An. 5. Enc. Energ. Meio Rural 2004
Desenvolvimento de um módulo combustor biomassa-motor stirling aplicado a sistemas de geração isolada e baseados em gerador de indução
Humberto Wilke; Electo Eduardo Silva Lora
Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI, Núcleo de Excelência em Geração Termelétrica e Distribuída - NEST
RESUMO
Em algumas regiões no Brasil a grande distância dos centros geradores e consumidores, juntamente com o baixo consumo de energia elétrica destas regiões, inviabilizam investimentos com transmissão e distribuição. Assim o uso da biomassa como combustível na geração distribuída, polui menos, é renovável, além de possuir um baixo custo quando comparado aos combustíveis fósseis [Barros, 2003]. Deste modo a geração distribuída através de combustível renovável, se torna uma atrativa solução para geração em regiões distantes e isoladas do sistema elétrico. Dentro deste contexto este trabalho propõe a utilização de um módulo combustor, biomassa-motor stirling, baseado em gerador de indução, aplicado a regiões isoladas, tais como as regiões norte e nordeste do Brasil.
ABSTRACT
In some areas in Brazil the great distance of the generating and consuming centers, together with the low consumption of electric energy of these areas, they make unfeasible investments with transmission and distribution. The use of the biomass as fuel in the distributed generation, is low pollutins, it is renewable, besides possessing a low cost when compared to the fossil fuels [Barros, 2003]. By the way the generation distributed through renewable fuels, becomes an attractive solution for generation in distant and isolated areas of the electric system. Inside of this context, this paper proposes the use of a module combustor, biomass-motor Stirling, based on induction generator, applied to isolated areas, such as the north and northeast areas of the Brazil.
1 Introdução
No Brasil a demanda por eletricidade tem crescido a taxas médias em torno de 6% ao ano e apesar disso, há ainda necessidade de continuar a crescer rapidamente. Mas o setor elétrico vem enfrentando dilemas sérios para sua expansão [Oliveira,1998].
A cultura de se construir grandes centros geradores está sendo abandonada. Grandes usinas demoram anos para serem concluídas e geralmente são instaladas longe dos centros consumidores, aumentando o custo de investimento com linhas de transmissão e distribuição, além de possuir um longo período de amortização do capital investido que pode levar décadas. Deste modo, investimentos em grandes plantas geradoras, não apresenta um mercado atrativo para empresas privadas, devido ao grande volume monetário envolvido e o seu longo período de retorno.
A falta de investimentos no setor elétrico nos últimos anos contribuiu para aumento dos riscos de falhas de fornecimento e na qualidade da energia elétrica que chega aos consumidores. A reestruturação do setor elétrico e do gás juntamente com o avanço de novas tecnologias vem-se criando um mercado competitivo voltado para os consumidores. Este novo mercado representa uma opção de grande potencial para a Geração Distribuída (GD) [Cobas, 2000].
A utilização de geração distribuída em regiões isoladas, utilizando biomassa e gerador de indução (GI), apresenta-se como uma alternativa de baixo custo, para potências abaixo de 50 kW [Pomilio, 2000].
2 Geração Distribuída
Geração Distribuída é uma nova abordagem na indústria elétrica e da análise da literatura especializada, pode-se observar que ainda não existe uma definição única, por exemplo:
O Electric Power Research Institute (EPRI), define GD como a geração de eletricidade desde poucos kW até 50MW.
O Gas Research Institute (GRI), define GD como sendo a geração de eletricidade deste 25kW até 25MW.
Assim uma definição geral para geração distribuída, consiste em:
Geração distribuída é a qualquer unidade de geração de eletricidade a pequena ou média escala, locada perto dos consumidores. Pode estar conectada na rede de distribuição ou diretamente conectada aos consumidores.
Isto significa que a GD não se situa somente no contexto de geração isolada, mas, por outro lado, não precisa de linhas de transmissão ou grandes plantas geradoras centralizadas [Cobas, 2000].
3 Biomassa
Uso da Biomassa como Combustível:
De uma forma simplificada, "Biomassa" é toda forma de vida vegetal existente acima da superfície utilizada como fonte de energia. Entram nesse espaço efetivamente: árvores, plantas, arbustos, frutas etc. [Lora, 2003].
- Certamente o primeiro combustível utilizado pela humanidade foi a biomassa. Com a descoberta dos combustíveis fósseis seu uso ficou mais restrito. Com a redução constante das reservas de combustíveis fósseis, sendo estes não renováveis, aliado à grande poluição causada com a queima dos mesmos, o uso da biomassa como combustível volta a ganhar força.
