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CONSTRUO DE UM PROTTIPO HIDROCINTICO EM ESCALA
REDUZIDA PARA GERAO DE ENERGIA ELTRICA APLICADO A
EDUCAO
Tefilo R. M. Silva [email protected] Universidade Federal
do Par, Faculdade de Engenharia Mecnica
Rua Augusto Corra, 01 Guam
66075-110 Belm Par Svio W. O. Figueiredo [email protected]
Jerson R. P. Vaz [email protected] Dborah A. T. D. R. Vaz
[email protected]
Resumo: Este trabalho apresenta fundamentaes da gerao de energia
eltrica atravs
do uso de um prottipo construdo em escala reduzida de uma
turbina hidrocintica para
alunos da graduao em engenharia mecnica e alunos do ensino mdio,
com intuito de
facilitar o entendimento dos mecanismos, suas dificuldades e
vantagens, alm da divulgao
da necessidade que o mundo tem de encontrar e implantar novas
tecnologias de gerao das
chamadas energias limpas. Neste artigo discutida a construo e a
montagem
dos componentes presentes no mecanismo do projeto, o qual
consiste em um rotor que
aproveita parte energia cintica do fluxo de gua bombeada em um
tanque e a transmite em
forma de energia cintica de rotao atravs de eixos-rvore, polias
e correias para um
pequeno gerador eltrico que alimenta a rede de iluminao de uma
maquete instalada em
uma bancada. Este mecanismo demonstra claramente e
pedagogicamente a gerao de
energia eltrica usando uma turbina hidrocintica.
Palavras-chave: turbina hidrocintica, energia limpa, gerao de
energia
1 INTRODUO
Uma das grandes preocupaes que a sociedade mundial enfrenta com
relao aos
impactos ambientais devido gerao de energia, e de como
desenvolver novas tecnologias
para que a demanda de fontes renovveis possa ter maior
participao na matriz energtica
mundial. Problemas ambientais como, o aquecimento global esto
associados crescente
emisso de poluentes provenientes do uso de combustveis fsseis.
Por isso importante
investir no desenvolvimento de tecnologias de converso de
energia, alm do que, de
fundamental importncia que o aluno de engenharia esteja inserido
nesse contexto, pois
necessrio que a universidade participe dessas transformaes
energticas na sociedade (Sale et al., 2009).
Como resposta a essa necessidade o uso de tecnologias como a da
turbina hidrocintica se
mostram como um interessante meio de gerao de energia. Tal
tecnologia renovvel e no-
poluente (Rodrigues, 2007). Seu princpio de funcionamento
utiliza a energia cintica de gua
e a converte em energia eltrica por meio dos equipamentos
adequados. Alm disso, pode
funcionar em uma grande variedade de rios, desde os pequenos aos
grandes, sem interromper
o fluxo natural das guas. A viabilidade de sua aplicao depende
de estudos das
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caractersticas apresentadas pelos rios tais como velocidade das
guas, profundidade,
perenidade, presena de entulhos entre outras.
A divulgao da existncia de alternativas energticas com menor
dano ao meio ambiente
se mostra como um passo fundamental para o uso e desenvolvimento
de novas tecnologias,
principalmente na regio amaznica, onde so inmeros os rios com
bom potencial
hidrocintico. Na graduao em engenharia mecnica, a disseminao
desse conhecimento
permite aos alunos entenderem melhor o mecanismo de
funcionamento e tambm
desenvolverem melhorias para o assunto em questo. Essa divulgao
no se prende apenas a
graduandos, o trabalho tambm apresentado a alunos do ensino mdio
da regio na tentativa
de aumentar o interesse desses jovens sobre o assunto.
O presente trabalho trata da construo de um sistema hidrocintico
em escala reduzida
em uma bancada de carter educativo com intuito de apresentar
graduao a aplicao dos
conhecimentos de vrias reas da engenharia quanto gerao de
energia com
aproveitamento de recursos naturais e renovveis com baixo
impacto ambiental. O sistema
compreende uma maquete com um prottipo de turbina hidrocintica
submersa em um tanque
contendo gua. A gua bombeada no tanque de forma a fazer a
recirculao da mesma,
imprimindo velocidade ao fluido e mantendo o volume de lquido
constante, alm de ser
flexvel quanto a sua montagem e desmontagem, onde o aluno pode
ter noo de manuteno
de rotores, clculo de perda de carga e gerao de energia eltrica
para atendimento de
pequenas comunidades isoladas.
