Moinhos de Ponte de Lima. Topologias de Interface

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1 Moinhos de Ponte de Lima Topologias de Interface Mestrado Integrado em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores Samuel Gouveia Duarte Orientador: Professor Doutor Júlio Martins Universidade do Minho Braga, Outubro de 2011

2 Agradecimentos A realização deste projecto só foi possível graças ao esforço, auxílio e colaboração de algumas pessoas que de certa forma contribuíram para a sua execução. Desta forma não poderia deixar um profundo agradecimento a todas elas. Aos meus pais Ângela Gouveia e Manuel Duarte, pelo esforço, dedicação e apoio dado ao longo de toda a minha trajectória académica. Obrigado por me transmitirem todos os valores essenciais e por me terem ajudado a construir personalidade. Agradeço aos meus irmãos Marta e Filipe, e namorada Eliana, por toda a compreensão, apoio, paciência e carinho que me deram durante todo o meu percurso académico e percurso de vida. Agradeço ao Professor Doutor Júlio Martins, orientador da tese, pela constante disponibilidade, apoio, dedicação e orientação que se revelaram cruciais ao longo da realização deste projecto. Quero agradecer aos Professores, Luís Martins e António Amaral do Departamento de Mecânica pela atenção disponibilizada e pela informação técnica fornecida. Agradeço também ao Sr. Júlio Caldas, técnico do laboratório de máquinas térmicas que infelizmente já não está entre nós, pelo seu empenho e apoio prestado na instalação da turbina. Aos meus amigos de curso, agradeço por me proporcionarem tantos momentos de alegria, por me terem ajudado quando precisei e nunca me terem virado as costas nos momentos mais difíceis. Por fim agradeço aos meus colegas de projecto, André Matos e Nuno Reis pelo profissionalismo e empenho no desenvolvimento e execução deste trabalho. Foi um enorme prazer fazer parte desta equipa, foi uma experiência muito positiva não só a nível profissional como a nível pessoal. Moinhos de Ponte de Lima i

3 Resumo Com o desenvolvimento indústrial massivo nas últimas décadas e com a diminuição significativa dos recursos energéticos no planeta, surge a necessidade cada vez mais premente de encontrar soluções viáveis para a produção de energia eléctrica. Deste modo será possível criar meios de desenvolvimento económico e social sustentáveis, através da redução de emissões de CO 2 e criação de novos postos de trabalho. Este projecto insere-se na área das energias renováveis, mais concretamente, na microgeração de origem hídrica. A opção por este tipo de solução tem a ver, sobretudo, com o facto de se tratar de uma área da microgeração menos desenvolvida (por comparação com o fotovoltaico e as microeólicas), e por se tratar de um projecto que junta três preocupações distintas numa única iniciativa: recuperação do património, gestão de água (e anti-desertificação) e produção de energia através de uma fonte renovável (sem impacto ambiental). O objectivo principal deste trabalho foiimplementar um sistema micro-hídrico em que é utilizado um moinho antigo no concelho de Ponte de Lima, promovendo desta forma a recuperação sistemática de moinhos antigos para produzirem energia eléctrica. Inicialmente foi feito um estudo aprofundado sobre características físicas e condições do moinho, seguido do dimensionamento de todos os componentes mecânicos e eléctricos para instalar no local. Em seguida foi feito um estudo e selecção dos equipamentos a adquirir para projecto. Foi também desenvolvido um rectificador trifásico utilizado nos testes iniciais do conjunto turbina-gerador. Depois de instalados todos os equipamentos foram realizados alguns testes cujos resultados são apresentados e discutidos. A viabilidade desta tecnologia, em conjunto com a fraca oferta neste nicho de mercado, aponta para que os investimentos neste campo constituam uma boa oportunidade de negócio, desde que se consigam contornar os entraves que a legislação portuguesa possa trazer à certificação das centrais micro-hídricas. Palavras-chave: Micro-Hídricas, Energias Renováveis, Moinho, Microgeração.. ii Moinhos de Ponte de Lima

4 Abstract With the massive industrial development in last decades and with the significant decrease of fossil energy resources on the planet, it is increasingly urgent to find viable alternative solutions for the production of electrical energy. In this way it will be possible to create means of sustainable economic and social development, through the reduction of CO 2 emissions and the creation of new jobs. This is a project in the area of renewable energies, more specifically, in microhydro. The option for this type of solution has to do, especially with the fact that this is an area of micro-generation less developed (by comparison with the photovoltaic and micro wind energy), and because it is a project which brings together three distinct concerns in a single initiative: recovery of assets, management of water and production of energy through a renewable source (without environmental impact). The main objective of this work was to implement a micro-hydro system in the a old mill in the municipality of Ponte de Lima, promoting in this way the systematic recovery of old mills to produce electrical energy. First, an in-depth study on physical characteristics and conditions of the mill was made, followed by the dimensioning of all mechanical and electrical components to install on site.then the equipment to be used in the projectwas selected and acquired. A three-phase rectifier used in initial tests of turbine-generator set was also developed. After the installation of the equipment, several tests were carried out and the results are presented and discussed. The viability of this technology, together with the low offer in this niche market, indicates that an investment in this field constitutes a good business opportunity, provided that some barriers related to the Portuguese legislation concerning micro-hydro generation can be solved. Keywords:Micro-Hydro, Renewable Energies, Mill, Micro-Generation. Moinhos de Ponte de Lima iii

