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How to cite this paperAn. 4. Enc. Energ. Meio Rural 2002
Software para dimensionamento de microcentrais hidrelétricas
Teófilo M. de Souza; Inácio Bianchi
Departamento de Engenharia Elétrica, Unesp/Guaratinguetá. 12516-410, Guaratinguetá-SP, tel/fax: (012) 525-2800 ramal 1801
RESUMO
A implantação e operação de uma central micro-hidrelétrica (menor que 100 kW) de forma racional, prática e econômica depende do estudo minucioso do projeto, sendo fatores importantes os preços da turbina, do gerador, da tubulação de água, da obra civil e dos condutores elétricos.
O software HIDRWATT fornece os dados para o dimensionamento e a instalação de micro-hidrelétricas de até 20 kVA e foi desenvolvido para ser executado em qualquer microcomputador PC/compatível.
O cálculo da potência instalada e a seleção da tubulação adequada são feitos considerando a vazão, a altura útil e o comprimento da tubulação adutora. O dimensionamento dos condutores é feito usando o método dos ampères × metros. Os cálculos são feitos para turbinas Pelton com instalação específica para uso em micro-hidrelétricas, de rendimento otimizado para altura útil acima de 1,5 m e vazão acima de 1,5 l/s, que utilizam geradores com ímã permanente de alto rendimento eletromecânico.
Em um único programa estão reunidos: o cálculo da tubulação adutora d'água, o dimensionamento da turbina, a especificação do gerador, o dimensionamento dos condutores com as respectivas proteções, e a geração de todas as informações a serem anexadas ao memorial de cálculo facilitando o orçamento e a execução do projeto.
O software mostrou-se de fácil uso, exigindo recursos computacionais mínimos. Sendo uma ferramenta de baixo custo útil para avaliação de viabilidade de implantação de micro-hidrelétricas, pode contribuir para a popularização destas centrais, permitindo um melhor aproveitamento do potencial hídrico das regiões rurais.
Palavras chaves: Micro-centrais hidrelétricas, micro-hidrelétricas, eletrificação rural, turbina Pelton, potencial hídrico, gerador elétrico.
ABSTRACT
Rational, practical and economic implantation and operation of a micro-hydroelectric plant (less than 100 kW) depend on the meticulously study of the project, in which important factors as the prices of the turbine, generator, pipeline, foundation and structural manpower, and electric conductors must be taken into account.
The software HIDRWATT supplies the data for design and installation of micro-hydroelectric plant of up to 20 kVA and it was developed to be running in any PC/compatible microcomputer.
Calculation of installed power and selection of adequate pipes are made considering the flow rate, the net head and the pipeline length. The specification of the conductors is made by using the amperes × meters method. The calculations are made for Pelton turbines with specific installation for micro-hydroelectric; of optimized efficiency for net head over 1.5 m and flow rate over 1.5 l/s that use high electromechanical efficiency generators with permanent magnet.
A unique program congregates pipeline calculation, turbine and generator specification, sizing of the conductors with respective protections, and generation of all information to be attached to the calculation memorial making the budget and the execution of the project easy.
The software revealed easy to handle, demanding minimum computational resources. As a low-cost tool useful for micro-hydroelectric implantation viability evaluation, it can contribute for popularization of micro-hydroelectric plants, and better exploitation of the hydric potential of the agricultural regions.
INTRODUÇÃO
O propósito deste trabalho é apresentar um programa escrito em BASIC, e também, de forma simplificada, os elementos necessários para o projeto de execução de micro-hidrelétricas, isto é, usinas usadas em pequenas quedas e pequenos volumes de água, e consequentemente, para geração de pequenas potências (entre 0,1 kW e 20 kW).
É importante estimular o setor agropecuário para a instalação de micro-hidrelétricas aproveitando o potencial hidráulico de cursos de água para a geração de energia elétrica. O software apresentado neste trabalho visa proporcionar uma orientação técnica aos interessados em realizar obras desta natureza, ou em examinar a possibilidade e conveniência de sua execução.
Uma conseqüência notável da crise energética que hoje preocupa seriamente o mundo inteiro é o interesse no melhor aproveitamento da energia hidráulica que pode ser proporcionada por desníveis de modestos córregos existentes em muitas propriedades rurais. O consumidor rural, na maioria das vezes, necessita da energia elétrica apenas para utilizá-la em lâmpadas elétricas de baixo consumo (de 5 W a 23 W), geladeira, televisão e aparelho de som (SOUZA, 1983[1]). Os demais usos no meio rural têm outras soluções, o chuveiro pode utilizar a água quente proveniente da serpentina e os aparelhos que necessitam de potência motora podem utilizar motores de combustão interna. Na eletrificação rural simples, a maior parte da energia elétrica consumida é utilizada para fins básicos, ou seja, uma potência total consumida que varia de 100 a 1000W (SOUZA, 1983[1]).