2 PROJETO DO SISTEMA HIDROCINTICO EM ESCALA REDUZIDA
2.1 Projeto e funcionamento da bancada
O processo de conscientizao sobre o uso das energias renovveis
pode ser otimizado
atravs da utilizao de meios didtico-pedaggicos. Para tal fim foi
planejada a construo
de uma maquete na qual representado um vilarejo com o
abastecimento eltrico advindo de
uma turbina hidrocintica.
A bancada aqui descrita tem o objetivo de apresentar uma aplicao
do sistema
hidrocintico atravs de um prottipo em escala reduzida que
utiliza os conceitos usados em
instalaes reais. Atravs da visualizao do prottipo e do circuito
eltrico em
funcionamento o pblico alvo ter a possibilidade de obter melhor
entendimento da operao
de tal mecanismo de converso de energia.
O funcionamento do mecanismo est representado atravs da Figura
1, onde parte da
energia cintica fornecida pela bomba ao fludo aproveitada pelo
prottipo para ser
convertida em energia eltrica alimentando os componentes do
circuito presente ao longo da
maquete e a outra parte que se mantm no fluido.
Figura 1 - Ilustrao do sistema hidrocintico utilizado na
bancada.
Bomba d'gua Fluxo d'gua
Turbina
Gerador
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A construo da bancada teve como base os desenhos mostrados na
Figura 2 e estudos
relacionados gerao de energia atravs de turbinas hidrocinticas.
Os desenhos em 3D
exibem a bancada, a maquete e o prottipo.
Figura 2 - Desenhos em 3D na fase de projeto.
A bancada tem como funo comportar as trs partes principais do
projeto: o sistema
hidrulico, o prottipo de gerao de energia e a maquete com a
pequena cidade como mostra
a Figura 3. O projeto facilita o entendimento de questes
importantes envolvidas em
engenharia, pois correlaciona reas do conhecimento como
hidrulica, materiais, eletrnica,
turbomquinas, transmisso de potncia, mecnica dos fluidos
etc.
Figura 3 - Maquete (1), tanque (2), sistema hidrulico (3),
bancada (4)
2.2 Projeto e funcionamento da maquete
A maquete simula uma pequena comunidade geograficamente isolada
s proximidades de
um rio, onde o suprimento energtico das concessionrias locais no
est disponvel. Sabe-se
que, cerca de 85% dos pequenos povoados localizados no interior
do estado do Amazonas ao
longo da calha oriental do rio amazonas so razoavelmente
atendidos pela concessionria
(1)
(2)
(4)
(3)
-
local utilizando motor diesel-eltrico e os 15% restante esto em
regies que impossibilitam
esse atendimento (IBGE, 1992). Tal aspecto, mostra que h a
necessidade de desenvolver
novas tecnologias capazes de atender comunidades isoladas, alm
de reduzir os impactos
ambientais promovidos pelos combustveis fsseis existentes em
muitos dos pequenos
vilarejos da regio amaznica.
Portanto, no presente trabalho, descreve-se um sistema
hidrocintico em escala reduzida
que simula a gerao de energia utilizando recursos dos prprios
rios da regio. Neste caso, a
maquete utilizada abastecida pelo sistema hidrocintico instalado
no centro do tanque. As
imagens da construo e funcionamento da maquete aparecem na
Figura 4. Os componentes
foram projetados em escala de 1:20. O circuito eltrico da cidade
possui nove LED de cor
branca de alto brilho ligados em paralelo a uma tenso mdia
contnua de 2.8V e corrente de
0.7mA fornecida pelo gerador CC. Os dados de tenso so fornecidos
por um multmetro
analgico instalado na maquete, figura 3. Os componentes
presentes na maquete e no sistema
eltrico so: duas casas, postes, fiao eltrica, LED, multmetro,
capacitor, um dispositivo
regulador de tenso para evitar sobrecargas.