5 Índice Agradecimentos... i Resumo... ii Abstract...iii Lista de Figuras... vi Lista de Tabelas...viii Lista de Abreviaturas / Símbolos... ix CAPÍTULO Introdução Motivação e enquadramento do Projecto Objectivos Identificação do Problema Problema Energético Mundial Problema Energético Nacional A Água como Recurso Natural Influencia das Energias Renováveis na Economia Portuguesa Organização da Dissertação CAPÍTULO 2 Energia Hídrica Introdução História da energia hidroeléctrica Principais Bacias Hidrográficas e Barragens Política Energética Portuguesa Microgeração Legislação Considerações Finais CAPÍTULO 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos Introdução Topologias de Ligação Sistema Isolado Sistema com Ligação á Rede Eléctrica Sistema Híbrido/Misto Turbinas Hidráulicas Classificação das Centrais Hidroeléctricas Turbina Pelton Turbina Francis Turbina Kaplan Turbina Banki-Mitchell Geradores eléctricos Gerador Síncrono Gerador de Indução/Assíncrono Gerador de Indução Gaiola de esquilo Hidrogeradores Inversores (Conversor DC/AC) iv Moinhos de Ponte de Lima

6 Inversores SMA Inversores Fronius Inversores Kaco Power - One Aurora Rectificador (Conversor AC/DC) Conversor DC/DC CAPÍTULO Sistema Desenvolvido Introdução Questões Sociais Aquisição do Material Componentes Mecânicas Turbina construída Outras Componentes mecânicas utilizadas Gerador e Electrónica Gerador Síncrono de Ímanes Permanentes Trifásico Rectificador Trifásico Controlador/Relé de Tensão Condensadores do Lado CC do Rectificador Instalação dos componentes eléctricos/electrónicos CAPÍTULO 5 Testes e Resultados Introdução Estimativa do Potencial Energético do Moinho Medição da Altura Disponível Medição do Caudal Disponível Estimativa do Potencial Hídrico da Instalação Piloto Cálculo da Potência Eléctrica Resultados Experimentais CAPÍTULO Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro Introdução Conclusão Trabalho Futuro Referências Anexos Moinhos de Ponte de Lima v

7 Lista de Figuras Figura 1 - Consumo energético primário Mundial[4]... 4 Figura 2 - Previsão do crescimento do consumo... 5 Figura 3 - Consumo de energia primária em Portugal (ktep)[8]... 6 Figura 4 - Interacção gravitacional entre a Terra, Lua e Sol[11]... 8 Figura 5 - Evolução da potência instalada em Portugal[16] Figura 6 - Evolução da produção de energia em Portugal[16] Figura 7 - Principais Bacias Hidrográficas de Portugal Continental[17] Figura 8- Turbina Kaplan de baixa queda proposta para microhídrica[21] Figura 9 - Turbina Pelton proposta para microhídrica[21] Figura 10 - Tarifa do regime geral em vigor para sistema fotovoltaico Figura 11 - Tarifa do regime geral em vigor para sistema microhídrico Figura 12 - Constituição de um sistema isolado Figura 13 - Constituição de um sistema com Ligação á Rede Eléctrica Figura 14 - Constituição de um sistema híbrido Figura 15 - Adequação da turbina para a relação Queda /Caudal/ Potência[24] Figura 16 - Esquema de Funcionamento da Turbina Pelton[29] Figura 17 - Comparação da variação do rendimento relativo em função do caudal Figura 18 - Turbina Pelton Multijactos[31] Figura 19 - Turbina Pelton[32] Figura 20 - Constituição da turbina Francis[33] Figura 21 - Turbina Kaplan (vista em corte parcial)[34] Figura 22 - Constituição completa da turbina Kaplan Figura 23 - Constituição da turbina Banki-Mitchell[35] Figura 24 - Ábaco da turbina Pelton vsbanki - Mitchell Figura 25- Constituição do gerador síncrono de rotor bobinado[37] Figura 26 Constituição do gerador de indução "gaiola de esquilo"[52] Figura 27 - Constituição da máquina CC Figura 28 - Constituição da máquina CC[39] Figura 29- HidrogeradorSelm[41] Figura 30- Hidrogeradores verde solar 7 kw[42] Figura 31 - Hidrogerador CJD-30kW[43] Figura 32 - Hidrogerador HCF (200W)[44] Figura 33 - Inversor CSI trifásico[46] Figura 34 - Inversor VSI trifásico[46] Figura 35 - Inversor SMA[47] Figura 36- InversorFronius[48] Figura37 InversorKaco[49] vi Moinhos de Ponte de Lima

8 Figura 38 - Inversor Power - One Aurora[50] Figura 39 Rectificador monofásico de onda completa[51] Figura 40 - Rectificador Trifásico[52] Figura 41 - Conversores CC/CC: a) Step-up b) Step-down c) Buck-Boost d) Cúk e) Full- Bridge Figura 42-Moinhovisto do exterior Figura 43 - Osciloscópio Portátil Agilent U1604A Figura 44 - Fluke 179 true-rms Figura 45 - Multímetro IPM Figura 46 - Colocação dos apoios do veio Figura 47 - Renderização da turbina[53] Figura 48 - Turbina e orientação do jacto (Vista inferior)[53] Figura 49 - Turbina (vista trimétrica invertida)[53] Figura 50 - Turbina Concluída Figura 51 - Curva de Tensão do Gerador PMG-1000 em circuito aberto Figura 52 - Transmissão turbina/gerador Figura 53 - Grupo turbina/suporte ajustável/polia Figura 54 - Gerador síncrono de ímanes permanentes trifásico GL-PMG-1000/ Figura 55 - Tensão rectificada (Vd) por um rectificador trifásico Figura 56 - Rectificador trifásico de onda completa não controlado Figura 57 Rectificador Trifásico e Dissipador Figura 58 - Quadro eléctrico desenvolvido (visualização frontal) Figura 59 - Quadro eléctrico desenvolvido (visualização lateral) Figura 60 - Circuito de comando Figura 61 - Circuito de potência Figura 62 - Banco de Condensadores do Lado CC do Rectificador Figura 63 - Instalação dos equipamentos eléctricos/electrónicos no moinho Figura 64 - Vista frontal dos equipamentos montados no moinho Figura 65 - Contador de Energia Janz A1700 com telecontagem Figura 66 - Implementação do Método de Unidade de Medição Figura 67 - Aplicação do Método Flutuador Figura 68 - Medições da profundidade do rio Figura 69 - Anemómetro SEBA Figura 70 - Curva de Potência do conjunto electroprodutor Moinhos de Ponte de Lima vii