- Os paises tropicais apresentam grande vantagem em relação a tal combustível, devido ao clima tropical, o qual, favorece o cultivo de biomassa. Este é o caso do Brasil, que se destaca pela grande riqueza vegetal.
4 Motor Stirling
O primeiro motor que pode realizar trabalho útil foi o ciclo do motor Stirling, criado por Robert Stirling em 1816.
Os motores Stirling são conhecidos também como motores de combustão externa. Estes dispositivos funcionam de acordo com o ciclo stirling, utilizando geralmente como fluidos de trabalho o hélio, hidrogênio ou nitrogênio. A figura a seguir representa o funcionamento do ciclo Stirling, com suas diversas fases sem considerar as perdas (ciclo ideal).
Onde:
1-2 - Compressão isotérmica (na qual há também rejeição de calor).
2-3 - Calor é transferido ao fluido de trabalho a volume constante.
3-4 - Expansão isotérmica (há também transferência de calor ao fluido de trabalho).
4-1 - Calor é rejeitado a volume constante.
O ciclo termodinâmico Striling permite a construção de motores que podem funcionar a partir de qualquer fonte de calor. As pesquisas são recentes em todas as partes do mundo. Atualmente há algumas empresas se especializando na fabricação dos motores Stirling, Tab.1.
Esta possibilidade de utilização de vários tipos de combustíveis, (gás natural, óleo combustível, biomassa, diesel, gasolina, álcool, solar, entre outros), é um grande atrativo para o seu desenvolvimento como fonte alternativa de energia. Outras vantagens do ciclo Stirling são:
Operação silenciosa - não há combustão no seu interior;
Baixo desgaste interno, consumo de lubrificante e manutenção - o fluido de trabalho não entra em contato com o combustível. Evitando-se assim, a contaminação do mesmo;
Eficiência global em torno de 30% - o que pode tornar o motor Stirling competitivo com outras tecnologias;
Vida útil esperada em torno de 25000 h;
Possibilidade de operação em cogeração, neste caso a eficiência total, considerando a elétrica e térmica é em torno de 90%.
Diferentes arranjos físicos - os elementos essenciais em um motor Stirling são: dois cilindros, um para expansão e o outro para a compressão e três trocadores de calor. Estes, aparentemente componentes simples, podem ser dispostos de diversas maneiras possibilitando uma grande adequação ao espaço físico.
Como desvantagens podem ser citadas:
- Necessidade de vedação perfeita - os motores Stirling necessitam de boa vedação das câmaras que contém o gás de trabalho para evitar a contaminação do gás de trabalho pelo lubrificante. O rendimento do motor é normalmente maior com altas pressões, conforme o gás de trabalho, porém quanto maior a pressão de trabalho, maior será a dificuldade de vedação do motor. Como exemplo pode-se citar o uso do hidrogênio, um gás cuja molécula é de reduzido tamanho em altas velocidades e pressão (20MPa) [Cordeiro, 2002 ];
- Poucos combustíveis foram testados. Outros problemas podem aparecer quando combustíveis residuais forem utilizados. Entre os principais destacam-se: ferrugem, alcatrão e partículas, que podem reduzir a eficiência do trocador de calor [Lora, 2003];
- Somente motores de pequeno porte foram testados.
- Custo elevado, o motor Stirling é aproximadamente duas vezes mais caro se comparado a um motor a Diesel de mesma potência. O que encarece a fabricação é a produção de trocadores de calor ideais;
4.1 Princípio de Funcionamento
O princípio do Motor Stirling é completamente diferente dos motores de combustão interna comuns.
Motor Stirling e um motor térmico, que trabalha a partir da energia proveniente da expansão e contração de um gás. De acordo com a lei dos gases ideais, que relaciona as propriedades do gás: temperatura (T), pressão (P) e volume (V) com número de moles (n).
onde R é a constante dos gases.
Ou seja, todo ciclo termodinâmico envolve transformações com a variação de uma destas três grandezas fundamentais dos gases, que podem ser relacionadas de acordo com a equação.
Três diferentes configurações, chamadas de alfa, beta e gama, são comumente usadas. Cada configuração possui o mesmo ciclo termodinâmico, mas diferentes características de projeto mecânico [Bancha, 2002], Fig.2.
A chamada configuração "alfa" (Fig.3 ) do motor Stirling é, provavelmente, a mais fácil de se compreender. A configuração alfa se caracteriza por um arranjo simples de dois cilindros em separado que são conectados em série por um aquecedor, um regenador e um arrefecedor ou cooler.
