Article in PDF format
How to cite this paperAn. 5. Enc. Energ. Meio Rural 2004
Bombeamento de água e geração de energia utilizando cata-vento
Jomar Esteves BuenoI; Teófilo Miguel de SouzaII
ICER-Centro de Energias Renováveis UNESP - Campus Guaratinguetá - SP E-mail: jomar.bueno@uol.com.br
IICER-Centro de Energias Renováveis UNESP - Campus Guaratinguetá - SP E-mail: teofilo@feg.unesp.br
RESUMO
Os moinhos de vento e mais popularmente falando os cata-ventos, vêm sendo utilizados há séculos, para moagem, para bombeamento e mais recentemente para geração de energia elétrica e até mesmo como decoração. Com grande potencial para geração de energia elétrica, vem se tornando uma fonte de energia alternativa promissora, gratuita, limpa e que já está sendo uma solução viável para a crise energética. Quando se trata de "domar" os ventos e transformar sua energia cinética em mecânica e posteriormente em elétrica, alguns países como a Dinamarca, Holanda e Alemanha, já estão bastante desenvolvidos. Instalando grandes fazendas eólicas seja em mar, seja em terra, com a finalidade de suprir energia elétrica diminuindo sua dependência das fontes tradicionais de geração de energia. Assim sendo, a energia eólica apresenta-se também como uma alternativa possível, praticável e ecologicamente correta para bombeamento e geração de energia alternativa, dando vida extra e otimizando o potencial de geração de um cata-vento.
Palavras Chave: Cata-vento, Fontes Alternativas, Sistema Híbrido, Energia Eólica
ABSTRACT
Windmills have been used as watermills by centuries and most recently as decoration and for generation of electric energy. With great potential for generation of electric power the windmills have became a promissory alternative source of energy, gratuitous, clean and it is being a alternative solution for the energetic crisis. Some countries as Denmark, Japan, Holland and Germany are technologically well advanced in terms of taking control of the winds and transforming the wind kinetic energy in mechanics energy. Building considerable "aeolian farms" either the see either the land with the purpose to supply electric energy diminishing its dependence on the traditional sources of energy. The aeolian energy is also presented as a possible, practicable and ecologically correct alternative for pumping and generation of alternative energy giving an extra life and optimizing the generation potential of a windmill.
1- Introdução
O vento é uma forma de energia cinética bastante irregular, pois praticamente qualquer lugar da Terra experimenta momentos de muito vento, pouco vento e em algumas regiões nem ao menos venta. Devido a isto, não é possível utilizar a energia dos ventos como fonte continua e única de geração de energia. Uma alternativa viável seria a instalação de sistemas híbridos, utilizando-se de mais de uma fonte alternativa.
A turbina eólica transforma a energia dos ventos em energia de rotação das pás, e essa energia é transformada, por sua vez, de diversas maneiras, de acordo com os objetivos a serem atingidos. Nos dois primeiros casos, a irregularidade dos ventos é compensada pela existência de um banco de baterias ligado ao sistema. No caso das bombas d'água, o reservatório é, por exemplo, uma caixa d'água. Na geração de energia elétrica: baterias carregadas por geradores associados a turbinas eólicas. As turbinas eólicas são empregadas como bombas d'água, como geradores de energia elétrica, como trituradores de grãos, e outros serviços mecânicos em geral. Para sua melhor utilização os sistemas de energia eólica devem ser ligados a reservatórios que acumulem e guardem essa energia gerada, liberando-a na medida em que houver necessidade.
Mantendo-se conceito de utilização de "Fontes Alternativas de Energia" sendo suma importância a otimização e o uso racional da energia elétrica, reservando sua utilização apenas àqueles equipamentos elétricos para os quais não exista alternativa.
2 - Sistemas Eólicos para Bombeamento D'água
Os cata-ventos são largamente utilizadas, desde tempos imemoráveis, como sistema de bombeamento e este parece ter sido uma das primeiras aplicações da energia eólica. Basicamente, um sistema eólico de bombeamento é constituído por rotor eólico, bomba hidráulica, transmissão e dispositivo de controle. Os dois últimos componentes são necessários para melhor adequar a operação conjunta dos dois primeiros e garantir o aproveitamento da energia de uma faixa de velocidade do vento.
2.1 - Dimensionamento de um sistema de Bombeamento
Apesar da evolução e do aperfeiçoamento tecnológico aplicados ao bombeamento, os conceitos são bastante simples. A seguir será apresentada uma forma sucinta e prática de dimensionamento de um sistema de bombeamento utilizando com força propulsora a energia eólica através de cata-ventos tipo americano (múltiplas pás).
2.1.1 - Cálculo da demanda de água (Consumo):
O consumo de água é definido em litros por dia e engloba todo consumo de água necessário para manutenção de um dia ou mais caso haja uma autonomia prevista.