9 Lista de Tabelas Tabela 1 - Classificação de hídricas segundo a potencia instalada[26][27] Tabela 2 - Classificação de hídricas segundo a queda de água disponível[26][27] Tabela 3 - Relação entre Diâmetro de Tubos e Respectivo Caudal Tabela 4 - Medição de velocidade de escoamento (Método do Flutuador) Tabela 5 - Características eléctricas do conjunto electroprodutor Tabela 6 - Fluxos monetários a 20 anos para sistema solar fotovoltaico de 3,5kW Tabela 7 - Produção de Energia Eléctrica para sistema micro-hidrico Tabela 8 - Fluxos monetários a 20 anos para sistema micro-hidrico de 3,5kW viii Moinhos de Ponte de Lima

10 Lista de Abreviaturas / Símbolos ADC CA CC CPU GNU GPL LCD QEE RMS THD UPS MPPT VSI OCDE pmed I V P g h v Q η ρ l Analog to Digital Converter Corrente Alternada Corrente Contínua Central ProcessingUnit GNU General PublicLicense LiquidCrystal Display Qualidade da Energia Eléctrica Root Mean Square Total Harmonic Distortion Uninterruptible Power Supp Maximum Power Point Tracking Voltage Source Inverter Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Económico Profundiade Média do Rio Corrente Eléctrica Tensão Eléctrica Potência Aceleração da Gravidade Queda Útil Velovidace Linear de Escoamento Caudal Volúmico Rendimento Massa Volúmica Largura do Rio Moinhos de Ponte de Lima ix

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12 CAPÍTULO 1 Introdução 1.1. Motivação e enquadramento do Projecto As Energias Renováveis têm um papel cada vez mais importante no panorama energético global. Com aescassez dos combustíveis fósseis previstas para as próximas décadas, surge a necessidade, cada vez mais premente, da busca de soluções alternativas, como é o caso da utilização de energias renováveis. Por definição, energia renovável é aquela que é obtida através de fontes naturais capazes de se regenerar dentro de um horizonte temporal razoável (as energias de origem fóssil também se regeneram, mas demoram milhões de anos), e portanto virtualmente inesgotáveis[1]. Este projecto insere-se na área das energias renováveis, mais concretamente, na microgeração de origem hídrica. A opção por este tipo de solução tem a ver, sobretudo, com o facto de se tratar de uma área da microgeração menos desenvolvida (por comparação com o fotovoltaico e as microeólicas), e ligação da Universidade do Minho a regiões com muito boas condições naturais para a exploração deste tipo de energia. É sabido que, em particular o concelho de Ponte de Lima, é muito rico em rios, riachos e ribeiros com as suas tradicionais azenhas e moinhos de cubo e rodízio. É fácil encontrar freguesias em que num só afluente do Rio Lima existem várias dezenas de moinhos, de tamanho e condições de funcionamento variável. A maior parte desses engenhos está abandonada e toda a geografia humana a eles tradicionalmente associada (partidores de águas, obrigações de manutenção e limpeza de levadas, conservação dos açudes, etc.) está moribunda, estando assim a perder-se o controlo de um dos bens mais essenciais de sempre - a água - que não está a ser devidamente aproveitada. Legislação relativamente recente coloca Portugal na vanguarda da microgeração de energia (Decreto-Lei n.º 118-A/2010 de 25 de Outubro) ao permitir que qualquer utilizador da rede eléctrica nacional possa vender energia à EDP. Neste contexto, o projecto consiste em: a) Promover a recuperação sistemática de moinhos e azenhas para microgeração de energia; b) Juntar três preocupações distintas numa única iniciativa: recuperação do património, gestão de água (e anti-desertificação) e impulso da energia limpa (sem impacto ambiental). Moinhos de Ponte de Lima 1

13 Capitulo 1 Introdução c) Estimular as instituições promotoras de desenvolvimento local a montarem um programa de apoio a esta iniciativa (acesso a fundos públicos e/ou comunitários, etc.) desde que as soluções propostas satisfaçam a segunda condição. Para a concretização do projecto, tema desta dissertação, foi disponibilizado um moinho nas margens do rio Trovela (afluente do rio Lima), próximo localidade de Ponte de Lima. No moinho foi implementada uma primeira instalação piloto que está a ser utilizada sobretudo para demostrações e promoção da ideia apresentada em c). Os primeiros convidados que visitaram a instalação foram os principais autarcas do município de Ponte de Lima (o Sr. Presidente da Câmara (Eng.º Victor Manuel Alves Mendes), o Vice-Presidente (Gaspar Correia Martins) e um acessor, já que havia o interesse em tentar envolver tão cedo quanto possível os principais responsáveis do município no projecto Objectivos No projecto participam três alunos da Universidade do Minho dois do Mestrado Integrado em Eng. Electrónica Industrial e de Computadores e um do Mestrado Integrado em Eng. Mecânica. Tem como principais objectivos os seguintes: 1. Pesquisa bibliográfica, de legislação e de mercado; 2. Estudo de diversos tópicos relacionados com as energias renováveis com ênfase para a microgeração hídrica, nomeadamente, métodos para estimativa do potencial de produção de energia e estudos de viabilidade económica; 3. Estudo das melhores topologias no contexto da interface de microgeradores hídricos, para sistemas isolados e para ligação à rede eléctrica; 4. Realização de testes tendo em vista a estimativa o potencial de produção de energia do moinho; 5. Selecção e aquisição equipamentos e materiais para a realização do projecto; 6. Montagem da turbina-gerador no local de teste; 7. Implementação de uma infra-estrutura para testes do conjunto turbina-gerador; 2 Moinhos de Ponte de Lima