É claro que essa descrição se constituiu na configuração mais básica e simples do ciclo Stirling, mas existem motores com configuração alfa de multicilindros [Carlsen, 2000]. Para o entendimento do ciclo é mais fácil utilizar-se a configuração apresentada.
Os seguintes componentes fazem parte deste arranjo:
- Regenerador: este componente do motor é usado para "armazenar" o calor durante parte do ciclo e devolvê-la ao gás durante o restante do ciclo. A inclusão deste componente do motor Stirling aumenta o rendimento, pois com o seu uso o ciclo se torna mais próximo do teórico. Desta forma as transformações ocorrem em temperaturas menos variáveis. Então, o regenerador é um trocador de calor composto por uma matriz de tubos ou um metal poroso, ou ainda, simplesmente uma cadeia ou labirinto de finas placas de metal na qual as paredes do metal (aletas) é que trocam calor com o gás.
- Fluido de trabalho: vários tipos de gases podem ser utilizados, a seleção adequada do gás depende principalmente de custo e eficiência. O gás é completamente isolado das partes móveis do motor em suas câmaras e devem ser consideradas as pressões ideais de trabalho, que variam conforme o gás.
- Pistões: na configuração alfa mais simples, há dois pistões. Cada piston age no "lado quente" do motor ou no "lado frio". São ligados a um virabrequim ou um sistema de alavancas, que determina o tempo necessário de atuação para o ideal fluxo de gás no motor Stirling.
- Aquecedor e Esfriador: o aquecimento e o arrefecimento do gás devem ocorrer em partes do ciclo. Para aquecer o gás várias fontes de calor podem ser usadas. A queima de um combustível, por exemplo, fornece calor ao gás de trabalho que pela expansão retira calor do cooler, por isso tem-se visivelmente o lado quente do motor e o lado frio.
4.2 Como Funciona o Motor Stirling
O "ciclo" é composto por quatro processos termodinâmicos seqüenciais (ciclo termodinâmico ideal). Cada fase do ciclo corresponde a uma transformação termodinâmica (processo) do fluido de trabalho (gás). Na realidade as fases não se processam isoladamente, o funcionamento aqui descrito é o teórico. As fases são listadas em ordem, e são válidas para um motor de configuração "alfa", conforme esquema, com o respectivo gráfico pressão-volume ao lado.
Serão usadas as denominações: "pistão frio" para se designar o pistão do lado frio do motor da configuração já apresentada, e "pistão quente" para o pistão do lado que trabalha com as temperaturas mais elevadas. As figuras representam a fase final da transformação.
1. Compressão isotérmica (temperatura constante)
O pistão frio se move para cima até um ponto intermediário (Ci), comprimindo o gás de trabalho, e o calor produzido pela compressão é simultaneamente removido.
2. Aquecimento isovolumétrico (volume constante)
O pistão do lado frio continua se movendo para cima, do ponto intermediário (Ci) até Cmax enquanto o pistão quente desce até o ponto intermediário (Hi) o que faz com que o gás atravesse o regenerador. Passando pelo regenerador o gás sofre um acréscimo de temperatura, pois o regenerador esta numa temperatura maior do que Tc. Com o volume constante este acréscimo na temperatura causa um aumento da pressão.
3. Expansão isotérmica
O gás é aquecido através de uma fonte de calor externa de temperatura (Th) e se expande. A expansão impulsiona o pistão quente até a posição inferior (Hmin).
4. Resfriamento isovolumétrico
O pistão quente retorna até a posição superior (Hmax) enquanto, simultaneamente, o pistão frio desce (Cmin) quando o gás passa novamente através do regenerador entregando calor que será usado novamente na fase dois. Esta transformação é a volume constante o que causa uma queda de pressão do gás. Esta fase completa o ciclo.
Deste modo, o ciclo Stirling provêm de um processo de volume constante durante a transferência do fluido de trabalho entre o espaço quente e frio do motor, e mantém a temperatura constante durante o processo de compressão e expansão.
4.3 Eficiência
Conforme já exposto, a eficiência do ciclo Stirling depende muito da pressão de trabalho e principalmente das temperaturas. A pressão e a temperatura são fatores limitantes na construção do motor. De fato, a construção de um motor que trabalha com pressões internas elevadas e com trocadores de calor exige atenção à vedação e à resistência mecânica, assim como, utilização de materiais especiais o que, sem dúvida, encarece o motor.