A Tabela - 1 fornece uma idéia prática bastante próxima da realidade a qual poderá servir de base para se estimar o consumo de água para as mais diversas aplicações.
A demanda q (l/dia), será o somatório das estimativas de consumo de acordo com as necessidades de cada consumidor.
Para transformação da demanda (l/dia) para (l/s) pode-se utilizar a seguinte fórmula:
Para o cálculo da Vazão Diária necessária temos que:
Sendo FC Fator de Consumo, o qual é definido no intervalo de (0,2 à 0,65).
3 - Sistema Eólico para Geração de Energia Elétrica
O cata-ventos adotado foi o do tipo americano com 18 pás e os testes foram realizados em um cata-vento instalado em uma torre de 15 metros na região de Guaratinguetá/SP, cuja característica média de ventos é descrita na Tabela-2.
Os estudos se deram em duas linhas de pesquisa sendo bombemaneto e geração de energia elétrica em uma mesma montagem na torre do cata-vento tendo assim um sistema híbrido.
3.1 - Diâmetro das Pás
O diâmetro DPás (m) será obtido por:
3.2 - Cálculo da Potência Elétrica "P"
As fórmulas de cálculo das potências, para cálculo da Demanda, praticamente se resumem em CA - Trifásica, Monofásica e CC, como descrito abaixo:
A potência em CA é dada por:
Sendo que para os casos de tensões bifásicas ou monofásicas basta suprimirmos a •3e utilizarmos os demais parâmetros da fórmula.
Considerar cos φ=1,0 e η=1,0 para equipamentos elétricos diferentes de motores e lâmpadas fluorescentes.
A potência em CC é dada por:
O consumo será calculado com base na demanda de utilização das cargas o que é feito como descrito abaixo:
Consumo Médio Diário (CMD) = (Quantidade de Equipamentos x Pot.Nominal x Horas de utilização por dia x Número de dias por semana ) / 7 (Ah/dia)
Faz-se esta operação para cada equipamento ou grupo de equipamentos de mesma potência (AC e CC) e somam-se os resultados, obtendo assim, o CMD (A.h / dia).
Uma vez feito o levantamento das cargas Ac / DC e do consumo, estimam-se as horas de Velocidade Média do Vento V(m/s) e a autonomia desejada (dias sem vento).
Multiplica-se o CMD pelo número de dias sem vento (autonomia), de modo a garantir o fornecimento durante o período preestabelecido.
Ao escolher-se o modelo do Motor Eólico, deve-se multiplicar sua Corrente à Máxima Potência (Imp) pelo número estimado de horas de velocidade média do vento por dia, estimando-se assim, o tempo de geração de energia durante um dia, obtendo-se a Capacidade de Carga (CCG) (A.h/dia) que o Gerador deverá suprir.
3.3 - Turbinas Eólicas
Divide-se o CMD / CCM e obtém-se o Número de Turbinas em paralelo necessárias para suprir esta demanda diária (este número deve ser um número inteiro).
Com o mesmo raciocínio, divide-se a tensão CC do sistema pela tensão da Turbina Eólica, de modo a obter-se o número de turbinas eólicas em série para compor a tensão CC desejada (também deve ser um número inteiro).
Somando-se os dois resultados obtêm-se o total Turbinas necessários.
3.4 - Baterias
As Turbinas Eólicas não podem armazenar a energia elétrica gerada e para isso, utiliza-se de um banco de baterias o qual será o elemento acumulador dessa energia elétrica, tornando-a disponível sempre que necessário. Utilizam-se, basicamente, baterias de 12 V. Recomenda-se o uso de baterias seladas, livres de manutenção. Para os testes foram utilizadas baterias de alta qualidade com capacidade de 115 A/h em um banco com cinco baterias em paralelo. Para dimensionamento do banco de baterias deve-se multiplicar o CMD por um fator de segurança para garantir as possíveis perdas, ou seja:
Este resultado será multiplicado pelo Fator de Descarga da Bateria Tabela - 6.3 da bateria, para então se obter a capacidade mínima do banco de baterias.
Divide-se este resultado pela Capacidade de Carga da Bateria (CCB), obtendo-se o número de baterias necessárias em paralelo e, de modo similar, divide-se a tensão CC do sistema pela tensão da bateria (normalmente 12VCC) obtendo-se o número de baterias em série.
3.5 - Controlador de Carga
Conectado a um gerador, um banco de baterias e os equipamentos por ele alimentados, funciona como regulador de tensão, protegendo a bateria contra sobre e subcorrentes, não diminuindo sua vida útil.
Também serve para monitorar a tensão da bateria e desconectar a saída quando a bateria atingir a tensão mínima recomendada, evitando que o usuário drene totalmente a carga da bateria, o que provocaria a sua destruição.