14 Capitulo 1 Introdução 8. Realização de testes do sistema completo em diversas condições de operação. Embora esta dissertação aborde todos os pontos desta lista, o trabalho desenvolvido tem a ver sobretudo com a concretização dos objectivos 3 a Identificação do Problema Desde a sua existência, o homem necessitou de energia para as suas múltiplas e diversas actividades.paraisso utilizava recursos naturais como, vegetação, madeira, água, vento e sol. Com o desenvolvimento tecnológicoo homem necessitou de utilizar energias fósseis de forma exagerada, como o carvão e petróleo. Inicialmente a tentação para o consumo de energia fóssil era muito grande visto que existia em abundância na natureza e os seus custos eram bastante reduzidos. Com o desenvolvimento massivo da indústria nas últimas décadas, o consumo desta energia disparou para níveis nunca antes registados. Como tal, verificou-se um aumento de emissões de CO 2 (dióxido de carbono) e de outros gases com efeito de estufa, que contribuem para a poluição da nossa atmosfera e provável aquecimento global. Estima-se que a temperatura terrestre tenha subido 0,5ºC na última década. Este aumento de temperatura está a provocar mudanças climáticas no nosso planeta, com danosque actualmente são visíveis e que poderão catastróficos num futuro próximo[2] Problema Energético Mundial Dados da Agência Internacional de Energia (2006) estimam a prevalência do uso de combustíveis fósseis, principalmente do petróleo, como fontes dominantes de energia nos próximos 20 anos. Segundo o EIA (U.S. EnergyInformationAdministration, 2006),o consumo mundial de energia irá crescer de 421 quatriliões de Btu (Unidade térmica Britânica, 123 Tw) em 2003 para 743 quatriliões de Btu (217 Tw) em O maior crescimento será no grupo de países não membros da OCDE(Organização para a Cooperação Económica e para o Desenvolvimento). Os países da Ásia vão requerer um aumento no consumo de energia a uma taxa de 3,7% ao ano até 2030 (incluindo Índia e China). Já a América do Sul e Central terão uma taxa projectada de 2,8% ao ano[3][4]. Moinhos de Ponte de Lima 3

15 Capitulo 1 Introdução O consumo de Energia a nível mundial tem vindo a aumentar significativamente nos últimos anos, e prevê-se que a taxa de consumo energético atinja o seu valor máximo nos próximos anos. Na Figura 1está representado o consumo energético primário dos países membros e não membros da OCDE Figura 1 - Consumo energético primário Mundial[4] Pode ser verificado que o consumo de energia tende a aumentar nos próximos anos ainda que mais rapidamente nos países em desenvolvimento. Este aumento deve-se à forte industrialização e consumo de combustíveis fósseis em grandes quantidades. Pode-se também observar que os países asiáticos não pertencentes à OCDE são responsáveis por grande parte do consumo energético mundial Isto deve-se essencialmente à sua densidade populacional, crescimento da indústria e falta de estratégias económicas e ambientais no que diz respeito ao consumo energético[5]. 4 Moinhos de Ponte de Lima

16 Capitulo 1 Introdução NaFigura 2 é visível o crescimento do consumo de energia até Figura 2 - Previsão do crescimento do consumo energético e respectivas fontes utilizadas até 2030[6] Após várias medidas implementadas para invertero consumo de energias fósseis, tudo indica que até 2030, o seu consumo irá crescer. A percentagem de energia consumida a partir de fontes renováveis em 2030 continuará a ser bastante reduzida. Isto significa que apesar de todos os esforços para inverter esta situação, ainda existe um longo caminho a percorrer no que diz respeito à produção de energia através de fontes renováveis Problema Energético Nacional Portugal é um país membro da OCDE e, como tal, a preocupação com o consumo de energia e produção de energia limpa tem vindo a aumentar significativamente. Este assunto tem sido bastante debatido por parte das entidades governamentais e algumas medidas já estão mesmo a ser implementadas. Estasmedidasvisamdiminuir o consumo de energia fóssil e sensibilizar a população para este problema. Portugal possui poucos recursos energéticos próprios que assegurem a maioria das suas necessidades, nomeadamente o petróleo, o carvão e o gás. Tal situação de escassez conduz a uma elevada dependência energética do exterior (87,2% em 2005), sendo totalmente dependente das importações de fontes primárias de origem fóssil. A energia que Portugal produz está fortemente dependente das condições climatéricas, visto que provém de fontes renováveis como a água, o vento e o Sol, com uma contribuição significativa das centrais alimentadas a resíduos, lenhas e biogás[7]. Moinhos de Ponte de Lima 5