Os órgãos de pesquisas mostram que menos de 20% das propriedades rurais em todo país contam com energia elétrica (SOUZA, 1983[2]), (SOUZA, 1983[3]).
Alguns fatores que dificultam e encarecem a expansão da distribuição de energia elétrica no meio rural são: as grandes distâncias das linhas de eletrificação rural, que aumentam as perdas de energia, a subutilização dos transformadores, que na maioria das vezes estão funcionando bem abaixo do seu valor nominal, fornecendo energia somente para iluminação. Estes são desperdícios consideráveis, que podem ser evitados se o consumidor rural possuir sua própria fonte de energia elétrica. Isso indica que é necessário incentivar o homem do campo a explorar as suas próprias fontes de energia elétrica.
Há tempos se sabe que uma alternativa de melhor custo benefício tanto do ponto de vista dos governos estaduais ou federais, quanto do ponto de vista do setor rural, é a implantação de micro-hidrelétricas de fácil instalação e manutenção onde houver disponibilidade de quedas d'água ou córregos, mesmo que de pequenos volumes. Dada a sua importância, o uso deste tipo de geração foi incentivado oficialmente pelos órgãos do Governo Federal (ELETROBRÁS, 1985), porém, um problema tecnológico que limitou os efeitos deste incentivo na prática foi o baixo rendimento que os equipamentos de geração hidrelétrica de pequenas potências apresentavam.
De acordo com os dados de catálogo de fabricante (ALTERIMÃ, 2002) o uso de geradores de ímã permanente, sem escovas, sem retificadores, sem perda de potência elétrica para excitação, aliado à uma construção otimizada da turbina Pelton, podem aumentar em até 100% a potência elétrica gerada quando comparado com os sistemas convencionais.
O programa apresentado neste trabalho permite uma rápida avaliação do potencial energético de um curso d'água a partir dos valores da sua vazão média e do desnível útil, considerando o uso de geradores e turbinas modernos de alto rendimento eletromecânico para pequenas potências, disponíveis atualmente no mercado.
CONSIDERAÇÕES TÉCNICAS E PRÁTICAS
Os detalhes técnicos e práticos mais importantes a serem considerados na instalação de uma microcentral hidrelétrica são os seguintes:
- Para melhor aproveitamento da queda d'água pode-se fazer um reservatório onde a água não utilizada em um dado período possa ser armazenada para as horas de maior consumo.
- A obtenção da vazão média de um determinado córrego pode ser feita facilmente enchendo-se tambores de 200 litros, com o auxílio de uma calha, e registrando-se o tempo em segundos para cada enchimento. Calcula-se a vazão média em litros por segundo. Repetem-se as medidas por 10 vezes.
- É bom ter-se um histórico de no mínimo 20 anos da queda d'água, principalmente na época da seca, para se saber a potência mínima fornecida pela queda d'água.
- É importante o conhecimento dos conceitos fundamentais relativos ao aproveitamento da energia mecânica que podem fornecer as quedas d'água (proporcional ao volume da água disponível e ao desnível da queda), e desta forma, conhecer a máxima potência elétrica que pode ser gerada.
- Uma vez realizados os primeiros cálculos, será indispensável a orientação de um engenheiro ou de um técnico especializado para a elaboração do projeto definitivo, a execução das obras estruturais e hidráulicas, a escolha, compra e instalação das máquinas e demais acessórios necessários para a captação da energia hidráulica e sua transformação em elétrica de forma segura e eficiente.
- Uma vantagem do aproveitamento hidráulico de baixa potência é a não necessidade de concessão federal para a exploração de serviços de produção de energia elétrica pelo aproveitamento de quedas d'água, e de outras fontes de energia hidráulica, quando a potência aproveitada for inferior a 50 kW, seja qual for a destinação da energia gerada (ABNT, 1997).
- Embora as instalações hidrelétricas rurais para uso próprio sejam independentes das redes das concessionárias convencionais, é conveniente que as características da energia elétrica produzida sejam iguais àquelas empregadas nas grandes concessionárias. Isso facilitará a aquisição dos motores, máquinas e quaisquer outros aparelhos utilizados, pois se acharão normalmente presentes no mercado.
- Como sabido, é de uso generalizado em todo o Brasil a freqüência de 60 Hz. Por este motivo, no caso em que se tenha que instalar um gerador de corrente alternada, acionado diretamente no mesmo eixo da turbina, a velocidade desta última deverá corresponder aproximadamente àquela do gerador, determinada pela freqüência de 60 Hz, ou seja, de acordo com o número de pólos da máquina elétrica.