A maquete ajuda o aluno a compreender que o sistema hidrocintico
capaz de substituir
por completo o fornecimento energtico tradicional proveniente
das redes de distribuio. Tal
feito representa uma quebra de paradigma, j que para muitos as
energias renovveis so
vistas como realidades distantes. Equipamentos domsticos como
lmpadas, ventiladores,
refrigeradores entre outros so perfeitamente acionados com esse
tipo de fonte.
O circuito eltrico da bancada tambm pode ser usado como exemplo
de uma aplicao
prtica de conceitos de eletrotcnica visto em sala de aula,
mostrando a funo de cada
componente e suas devidas formulaes, proporcionando aos alunos
entendimento sobre
circuitos eltricos associados a partir do acionamento mecnico de
rotores hidrocinticos.
Figura 4 - Imagens da construo e funcionamento da maquete.
2.3 Sistema hidrocintico em escala reduzida
O prottipo tem como objetivo gerar energia eltrica para um
pequeno sistema espalhado
ao longo da maquete, que foi construda com uma configurao
proposital para que a
observao de seus componentes e de suas operaes seja clara. Seu
funcionamento d-se
pela passagem da gua no plano do rotor da turbina, fazendo-o
girar, transmitindo a potncia
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atravs do sistema de transmisso por correias at o eixo do
gerador ligado ao sistema
eltrico.
Os componentes presentes no sistema mecnico so: (1) rotor de
alumnio de 12 ps com
10 cm de dimetro fixado ao eixo por buchas; (2) eixo de ao macio
com 8 cm de
comprimento e 3mm dimetro apoiado em mancal de deslizamento; (3)
polia motora com
dimetro de 55mm; (4) polia movida de dimetro igual a 6,85mm; (5)
correia; (6) gerador
eltrico e estruturas de acrlico. Estes componentes so
apresentados nas Figuras 5 e 6.
Figura 5 - Imagens do prottipo.
Figura 6 - Componentes do prottipo
O rotor o componente mecnico composto por ps que so responsveis
por aproveitar
a energia cintica presente no fluxo de gua e transform-la em
energia cintica de rotao.
As caractersticas geomtricas dessas ps afetam diretamente o
desempenho da turbina e por
isso devem ser estudadas e controladas. Os estudos nessa rea so
importantes para a
otimizao das formas e perfis de ps e para o avano dessa
tecnologia, pois aumenta a
eficincia da turbina e torna o seu uso ainda mais interessante
do ponto de vista da capacidade
de fornecimento energtico. No caso desse trabalho foi escolhido
um rotor com chapas curvas
de alumnio, que apesar de no apresentar boa eficincia se
comparado aos perfis usados nas
turbinas reais atende s necessidades do projeto em questo.
Transmisso mecnica o subsistema necessrio para o acoplamento
entre o eixo do
rotor com o eixo do gerador. A sua eficincia tambm importante
porque afeta
consideravelmente o rendimento geral do prottipo. Para melhorar
o rendimento da
transmisso devem ser observados parmetros e conceitos sobre o
assunto. A relao de
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
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transmisso, que dada pela razo entre o dimetro da polia movida
pela polia motora, um
dos parmetros que devem ser bem calculados, pois influencia
bastante a gerao do sistema.
A transmisso por correia foi escolhida pelo fato de ser mais
simples de ser construda e de
bom acesso visual por parte do observador.
O gerador eltrico o componente do prottipo responsvel pela
converso da energia
que vem da transmisso mecnica em energia eltrica. Uma ateno
especial deve ser dada a
este componente, porque sua forma de operao e eficincia afeta
substancialmente a gerao
energtica da turbina. Para se ter uma idia, para um mesmo rotor
e dois geradores diferentes
pode haver maior ou menor eficincia no sistema. Por exemplo, o
uso de um gerador eltrico
assncrono para sistemas com altas variaes de velocidade menos
eficiente do que um
gerador sncrono de m permanente, que apropriado a baixas rotaes
e altos torques, alm
de serem mais adequados a grandes variaes de velocidade, como
ocorrem em turbinas de
pequeno porte. Desta forma, para um estudante de engenharia tais
conhecimentos so
relevantes, pois a deciso sobre o tipo de gerador eltrico a ser
utilizado em uma turbina de
eixo axial afeta diretamente o bom dimensionamento do
sistema.
