
Qm - Vazão (m3/h);
Phidr - Potência hidráulica (W);
ra - Densidade da água (1000 kg/m3);
g - Aceleração da gravidade (9,8 m/s2);
Hm - Altura manométrica (m).
RESULTADO E DISCUSSÃO
A variação da velocidade média mensal do vento, no período de 1990 a 1999 é mostrada no Quadro 01. Estes dados demonstram que a velocidade média mensal é maior no período de julho a dezembro, situação esta também observada por Martins (MARTINS, 1993) [12] . Consequentemente, o potencial energético do vento é maior no segundo semestre. Sendo a velocidade média anual do vento de 3,1 m/s na Fazenda Lageado, torna-se viável a implantação de um sistema eólico do tipo catavento, pois ultrapassa o mínimo de 3 m/s, valor recomendado por Sousa (SOUSA, 1993) [13] para este tipo de aproveitamento eólico.
A média anual do potencial eólico de 19,42 W/m2, dada pelo Quadro 01 e pela curva da média mensal da velocidade do vento na Figura 01, confirma a viabilidade do aproveitamento da energia eólica na Fazenda Lageado por possuir um regime eólico propício para o aproveitamento deste potencial, pois este dado ultrapassa o valor de 15 W/m2 recomendado por Sousa (SOUSA, 1993) [13] .
Observa-se que os maiores valores do potencial eólico ocorrem no período de setembro a novembro, porém todo este potencial não é aproveitado integralmente, devido à eficiência dos equipamentos eólicos, onde somente uma parte é transformada em potência mecânica pelo rotor, resultando no potencial gerado pelo rotor dados estes calculados e apresentados no Quadro 01 e ilustrados na Figura 01.
Estes dados demonstram que é necessário uma escolha criteriosa do local onde vai ser instalado o sistema eólico "catavento", sendo embasada, principalmente, na correta determinação da velocidade do vento local ou, pelo menos, de local bem próximo a este, pois como se observa o potencial é diretamente proporcional ao cubo da velocidade do vento. Logo, variações na velocidade do vento acarretarão em alterações muito significativas no potencial fornecido pelo local.
A potência hidráulica gerada pelas velocidades médias mensais em função dos 5 diâmetros de rotores varia no decorrer do ano, sendo maior no segundo semestre, principalmente nos meses de setembro, outubro e novembro e os rotores de maior diâmetro fornecem potência hidráulica mais elevada, conforme dados do Quadro 01, observados na Figura 02.
Com auxílio das Figuras 02 e 03, pode-se avaliar no decorrer do ano as necessidades e as finalidades do bombeamento de água, em função dos índices de precipitação mensal e da potência hidráulica disponível, gerada pela velocidade do vento, destacando-se o período de junho a agosto, onde o índice de precipitação é o menor do ano, porém, com a ocorrência de uma velocidade média do vento de 3,1 m/s, que poderá suprir as necessidades de bombeamento de água neste período.
As Figuras de 04 a 06, mostram o comportamento das curvas dos dados de vazão, referentes às potências hidráulicas geradas em função dos diâmetros de 2,5 m, 3,03 m e 3,28 m, respectivamente, da velocidade média mensal do vento e da variação da altura manométrica de 2 a 20 metros.
As curvas de vazão obtidas na Figura 07, são referentes aos cinco diâmetros de rotores, calculadas em função da potência hidráulica gerada pela velocidade média de 3,1 m/s. A vazão observada nesta figura é dada em m3/h, mas é importante observar que a velocidade média do vento potencialmente pode ocorrer durar 24 horas por dia. Para o rotor de 2,5 m potencialmente pode bombear por dia 66,06 m3 e 6,61m3 e para o rotor de 3,28 m pode bombear 110,16 m3 e 11,04m3 para as alturas manométricas de 2 e 20 metros, respectivamente.
Os equipamentos eólicos do tipo cataventos, pelas situações de velocidade do vento e diferentes diâmetros do rotor analisados neste trabalho, oferecem uma maneira eficiente para acionamento de sistemas de bombeamento.