17 Capitulo 1 Introdução Portugal está assim perante um problema de sustentabilidade no que diz respeito aos recursos energéticos primários, o que conduz a uma maior vulnerabilidade do sistema energético e sujeito às flutuações dos preços internacionais, nomeadamente do preço do petróleo, exigindo esforços no sentido de aumentar a diversificação. NaFigura 3 apresenta-se o consumo de energia primária a nível nacional, que cresceu 6,8% no período Figura 3 - Consumo de energia primária em Portugal (ktep)[8] O consumo de petróleo possui uma taxa de crescimento muito semelhante à do consumo de energia primária, visto que o petróleo tem um elevado peso no total de energia primária.relativamente ao consumo de gás natural verifica-se um crescimento significativo a partir de 1997, chegando mesmo a atingir 13,9% do consumo energético primário em No que diz respeito ao consumo de carvão, representou em 2007, 12,8% do total do consumo de energia primária. Em comparação a 2004 houve uma diminuição de cerca de 98% no consumo de hulha para a indústria cimenteira e um aumento de 2,9% no consumo das centrais termoeléctricas. No entanto, prevê-se uma redução progressiva do peso do carvão na produção de electricidade devido ao seu impacto nas emissões de CO 2. No que diz respeito à produção de energia através de fontes renováveis prevê-se um aumento significativo da potência instalada para os próximos anos.em 2005 a potência instalada para este tipo de energia era aproximadamente 12,8% da energia total 6 Moinhos de Ponte de Lima

18 Capitulo 1 Introdução primária. Desde aí verificou-se um aumento bastante significativo de microprodutores causado pelo crescente interesse e preocupação com a conservação do planeta e também devido aos apoios criados pelas entidades governamentais para instalação de energias renováveis[8]. O objectivo das entidades governamentais portuguesas para 2011 relativos às FER (Fontes de Energia Renovável) é produzir 45% de electricidade para consumo.isto significa que Portugal contribui de forma bastante positiva para a média europeia no que diz respeito á produção de energia através das FER. A União Europeia fixou para 2011 o objectivo de produzir 21% da sua electricidade a partir de fontes renováveis como a biomassa, a eólica, a solar, a hidráulica e a geotérmica [9][10]. A grande desvantagem deste aumento de produção de energia eléctrica através de fontes renováveis está relacionada com a subida do preço da electricidade. Os portugueses contribuem assim de forma positiva para um planeta mais verde, tendo necessariamente que suportar esses custos A Água como Recurso Natural Um dos principais objectivos deste projecto é valorizar os pequenos cursos de água e promover a sua recuperação. A água é um recurso natural aproveitado através de centrais hídricas para a produção de energia eléctrica. A energia potencial da água é convertida em energia mecânica, que por sua vez é convertida em energia eléctrica, utilizando um conjunto turbina-gerador. A energia potencial gravítica da água resulta da queda de uma massa de água que se encontra a um nível de altura superior para um nível inferior. Outra forma de aproveitar a energia associada ao movimento da água é através dos oceanos. Os oceanos são uma grande fonte de energia visto que possuem água em constante movimento causada pela ondulação e, sobretudo, pelas marés. As marés resultam da interacção gravitacional da lua e do sol (esta última com menos intensidade, devido à distância) com a terra. Moinhos de Ponte de Lima 7

19 Capitulo 1 Introdução A Figura 4 ilustra a forma como a força gravítica que a lua exerce sobre a terra influencia as marés. (a) (b) Figura 4 - Interacção gravitacional entre a Terra, Lua e Sol[11] A pequena maré (maré-morta) surge quando a lua se encontra num plano vertical ao da terra e perpendicular ao sol como é ilustrado na Figura 4 (a), enquanto a grande maré (maré-viva) surge quando a lua se encontra numa plano horizontal com a terra e com o sol[11] Influencia das Energias Renováveis na Economia Portuguesa O poder político português considera que a aposta nas Energias Renováveis é um dos pontos-chave para Portugal recuperar da crise em que se encontra. Quanto menor for a dependência económica da constante variação do preço dos combustíveis fósseis, principalmente do petróleo, maior será a propensão para o crescimento económico aumentar. É ainda de realçar que as Energias Renováveis criam emprego para o país e isso é tem impacto directo na melhoria das condições de vida das famílias portuguesas. Para diminuir a dependência energética dos combustíveis fósseis, Portugal deve apostar na construção de novas centrais hidroeléctricas; como afirmou em temposum Primeiro-Ministro português (José Sócrates, 2009), Portugal é o país da Europa que mais potencial hídrico tem por explorar ; deve apostar também na construção de centrais fotovoltaicas, uma vez que Portugal tem um número médio de horas de sol anuais que variam de 2200 a 3000; deve também aproveitar o elevado nível de vento que existe em algumas regiões do território; no país há 38% do território que é coberto por floresta,pelo que deve apostar-se igualmente na energia de biomassa. Pelo facto de 8 Moinhos de Ponte de Lima

20 Capitulo 1 Introdução se situar numa península e por isso ter dispor de muitos quilómetros de costa, pode também aproveitar a energia proveniente das ondas e das marés. Em locais como Chaves, S. Pedro do Sul, Lisboa e nas ilhas dos Açores são os existemaproveitamentosdeenergia geotérmica e só na ilha de S. Miguel, em 2003, este tipo de energia representou cerca de 25% da electricidade consumida na ilha. Existe ainda um potencial de produção de biogás através do aproveitamento dos efluentes das agro-pecuárias[12][13]. Segundo notícia divulgada em 27 de Janeiro de 2011 na página das energias renováveis A aposta na produção de energia através das fontes renováveis dá a Portugal o terceiro lugar no rankingeuropeuno que diz respeito á produção de energia (valor relativo) através das FER (fontes de energia renovável). Esta notícia vem confirmar que Portugal se encontra no caminho certo no que diz respeito ao investimento na produção de energias renováveis[14]. Moinhos de Ponte de Lima 9