3 OS DESAFIOS E SOLUES ENCONTRADOS NA CONSTRUO E NO
FUNCIONAMENTO DO SISTEMA
Durante as fases de testes notou-se que o escoamento dentro do
tanque estava muito
turbulento, o que influenciava negativamente na rotao da
turbina, reduzindo a sua
eficincia. A turbulncia um fenmeno caracterizado por movimentos
tridimensionais
aleatrios de partculas fluidas fazendo-as se misturar enquanto
se movimentam ao longo do
escoamento (Fox et al.,2010) e reduz a quantidade de energia
disponvel no fluxo de gua
incidente para aproveitamento pela turbina. Por isso o
escoamento de gua deve se apresentar
o mais laminar possvel para uma melhor eficincia do rotor.
Levando-se em conta essa
observao, resolveu-se introduzir um dispositivo chamado "colmia"
para amenizar essa
turbulncia. A Figura 7 mostra os diferentes tipos desenvolvidos
neste trabalho.
Figura 7 - Colmias para reduzir o efeito turbulento do
escoamento
Foram aplicados trs tipos de colmia, uma com 154 dutos e 3 mm de
dimetro, outra
com 3 dutos com dimetro igual a 9 mm, e outra com 4 dutos de
mesmo dimetro da anterior.
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A primeira tornou o escoamento laminar, porm ocorreu uma grande
perda de carga devido ao
grande nmero de dutos e ao dimetro reduzido destes. Este fato
diminui a velocidade do
fluido, no atendendo satisfatoriamente ao sistema, reduzindo a
potncia do rotor (Hirsch &
Worthington, 2008 e Vaz et al., 2010). A segunda acionou o
sistema eltrico e ligou os nove
LED, porm, devido m distribuio do fluxo nas ps do rotor, gerou
uma grande vibrao
no rotor, que foi sentida na luminosidade dos LED. J a terceira,
com quatro dutos, acionou o
sistema e manteve a tenso eltrica relativamente constante
deixando o brilho do LED mais
uniforme.
Quanto aos rotores, foram feitos testes com dois tipos, um com 4
e outro com 12 ps
todos desenvolvidos com chapas curvas. Optou-se pelo rotor de 12
ps devido a sua menor
vibrao e maior torque obtido em relao ao de 4 ps. A vibrao causa
dissipao de
energia no sistema, ocasionando a perda da eficincia do conjunto
e a oscilao da tenso
gerada. A Figura 8 ilustra os rotores.
Figura 8 - Rotores utilizados.
Outro problema encontrado foi adequar um gerador potncia
fornecida pelo eixo da
turbina. Considerando que o modelo em questo apresenta-se em
escala reduzida o eixo do
rotor deve fornecer um valor de torque suficiente para vencer os
esforos resistentes do
sistema de transmisso e girar o eixo do gerador que, por sua
vez, deve oferecer a menor
resistncia possvel ao torque fornecido atravs das polias. A
soluo deste problema foi
conseguida atravs da instalao do gerador com baixo torque
resistente indicado na Figura 9.
Figura 9 - Gerador escolhido
Como a maioria dos componentes foi feitos sem auxilio de
maquinas de preciso as
melhorias no prottipo no foram suficientes para eliminar
totalmente a oscilao da tenso.
Assim sendo, foi empregado um dispositivo eletrnico (capacitor)
para efetuar essa tarefa.
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Antes e aps a instalao dos capacitores foram feitas medies e
comparaes da tenso
gerada no circuito com o auxlio de um multmetro digital com
capacidade de aquisio de
dados. Na Figura 10 so mostrados dois grficos da tenso em funo
do tempo decorrido
obtidos pelo aparelho. O capacitor um dispositivo armazenador de
cargas eltricas e age
como filtro no circuito, de forma a reduzir parcialmente as
oscilaes de tenso do gerador.
No momento em que ocorre a queda na potncia fornecida pelo
gerador o capacitor age
repondo cargas eltricas no circuito.
Figura 10 - esquerda, sem capacitor. direita, com capacitor.
Todos os desafios e solues que foram encontrados durante o
processo de confeco da
bancada so discutidos junto aos alunos durante apresentaes do
projeto, dando uma maior
ateno a graduao comentando os fundamentos tericos usados para
cada etapa de projeto.