- Se a energia gerada tiver que ser transportada por uma certa distância justificando o emprego de transformadores, é conveniente que estes correspondam às tensões, freqüência e potências, padronizadas pelas fábricas para serem facilmente encontrados no mercado. Identicamente, a tensão dos ramais de serviços deverá obedecer também às padronizadas, isto é, 440V 381/220V ou 220/127V 208/120V no caso de distribuição trifásica e 220V, 127V ou 110V quando monofásica.
- Nas turbinas à ação a transformação é total, na saída do injetor a água possui unicamente energia cinética e praticamente encontra-se à pressão atmosférica (MACINTYRE, 1983).
- Na turbina Pelton da figura 1 o controle da potência efetua-se regulando a vazão do jato mediante um obturador de pino especial (obturador Doble) que faz parte do injetor. Além deste obturador, para regulagens rápidas, existe o desviador que pode desviar rapidamente o jato de água dirigido às pás independentemente do mecanismo do obturador.
DEFINIÇÕES E CÁLCULOS
São apresentados a seguir alguns cálculos e definições usados no programa (MACINTYRE, 1983).
A queda disponível numa instalação de turbina é o desnível entre a superfície da água na tomada e o nível de descarga do líquido no canal de descarga, e a queda útil é a diferença entre a altura correspondente à queda disponível e as perdas de carga nos elementos da instalação externos à turbina.
A vazão é o volume em litros d'água que passa pela turbina em um segundo.
A velocidade é o número de rotações da turbina por segundo.
A potência teórica é aquela que a turbina desenvolveria se o seu rendimento fosse igual a unidade.
O cálculo da tubulação é feito de duas formas, a primeira pelo método de Hazen Williams (MACINTYRE, 1983) e o segundo baseia-se na escolha em tabelas de tubulações fornecidas por fabricantes de turbinas. A proximidade entre os resultados dos dois métodos representa uma segurança de cálculo. Como resultado, escolhe-se o maior deles.
Para o cálculo da potência hidráulica deve-se levar em conta as perdas hidráulicas mediante um coeficiente de rendimento ηh.
A potência efetiva é aquela que leva em conta o rendimento volumétrico ηv e o rendimento mecânico ηm, neste estão contabilizadas todas as outras perdas exceto as hidráulicas e volumétricas.
O rendimento da turbina é a relação entre a potência efetiva e a teórica e equivalente ao produto:
A potência bruta P em cv, isto é, a energia que uma queda d'água pode fornecer por segundo, é dada por:
sendo H a altura da queda em m e Q a vazão d'água em 1/s.
A potência Pt na ponta do eixo de uma turbina hidráulica de rendimento ηt será:
Incluem-se em ηt o rendimento dos elementos hidráulicos e acessórios, como dutos forçados, comportas, etc.
A potência elétrica Pg em cv disponível nos terminais do gerador, cujo rendimento é ηg, acoplado à turbina será:
Se forem considerados as linhas de transmissão e os transformadores que apresentam um rendimento de transmissão ηl, a potência disponível no local de consumo será:
Para cálculos práticos aproximados, considerando o gerador à plena carga, podem ser adotados os seguintes valores de rendimentos:
ηt = 0,80
ηg = 0,95
ηl = 0,92
Assim, a potência nos terminais Pg e a potência disponível no local de consumo Pd em kW serão:
DESCRIÇÃO DO PROGRAMA
A seguir, apresenta-se uma descrição funcional do programa cujo fluxograma pode ser visto na figura 2.
No bloco de entrada geral de dados entram-se os seguintes valores: a vazão da queda d'água (em l/s); a altura útil e o comprimento da tubulação (em m); o valor da tensão do gerador (de 110V até 440V); a queda de tensão permitida entre o gerador e o centro de consumo (em %); sistema monofásico ou trifásico; distância entre o gerador e o centro de consumo (em m).
No bloco de cálculos para turbinas Pelton, avalia-se a potência instalada e faz-se a seleção da tubulação adequada considerando-se a vazão, a altura útil e o comprimento da tubulação adutora de água. O dimensionamento dos condutores elétricos para transmitir a energia até o centro de consumo é obtido a partir do cálculo da potência e da queda de tensão pelo método dos ampères x metros.
Os cálculos são feitos para a turbina Pelton com modo de instalação especial para uso em micro-hidrelétrica com rendimento otimizado para as faixas de altura vertical útil de 1,5 m a 22 m e vazão de 1,5 l/s a 100 l/s, utilizando alternadores de ímã permanente de alto rendimento eletromecânico. Para quedas d'água de maior volume com pouca altura vertical, o programa fornece a opção para uso de duas turbinas Pelton com um sistema de transmissão para obtenção da rotação necessária ao bom funcionamento do gerador.