21 1.6. Organização da Dissertação Capitulo 1 Introdução A presente dissertação é constituída por seis capítulos no qual cada um corresponde a uma etapa de trabalho realizado: No capítulo 1 é feita a descrição do problema energético a nível nacional e mundial. É abordado também o tema das energias renováveis e a importância destas. No capítulo 2 é feito um enquadramento teórico sobre a energia hídrica, em que são abordadas várias vertentes desde a história associada á energia hídrica até á legislação existente para a microgeração hídrica. No capítulo 3 é apresentada toda a tecnologia utilizada nas centrais hídricas nomeadamente os geradores; a classificação das centrais hidroeléctricas no que diz respeito à utilização dos vários tipos de turbinas; as topologias de ligação e todos os componentes eléctricos utilizados neste tipo de aproveitamentos. O capítulo 4 descreve todo o processo de desenvolvimento deste projecto, desde a aquisição do material necessário para a realização da instalação; questões sociais; componentes mecânicas instaladas no moinho; até á aquisição, desenvolvimento e instalação de todo o material eléctrico/electrónico (inversor, rectificador, protecções e controlador/relé de tensão) no moinho em questão. No capítulo 5 são apresentados os testes e resultados experimentais. É feita uma caracterização dos parâmetros disponíveis e determinados os valores da potência e rendimento da instalação. Finalmente, no capítulo 6, tiram-se as conclusões obtidas e apresentam-se algumas perspectivas e sugestões futuras. No final, encontra-se a bibliografia consultada, seguida dos anexos considerados complementares para o trabalho. 10 Moinhos de Ponte de Lima

22 CAPÍTULO 2 Energia Hídrica 2.1. Introdução A produção de energia hidroeléctrica, além das vantagens supracitadas, nomeadamente,a diminuição da dependência energética do país, a produção de energia eléctrica com emissões zero de CO 2, apresenta também algumas vantagens socioeconómicas. Refira-se ainda que é uma tecnologia madura e que, a nível mundial, a energia hidroeléctrica é (e será durante muitos anos) de longe a forma de energia renovável mais importante em termos de quantidade de energia produzida. A decisão e implantação de um aproveitamento hidroeléctrico, é por norma complexa, sendo precedida de inúmeros estudos de impacto ambiental, cultural e socio económico. Em algumas situações a população apoia a sua instalação e noutras as opiniões divergem (neste caso mais a população local devido ao grande impacto causado por estes aproveitamentos), mas geralmente a construção de um empreendimento desta natureza é bem-vinda. As populações locaispoderãobeneficiarcom a criação de empregos directos durante a fase de construção e mesmo depois na fase de funcionamento, e também indirectos com a adjudicação de serviços a outras empresas. A área do turismo é outra das vantagens muitas vezes associadas às barragens do tipo albufeira. Ainda no caso das albufeiras, e apesar do impacto ambiental na região e no curso do rio e seus afluentes, tanto na fauna como na flora, a acumulação de águapermite uma melhor regulação do abastecimento de água e contribui o desenvolvimentoda agricultura na região. Na perspectiva técnica da produção de electricidade, estes empreendimentos permitem aumentar a fiabilidade da rede eléctrica nacional, pois a sua capacidade de resposta é muito rápida para satisfazer as necessidades energéticas do momento. Em alguns casos é mesmo possível injectar energia na rede em poucos minutos e ajustar rapidamente a oferta à procura de energia. Outra situação bastante benéfica tem a ver com possibilidade de armazenar energia sob a forma de energia potencial. A energia armazenada poderá mesmo ser o resultado da bombagem da água de jusante para montante da barragem. Para isso os grupos instalados terão de ser reversíveis, situação presente em quase todas as construções mais recentes (no caso de serem aproveitamentos de albufeira). Moinhos de Ponte de Lima 11

23 Capítulo 2 Energia Hídrica A bombagem pode ser feita durante as horas de vazio ou a energia necessária poderá ser fornecida por outras fontes alternativas, principalmente eólicas, contribuindo-se assim para atenuar uma das principais desvantagens desta forma de energia renovável, que tem a ver com o carácter muito irregular dos ventos História da energia hidroeléctrica No final do século XIX iniciou-se a exploração da energia hidroeléctrica, sendo esta a primeira energia renovável a ser explorada em Portugal. Os primeiros aproveitamentos tinham apenas algumas dezenas a poucas centenas de kw de potência disponível e foram instalados perto de rios, utilizando quedas de água criadas artificialmente, e dínamos para produzir energia eléctrica. Em 1926 apenas 25% da energia era hidroeléctrica e existiam apenas duas centrais com mais de 5MW de potência (Lindoso e Varosa). Na década de 30 foram dados grandes passos para a construção de grandes aproveitamentos com a realização sistemática de estudos sobre a exploração dos principais recursos nacionais. Apesar disto, a crise económica dos anos 30 e a II Guerra Mundial impediram um desenvolvimento mais rápido. Assim, o primeiro grande aproveitamento hidroeléctrico a entrar em funcionamento em Portugal foi em Unhais, em 1942 com 24 MW de potência. Na década de 50 foram construídos grandes aproveitamentos nas bacias do Cávado, Zêzere e no Douro internacional, o que permitiu triplicar a potência disponível até então (cerca de 1000 MW). Em 1960 atingiram-se números muito interessantes e benéficos para o ambiente pois 95% da energia eléctrica consumida em Portugal tinha origem hidroeléctrica. Nas décadas seguintes assistiu-se a um crescimento deste tipo de aproveitamento. Contudo, um aumento crescente das necessidades energéticas e os preços demasiado competitivos dos combustíveis fósseis proporcionaram a criação em simultâneo das primeiras centrais térmicas em Portugal. Sendo que em 1990 apenas 35% da energia tinha origem hidroeléctrica e 65% tinha origem térmica. Durante a década de 90 o único recurso hídrico com significado construído foi a central do Alto Lindoso com 630 MW e na mesma década apenas foi construída a 12 Moinhos de Ponte de Lima