A eficiência teórica dos ciclos reversíveis é dada pela seguinte equação:
Eficiência =
Onde Tq é a temperatura absoluta da fonte quente e Tf é a temperatura absoluta da fonte fria. A eficiência real é sempre menor que a teórica, mas pode-se perceber claramente a relação desta com a diferença entre as temperaturas Tq e Tf.
Alguns testes foram realizados na Universidade Técnica da Dinamarca sob a coordenação do prof. Henrik Carlsen, onde foram obtido os seguintes resultados na utilização de motores Stirling:
Segundo Carlsen, utilizando-se cavacos de madeira como combustível, um motor Stirling de 35kW funcionou satisfatoriamente por mais de 800 horas. A potência total de saída desse motor foi de 28kW elétrico, valor inferior ao planejado, pois a temperatura da fonte quente foi menor que a projetada. A eficiência total do sistema (motor e forno de biomassa) foi de 18% a 20%, em função da umidade dos cavacos no forno de biomassa. Esse resultado foi considerado bastante satisfatório em pequenos motores Stirling que usaram cavacos de madeira para gerar eletricidade [ Carlsen, 2000].
Os resultados obtidos na Dinamarca, se referem à operação do motor Stirling acoplado a um gerador de indução operando conectado à rede elétrica. Para este tipo de conexão, não, há necessidade de um sistema de controle complexo. O gerador de indução é ligado diretamente à rede elétrica, sendo motorizado pela mesma. Assim sendo, o gerador serve de motor de partida para o motor Stirling, trabalhando a uma freqüência um pouco abaixo da freqüência síncrona da rede. Com o aumento da velocidade do motor Stirling, a freqüência do gerador operando como motor vai se aproximando da freqüência síncrona. Quando o rotor do gerador ultrapassar a freqüência síncrona o gerador, inicia-se o fornecimento de energia elétrica para a rede, passando de motor para gerador. Neste caso o gerador já se encontra sincronizado com a rede elétrica havendo a necessidade de apenas de monitoramento da corrente do gerador para que o mesmo, não ultrapasse a sua corrente nominal. Tendo em vista que o gerador de indução operado conectado à rede assume a freqüência e tensão da rede.
Para a operação deste gerador isolado da rede, a necessidade de um sistema de controle que garanta freqüência e tensão constantes é indispensável, como será apresentado mais a diante.
5 Gerador de Indução
A máquina de indução com rotor tipo gaiola (MIG) é freqüentemente comparada de modo favorável em relação aos demais tipos de máquinas elétricas por ser robusta, apresentar custos e manutenção reduzidos e possuir alta densidade de potência (W/kg). A despeito de suas vantagens, a MIG raramente é empregada como gerador, devido à sua regulação de tensão insatisfatória e à variação da freqüência síncrona, mesmo quando acionada sob velocidade constante no rotor e alimentando cargas com potência totalmente ativa [Chapman, 1998].
A máquina de indução pode ser usada como motor ou como gerador. O nome máquina de indução reporta-se ao fato de o enrolamento do estator criar um campo magnético girante que induz corrente alternada no enrolamento do rotor.
O desenho do enrolamento do rotor varia dependendo da necessidade de torque ou controle de velocidade. Duas categorias podem ser distinguidas: O rotor em gaiola de esquilo e o rotor tipo bobinado. Entretanto, a máquina de indução com rotor em gaiola de esquilo é a preferida para ser usada como gerador. O rotor em gaiola de esquilo consiste de barras de alumínio ou cobre, inseridas nas ranhuras do rotor. Todas as barras são ligadas em curto-circuito por dois anéis como mostrado na figura 4.
A máquina de indução em gaiola de esquilo é quase livre de manutenção, pois não há anéis coletores ou escovas de carbono.
Quando motores de indução, ou motores de uma forma geral são comparados, um dos parâmetros mais importantes é a relação conjugado-velocidade. A figura 5 mostra uma curva característica típica de uma máquina de indução com rotor em gaiola de esquilo. A faixa de operação da máquina de indução tanto na motorização como na geração representa apenas uma pequena parte da curva característica completa.
Quando a máquina de indução é operada como gerador, o seu eixo recebe potência mecânica através de uma máquina primária (no caso motor Stirling). Esta potência mecânica, após a subtração das perdas se converte em energia elétrica.
As perdas no gerador de indução são:
- Perdas mecânicas Pf: Estas perdas incluem todas perdas rotacionais tais como atrito em rolamentos e perdas devido à ventilação forçada ou resfriamento.
- Perdas no núcleo PFe: Perdas por histerese e correntes de Foucault devido a variações de densidade de fluxo magnético. As perdas no ferro do rotor são desprezadas, pois as variações de densidade de fluxo no rotor são pequenas.