No bloco de saída de dados, é gerado um arquivo contendo, além dos de entrada, os seguintes dados: área da seção transversal, comprimento e número de fios; número e especificação de disjuntores e fusíveis; queda de tensão calculada; potência líquida; número de pólos do gerador; rotação da turbina e do gerador; diâmetro da turbina no ponto de incidência do jato; número de conchas da turbina; diâmetro do injetor; diâmetro e comprimento da tubulação; distância entre o gerador e o centro de consumo; corrente do gerador.
EXEMPLO DE APLICAÇÃO
A tabela 1 apresenta os dados para um caso em que o software HIDRWATT foi executado e corresponde basicamente à interface textual com o operador usada pelo programa na entrada. Os valores em negrito significam os dados que o usuário digitou antes de teclar ENTER. A tabela 2 apresenta os dados obtidos após a execução do software utilizando os dados mostrados na tabela 1 como entradas e corresponde basicamente ao arquivo de saída textual que o programa gera.
Como pode ser visto na tabela 2 o exemplo escolhido para uma micro-hidrelétrica corresponde a um caso de grande vazão d'água e baixa altura entre a captação e o injetor.
Para este exemplo, devido à grande vazão e a baixa altura entre a captação e o injetor, o programa faz o cálculo para duas turbinas Pelton idênticas e apresenta os dados referentes a uma delas. Os dados da turbina seriam os mesmos caso o usuário optasse por uma com dois bicos injetores. Os parâmetros do gerador equivalem ao uso de uma ou de duas turbinas e contabilizam a potência total. Com a turbina à 225 rpm, para gerar tensão com freqüência de 60 Hz, necessita-se de um gerador de 32 pólos se o seu eixo for acoplado diretamente ao da turbina. Para usar um gerador de 4 pólos e manter os 60 Hz necessitam-se de polias, cuja relação de diâmetros calculada pelo programa é 8/1, para acoplar os eixos do gerador e da turbina.
COMENTÁRIOS E CONCLUSÕES
A geração de energia de micro-hidrelétricas, além de causar menor impacto ecológico, é mais barata e tem menor custo operacional do que a de geradores movidos a diesel ou a gasolina que, só de combustível gastam em um ano o valor do custo de toda instalação das micro-hidrelétricas (SOUZA, 1983[1]). Essas características somadas ao fato de sua rápida instalação representam grandes vantagens para o usuário rural.
Para os órgãos governamentais a eletrificação rural é cara, solicitando recursos que poderiam ser investidos em outras áreas, por isso, o consumidor rural deveria ser mais incentivado a gerar eletricidade para seu próprio consumo, o que até seria uma forma de fixar o homem no campo.
O programa elaborado mostrou-se de fácil uso, exigindo mínimos recursos computacionais facilmente encontrados atualmente, facilita os cálculos para avaliação de viabilidade de implantações de micro-hidrelétricas.
Feito para ser executado no DOS o programa apresenta uma interface textual pouco atrativa para o usuário. Isto pode ser resolvido portando-se o código para uma linguagem visual, como por exemplo DELPHI, o que pode dar a ele uma interface para ser executada dentro do ambiente WINDOWS, porém, isso faria com que ele perdesse uma de suas principais vantagens que é a leveza. Uma solução para o dilema é sem dúvida criar a versão para WINDOWS e manter também a versão para DOS funcionando.
É um programa que integra o cálculo da tubulação adutora de água, o dimensionamento da turbina, a especificação do gerador, o dimensionamento das bitolas e comprimentos dos condutores com as respectivas proteções, gerando todas a informações a serem anexadas ao memorial de cálculo, facilitando o orçamento do projeto. Sendo por todos estes motivos, uma ferramenta de baixo custo que pode contribuir para a popularização da prática de implantação de micro-hidrelétricas, permitindo um melhor aproveitamento do potencial hídrico das regiões rurais do país.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] SOUZA, T.M., Eletrificação Rural, Revista da Engenharia, Faculdade de Engenharia da UFJF; p.20; Dezembro; 1983.
[2] SOUZA, T.M., Microusinas Hidroelétricas: Dados Técnicos, Cálculo da Potência e Custo da Instalação, Revista da Engenharia; Faculdade de Engenharia da UFJF; p.16-17; Dezembro; 1983.
[3] SOUZA, T.M., Tipos de Linhas de Distribuição Elétrica Rural, Revista da Engenharia; Faculdade de Engenharia da UFJF; p.22; Dezembro; 1983.
[4] ELETROBRÁS, Manual de Microcentrais Hidrelétricas; DNAEE - Ministério das Minas e Energia; Rio de Janeiro; 1985.
[5] ALTERNADOR ALTERIMÃ, Catálogo de Alternadores N.H.; Manhuaçu - MG; 2002.
[6] ABNT, Norma NBR 5410 - Instalações Elétricas de Baixa Tensão -; Rio de Janeiro; 164p; 1997.
[7] MACINTYRE, A.J., Máquinas Motrizes Hidráulicas; Editora Guanabara II; Rio de janeiro; 1983.