4 CONSIDERAES FINAIS
O projeto desenvolvido contribui para a disseminao do
aproveitamento da energia do
fluxo da gua na forma de energia eltrica, objetivando o uso
renovvel de energia com baixo
impacto ambiental. claro que por se tratar de um prottipo em
escala reduzida s gera
pequenas potncias. No entanto, apresenta-se como uma forma
prtica de levar o
conhecimento da energia hidrocintica aos graduandos em
engenharia, principalmente pelo
fato de que, apesar da tecnologia hidrocintica ser nova j existe
turbinas de maior porte em
operao capazes de gerar maior potncia e acionar dispositivos
domsticos, importantes para
a rotina das pessoas como: computadores, televises, geladeiras,
lmpadas, ventiladores etc
(Souza et al., 2006).
de suma importncia para o ensino nas graduaes em engenharia a
criao de
programas que estimulem o aprendizado ao uso de novas
alternativas energticas ainda em
desenvolvimento. Com a visualizao do modelo em operao o aluno
pode ter uma melhor
percepo do funcionamento da turbina, dos dispositivos a ela
acoplados, dos princpios
fsicos envolvidos, das aplicaes do modelo, das dificuldades de
projeto e instalaes
empregadas. O modelo tambm abre pauta para vrias reas de estudo
como modelagem
estrutural de perfis de ps, aerodinmica, vibraes entre
outros.
5 REFERNCIAS
Livro
Fox, R. W.; McDonald, A. T.; Pritchard, P. J. Introduction to
Fluid Mechanics LTC, 7th ed., Rio de Janeiro, Brazil, 2010. p.
38.
-
Artigos
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Projeto Potencialidades,
Fundao Instituto Brasileiro de Geografia e Estatstica. Rio de
Janeiro, 1992. p. 25.
Souza, F. M.; Oliveira, T. F.; Brasil Junior, A. C. P. "Estudo
Experimental de um Modelo
Reduzido de Turbina Hidrocintica", Departamento de Engenharia
Mecnica,
Universidade de Braslia, Braslia, DF, Brasil, 2006. 10p.
Trabalhos em eventos
Hirsch, Brian; Worthington, Monty. Hydrokinetic Turbines in
Canals: Potential and Reality. Bureau of Indian Affairs Tribal
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Sale, D.; Jonkman, J.; Musial, W. Hydrodynamic Optimization
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Rotors. ASME 28th International Conference on Ocean, Offshore, and
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Vaz, D. A. T. D. R.; Vaz, J. R. P.; Blanco, C. J. C.; Pinho, J.
T. Uma Extenso do Mtodo BEM Aplicada ao Projeto de Rotores
Hidrocinticos de Fluxo Livre. III Congresso Brasileiro de Energia
Solar, Belm, Par, Brasil, 2010.
Dissertao Rodrigues, A. P. S. P. Parametrizao e Simulao Numrica
da Turbina Hidrocintica
Otimizao via Algoritmos Genticos. Dissertao de mestrado em
Engenharia Mecnica, Publicao ENM.DM-119A/07, Departamento de
Engenharia Mecnica, Universidade de
Braslia, Braslia, DF, Brasil, 2007. 94p.
CONSTRUCTION OF A HYDROKINETIC PROTOTYPE IN SMALL-
SCALE TO ELECTRIC ENERGY GENERATION APPLIED TO
EDUCATION
Abstract: This paper presents the foundations of power
generation by using a prototype
of a hydrokinetic turbine built in reduced scale for
undergraduate students in Mechanical
Engineering and High School students in order to facilitate the
understanding of the
mechanisms, advantages and difficulties of implementing new
technologies for generation of
so-called clean energy, another point is disclose the need of
the world in finding a
implementing these new technologies. This article discusses the
construction and
assemblage of the components present in the mechanism of the
project, which consists
of a rotor that takes part of the kinetic energy of the waters
flow pumped into a tank and transmits in the form of kinetic energy
of rotation through the spindles, pulleys and belts for a
small electric generator that feeds the lighting network
installed in a countertop model. This
mechanism clearly and pedagogically demonstrates the electricity
generation using a
hydrokinetic turbine.
Key-words: hydrokinetic turbine, clean energy, energy
generation.