O controlador será dimensionado multiplicando-se a Imp por 1,45 (Fator de Segurança), ou seja:
Em posse deste resultado garante-se a escolha de um regulador com Imax > Imp.
A quantidade de reguladores em paralelo é dada pela Imax calculada dividido pela Imax do regulador escolhido.
3.6 - Inversor DC/AC
Por fim o inversor é escolhido para suprir uma potência AC > potência AC estimada.
4 - Descrição da Planilha
Optou-se por utilizar as planilhas excel por ser uma ferramenta bastante difundida, de fácil utilização e compreensão, atingindo não somente o meio acadêmico mas também o publico em geral.
4.1 - Utilização da Planilha (Bombeamento)
De forma lógica e seqüencial o usuário é orientado através da solicitação dos dados de projeto e conseguinte apresentação dos cálculos e resultados, o que pode ser visualizado na figura a seguir.
Para levantamento do consumo diário de água é apresentada uma tabela iterativa com as principais necessidades de abastecimento e consumo humano e animal em função da altura do reservatório. Também é solicitada a velocidade média do vento assim como as horas de ocorrência ao longo do dia. Na seqüência a planilha apresenta a Vazão diária necessária em l/s e o Diâmetro mínimo das pás necessário para suprir o abastecimento necessário. Os cálculos foram realizados com base nos resultados práticos obtidos com o modelo experimental utilizando-se uma bomba de êmbolo.
Por fim pode-se escolher um modelo adequado de cata-ventos em função do diâmetro das pás, considerando-se este diâmetro maior ou no mínimo igual ao calculado.
4.2 - Utilização da Planilha (Geração de Energia Elétrica)
Mantendo-se a mesma forma lógica e seqüencial o usuário é guiado através da solicitação dos dados de projeto e conseguinte apresentação dos cálculos e resultados o que pode ser visualizado pela Figura-5.
Os dados iniciais; Autonomia (dias sem vento); Velocidade média e Horas de vento por dia são solicitados logo no início da planilha. O diâmetro das pás é calculado em função da Potência necessária para a carga a ser alimentada, o que é calculado em planilha auxiliar de dimensionamento de cargas. Pode-se então, escolher o modelo de cata-ventos e o respectivo diâmetro atendendo ao mínimo exigido para suprir a potência de demanda.
Na seqüência especifica-se o Gerador, Banco de Baterias, Controlador de Carga e por fim o Inversor e respectivos dispositivos de proteção para cada parte do sistemas assim como a fiação adequada.
A planilha apresenta ainda, em forma de "worksheets", Tabelas, Cargas AC-DC e Exemplos, necessárias para o dimensionamento e apresenta exemplos práticos para facilitar a compreensão de sua forma de utilização.
5 - Comentários e Conclusões
A forma de aproveitamento da Energia Eólica seja como bombeamento, seja como geração de energia elétrica, seja para geração de outras formas de energia, é hoje sem sombra de dúvidas, mais uma das alternativas energéticas para se enfrentar os desafios energéticos da atualidade e futuro.
Assim sendo, a proposta deste trabalho foi fornecer conceitos mínimos necessários, ferramentas básicas e práticas de projeto de sistemas eólicos (bombeamento e energia elétrica) dando uma idéia de sua vasta aplicação, assim como o reaproveitamento de cata-ventos já instalados e que vinham sendo utilizados apenas para bombeamento. Desta forma a utilização de cata-ventos pode ser otimizada, melhorando ainda mais seu custo benefício e proporcionando maior aplicabilidade acarretando em uma considerável economia de recursos.
Agradecimentos:
Os autores agradecem a Cata-ventos Fênix Fortuna, as Baterias Delphi, a AVANT Lux, a Protec, a Unitron e a WB Eletro-Eletrônica pelas doações.
Referências:
[01]- Souza, T. M., Bianchi, I. Leonel, R. C. "EVALUATION OF A PERMANENT MAGNET GENERATOR OPERATED BY AN 18-BLADE WINDMILL". WWEC, 2003, Capetown, Africa do Sul, pag. 158.
[02]- Souza, T. M., Affonso, C.E, Bianchi, I. "Software for small wind-electric power plants design". WWEC, 2003, Capetown, Africa do Sul. pag. 183.
[03]- Souza, T. M., Leonel, R. C. "Evaluation of a permanent magnets generator to be driven by windmills", VCLAGTEE, São Pedro, SP, pag. 203
[04]- Souza, T. M., Affonso, C.E. " Software for Design of Electric Energy Systems with Wind Mills Utilizing Permanent Magnets Generator for Small Power Supply ", VCLAGTEE, São Pedro, SP, pag. 252
[05] - Aldabó, R. "Energia Eólica" ArtLiber, 2002