24 Capítulo 2 Energia Hídrica barragem do Alqueva, tendo-se assistido a um claro abrandamento do uso desta forma de geração de energia. Actualmente a potência hidroeléctrica instalada está na ordem dos 5000 MW, no entanto com as crescentes preocupações a nível ambiental tornou-se uma prioridade o aproveitamento dos muitos recursos hídricos ainda disponíveis. Para tal, foi criado o Programa Nacional de Barragens com Elevado Potencial Hidroeléctrico (PNBEPH) que promete construir 10 novas barragens e aumentar em cerca de 2000 MW de potência instalada passando em 2020 a capacidade hidroeléctrica total a ser de aproximadamente 7000 MW[15][13]. Na análise da Figura 5 e Figura 6 pode observar-se que após o período inicial de grande investimento na construção de barragens para produzir energia eléctrica, verifica-se algum abrandamento no processo. Este abrandamento foi causado não só pela falta de compatibilidade deste tipo de projectos com a legislação ambiental, como pela necessidade de adequar as características de produção dos aproveitamentos hidroeléctricos á evolução do consumo. Figura 5 - Evolução da potência instalada em Portugal[16] Moinhos de Ponte de Lima 13

25 Capítulo 2 Energia Hídrica Figura 6 - Evolução da produção de energia em Portugal[16] 2.3. Principais Bacias Hidrográficas e Barragens Uma bacia hidrográfica ou bacia de drenagem tem o mesmo princípio de funcionamento de um funil, isto é, faz convergir directa ou indirectamente todas as águas pluviais ou de nascentes para um único rio ou albufeira. A formação de uma bacia hidrográfica deve-se essencialmente ao desnível dos terrenos, afluindo de terrenos mais elevados para os mais baixos. Por motivos de situação geográfica e dadas as várias bacias hidrográficas que podem ser encontradas em Portugal, a opção, tendo em conta a morfologia do território nacional, foi construir as principais bacias hidrográficas na zona norte do país. Nos parágrafos seguintes apresenta-se uma pequena descrição das principais bacias do país e sua influência no parque electroprodutor. A bacia hidrográfica do Douro apresentando uma superfície de 18,643 km2 em território português, correspondente apenas a 19,1% da sua área total, é o maior aproveitamento hidroeléctrico do país, apesar de este ser fortemente condicionado pelos aproveitamentos hidroeléctricos espanhóis. O aproveitamento da bacia do Douro é uma exploração a fio-de-água e não de albufeira, mas mesmo assim representa cerca de dois terços da produção hidroeléctrica total nacional. Uma das principais barragens construída em território nacional para aproveitamento hidroeléctrico é a barragem de Bemposta, barragem essa que entrou em funcionamento em Dezembro de A sua central é subterrânea apresentando 85 metros de comprimento, 22 metros de largura e 14 Moinhos de Ponte de Lima

26 Capítulo 2 Energia Hídrica 45 metros de altura sendo provida de 3 grupos geradores do tipo Francis e ostentando uma potência instalada de 210 MW. A bacia hidrográfica do Cávado é limitada pelas bacias hidrográficas Lima, Douro e Ave.Apresentauma área de 1600 km 2 e os seus principais afluentes são os rios Homem, Saltadouro e Rabagão. Ao longo do seu percurso podem ser encontradas várias barragens para aproveitamentos hidroeléctricos, nomeadamente as barragem de Paradela, de Salamonde, da Caniçada, do Alto Cávado, do Alto Rabagão, da Venda Nova, de Vilarinho das Furnas e a barragem de Penide. De todos os aproveitamentos hidroeléctricos referidos, os que representam maior influência na bacia hidrográfica são a barragem de Caniçada e a barragem da Venda Nova. A primeira com dois grupos produtores instalados do tipo Francis e uma potência instalada de 60 MW, responsáveis pela produção de 346 GWh anuais. A segunda com três grupos produtores do tipo Pelton e uma potência instalada de 144 MW responsáveis pela produção de 389 GWh anuais. Outra bacia hidrográfica situada a norte do país é a do Lima e ocupa uma área de 2480 km 2 (1177 km 2 em Portugal e 1303 km 2 em Espanha). Ao Longo do seu percurso podem ser encontradas as barragens do Alto Lindoso e de Touvedo. A barragem do Alto Lindoso formada é por dois grupos geradores constituídos por duas turbinas Francis com uma potência de 317 MW cada. Este é actualmente o mais potente centro produtor hidroeléctrico instalado em Portugal, ao contrário da barragem de Touvedo, com apenas 22 MW de potência instaladagraças a um grupo gerador do tipo Kaplan e que tem como principal função o controlo do caudal do rio, devido à influência directa da barragem do Alto do Lindoso. AFigura 7 apresenta o mapa de todas bacias hidrográficas e sua área de influência.no centro e sul do país as bacias hidrográficas possuem uma área de influência superior às restantes áreas, nomeadamente, as do Mondego, Tejo, Sado e Guadiana. A sua produção de energia é relativamente baixa, uma vez que condiçõesnaturais para a produção de electricidade não são as melhores(estas bacias utilizadas principalmente para abastecimento de águas)[17]. Moinhos de Ponte de Lima 15