Para a escolha do diâmetro do rotor que atenda a vazão em função da altura manométrica, deve ser considerado a demanda diária de água em função da época do ano e da capacidade máxima de armazenamento deste volume. Analisando estes fatores simultaneamente é possível se fazer uma escolha satisfatória, lembrando que esses valores de vazão foram calculados para as condições mínimas de eficiência, podendo ser alterados para uma vazão ainda maior, com a instalação de bombas ou equipamentos que aumente a eficiência dos cataventos.
CONCLUSÃO
Para a velocidade média mensal do vento de 3,1 m/s, suficiente para produzir diretamente energia mecânica através de cataventos, e bombear um volume médio diário na faixa de 102 a 24 m3/dia, em função da altura manométrica variando de 2 a 20 m, respectivamente, considerando a potência hidráulica gerada e o diâmetro das pás do rotor de 3,28 m.
O volume de água a ser bombeado é suficiente para uso direto do consumo humano ou de animais, para pequenos sistemas de irrigação ou ainda armazenado em reservatórios para uma posterior utilização por gravidade, dependendo sempre da altura manométrica e da quantidade de água solicitada pelo usuário.
AGRADECIMENTOS
• Faculdade de Ciências Agronômicas e ao Curso de Pós-Gradução em Agronomia – Energia na Agricultura.
• CAPES, pela bolsa de aperfeiçoamento.
REFERÊNCIAS
[1] FEDRIZZI, M.C. Fornecimento de água com sistemas de bombeamento fotovoltaicos. São Paulo, 1997. 161p. Dissertação (Mestrado em Energia/Politécnica) - Faculdade de Economia e Administração, Universidade de São Paulo.
[2] TUBELIS, A.; NASCIMENTO, F.J.L. do. Meteorologia descritiva: fundamentos e aplicações brasileiras. São Paulo: Nobel, 1984. 374 p.
[3] MARQUES JÚNIOR, S.; VALADÃO, L.T.; VIEIRA, A.R.R.; MOURA, M.V.T. Análise dos dados de vento para a região de Botucatu - SP utilizando a distribuição beta. Rev. Bras. de Agrometerol. v.3, p.129-32, 1995.
[4] MISHRA, S.P., SHARMA, K.N. Utility of windmill in coastal belt of Orissa. Agricultural Mechanisation in Asia, Africa and Latin America, v.23, n.4, p.47-9, 1992.
[5] TSUTSUI, H. Water lifting devices with renewable energy for agriculture in Asia developing countries with emphasis on the chinese experience. J. of Irrig. Eng. and Rural Planning, n.17, p.31-47, 1989.
[6] PLAZ, W. Energia solar e fontes renováveis. São Paulo: Hemus, 1981. 358p.
[7] ARAÚJO, T.S., SIMÕES, R.J. Energia eólica. Brasília: ABEAS/MEC, 1986. 95p (Fascículo do Curso Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura).
[8] Cataventos. Encantado, s.d., 4p.
[9] MOINHOS à vento Fortuna: São Paulo: DICOMEX, s.d., 4p.
[10] MIALHE, L.G. A energia dos ventos. In:–. Máquinas motoras na agricultura. v.1. São Paulo: EDUSP, 1980. v.1, p.74-93.
[11] ARAÚJO,T.S. Energia eólica. In: ENCONTRO SOBRE ENERGIA NO CAMPO. Montevidéu: Rostlac, 1990. p.217-45.
[12] MARTINS, D. Determinação do potencial eólico na região de Botucatu - SP. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA, 25, 1993. Ilhéus. Anais...Ilhéus: Sociedade Brasileira de Engenharia Agrícola, 1993. p.826-39.
[13] SOUSA, J.W. Análise climatológica do potencial eólico no Estado de Minas Gerais. Viçosa, 1993. 107p. Dissertação (Mestrado em Agronomia/Meteorologia Agrícola) - Universidade Federal de Viçosa.