- Perdas no cobre ou por efeito Joule: Pcue e Pcur: Estas perdas são devido à resistência ôhmica do estator e rotor, respectivamente.
A figura 6 ilustra o fluxo de potência da máquina de indução operando como gerador.
É interessante notar na figura 6 que o fluxo de potência reativa não é invertido quando a máquina de indução opera como gerador. A potência reativa necessária para produzir o campo magnético não pode ser fornecida pela máquina primária, nem pelo rotor em gaiola de esquilo (não há terminais no rotor). A máquina de indução, desta forma, somente pode operar fornecendo potência ativa se conectada a uma fonte externa de potência reativa.
Na operação isolada, um banco de capacitores pode ser conectado em paralelo nos terminais do estator para fornecer a potência reativa requerida pelo gerador de indução.
Mesmo com a presença do banco de capacitores, na operação isolada o uso de um sistema de controle (inversor de freqüência e retificador) para garantir tensão e freqüência constante para as unidades consumidoras se torna imprescindível. Pois o gerador de indução requer alteração da excitação para atender uma variação de carga. Entretanto, o banco de capacitores pode suprir apenas a corrente de magnetização na freqüência e tensão nominais do gerador.
O sistema de controle de tensão esta sendo desenvolvido para o gerador de indução, independentemente da carga da máquina. O método consiste basicamente de capacitores fixos associados a indutores controlados a tiristores para o controle da tensão. Já para garantir o controle de freqüência esta sendo estudado um sistema de controle de carga, acrescentando uma carga auxiliar à carga principal. Esta carga auxiliar compensa a entrada e saída de carga, fazendo com que o gerador enxergue sempre uma carga constante, a fim de manter freqüência constante.
6 Conclusões
A busca por fontes alternativas de energia é notável atualmente, principalmente devido ao esgotamento das fontes não renováveis de energia e devido à grande poluição gerada pela queima dos combustíveis fósseis amplamente utilizados até então.
Assim, o uso dos motores Stirling vem ganhando força. A grande vantagem observada nestes motores é o fato destes serem de combustão externa, podendo se utilizar qualquer fonte de calor, inclusive solar.
A possibilidade de estes motores trabalharem como pequenas plantas de cogeração, gerando potência elétrica e água aquecida, esta proveniente do sistema de refrigeração pode aumentar a sua eficiência. A eficiência dos motores Stirling, considerando a eficiência térmica e elétrica e de aproximadamente de 90%.
Neste trabalho, a discussão sobre o uso de motores Stirling como máquina primária na geração de eletricidade de baixa potência (menor que 50kW), representa uma opção atrativa para comunidades isoladas.
Para a geração de eletricidade a baixas potências, o uso de geradores de indução representa uma boa opção, devido ao seu baixo custo de aquisição e manutenção em relação aos geradores síncronos. Porém para que os geradores de indução possam operar em regiões isoladas um sistema de controle deve ser implementado, para que se tenha tensão e freqüência constante.
7 Referências
[1] Barros, R. W. Avaliação Experimental de Motores Stirling Utilizando Biomassa como Combustível, Universidade Federal de Itajubá, 2003.
[2] A.A.C.C, Oliveira e J.C. de Sá Jr. Uso Eficiente de Energia Elétrica; Universidade Federal de Pernambuco, Recife, 1998.
[3] Cobas, V. R. C. Análise Técnico Econômico e Normativo da Geração Distribuída, Itajubá, 2000.
[4] Pomilio, J. A. Sistemas de Geração Baseados em Gerador de Indução Operando com Tensão Regulada e Freqüência constante. SBA, Controle & Automação Vol. 11, Abril de 2000.
[5] Cordeiro, J. S. O Uso do Ciclo Stirling no Aproveitamento de Fontes Térmicas, 2002.
[6] Nogueira, L. A. H., Lora, E. E. S. Dendroenergia Fundamentos e Aplicações. Rio de Janeiro: Interciência, 2003, 2 ed.
[7] Bancha K. A Review of Solar-Powered Stirling Engines and Low Temperature Differential Stirling Engines, Renewable and Sustainable Energy Reviews, www.elsevier.com/locate/rser , 2002.
[8] Carlsen, H. Status and prospects of small-scale power production based on Stirling engines - Danish experiences, Technical University of Denmark, Denmark, Comunicação Pessoal, 2000.
[9] Chapman, J, Electrical Machinery Fundamentals, McGraw-Hill Series, 1998.
[10] www.steamenergy.com.au/atirling/history.