27 Capítulo 2 Energia Hídrica Figura 7 - Principais Bacias Hidrográficas de Portugal Continental[17] 2.4. Política Energética Portuguesa Programa Nacional de Barragens com Elevado Potencial Hidroeléctrico (PNBEPH) O Programa Nacional de Barragens com Elevado Potencial Hidroeléctrico (PNBEPH, 2007) é um trabalho desenvolvido sobre um total de 25 potenciais aproveitamentos hidroeléctricos do nosso país. A responsabilidade pela elaboração do PNBEPH foi atribuída pelo Governo ao Instituto da Água I. P. (INAG) e à Direcção-Geral de Energia e Geologia (DGEG), que 16 Moinhos de Ponte de Lima

28 Capítulo 2 Energia Hídrica tiveram o apoio técnico da Rede Eléctrica Nacional (REN) e dos consultores COBA e PROCESL. O PNBEPH constitui uma forte aposta para aumentar a energia produzida a partir de fontes renováveisa longo prazo, de forma a cumprir os compromissos assumidos com a UE, e as obrigações de Portugal para com o Protocolo de Quioto. Portugal, em termos estatísticos e comparando com os seus parceiros europeus, foi o país com crescimento menos significativo nos últimos 30 anos em relação ao aumento do potencial hidroeléctrico. Com objectivos a longo prazo, entre aumentos de potência e novas barragens, o PNBEPH tem como missão ao longo destes anos aumentar o potencial hidroeléctrico em aproximadamente 2000 MW, atingindo o total de 7000 MW de potência instalada em 2020, ocupando assim 70% do potencial de recursos hídricos do país. Na tentativa de criar uma simbiose entre a construção das barragens e a obtenção de vantagens sociais, económicas e ambientais, foram seleccionados quatro critérios, que servem de directrizes, nomeadamente: Optimização do potencial hidroeléctrico sustenta-se na valia energética dos aproveitamentos. Optimização do potencial hídrico da bacia hidrográfica com base na maximização do interesse do aproveitamento em face da existência de outros aproveitamentos hidroeléctricos na bacia hidrográfica, ou da possibilidade de uso para fins múltiplos Conflitos/condicionantes ambientais enfatiza aspectos de natureza ambientalque poderão condicionar a implementação do aproveitamento. Ponderação Energética, Socioeconómica e Ambiental respeita a avaliação ponderada dos aproveitamentos em termos de produção de energia, outros usos, relevantes em termos sociais, e salvaguarda do ambiente. Da análise e avaliação de todos locais através destes critérios, foram seleccionadas dez novas barragens a construir: Almourol, Alvito, Daivões, Foz Tua, Fridão, Girabolhos, Gouvães, Padroselos, Pinhosão e Vidago. Das barragens planeadas, seis são na bacia do Douro, duas no Tejo, uma no Mondego e outra na bacia do Vouga[18][19]. Moinhos de Ponte de Lima 17

29 2.5. Microgeração Capítulo 2 Energia Hídrica A microgeração hídrica em Portugal é uma área muito pouco explorada. Após uma análise pormenorizada sobre o tema, conclui-se que existe um défice de informação e uma oferta muito escassa de produtos a aplicar na extracção de energia em pequenos cursos de água. Os produtos encontrados em Portugal que poderiam ser utilizados neste projecto, possuem um custo bastante elevado e poucos adequados. Neste caso em particular os componentes a aplicar no projecto como inversor, gerador e contador de energia foram adquiridos no estrangeiro, mais precisamente na Alemanha e na China. No entanto de momento já existem empresas Portuguesas interessadas na produção deste tipo de geradores, nomeadamente a empresa IEME. Esta empresa mostrou interesse em cooperar com a Universidade do Minho para o desenvolvimento de um gerador síncrono de ímanes permanentes. Desta forma foi possível unir ambos os interesses e concorrer a um vale ID&T cujo resultado ainda não é conhecido. Alguns vendedores/instaladores de equipamentos de energia renovável propõem como solução na sua gama para microhídricas turbinas Kaplan de baixa queda (Figura 8). Estes equipamentos têm um rendimento estimado de 60% (rendimento total do sistema completo), e o custo de instalação é algo elevado mesmo para potências baixas. Por exemplo, para uma instalação como a que foi alvo deste estudo, uma empresa propõe a implementação de uma turbina Kaplan de baixa queda, de 700W, com um custo de cerca de 12000, nas condições de chave na mão com ligação à rede sob o abrigo da produção em regime especial[20]. 18 Moinhos de Ponte de Lima

30 Capítulo 2 Energia Hídrica Figura 8- Turbina Kaplan de baixa queda proposta para microhídrica[21] Contudo, nem todos os operadores de mercado contactados possuíam soluções adaptadas às necessidades da instalação em estudo. Uma destas empresas apenas tinha como solução para instalações microhídricas uma turbina Pelton (Queda de 40 m; Caudal de 24 l/s), de 5 kw (Figura 9), a um custo total de 15000, incluindo a ligação á rede eléctrica e mão-de-obra[21]. Figura 9 - Turbina Pelton proposta para microhídrica[21] A partir destes contactos e do trabalho de pesquisa e análise de mercado, pode-se concluir que a oferta no mercado da microhídrica, em particular para microgeração, é fraca e de custo elevado, havendo assim espaço para novas iniciativas como a que é proposta neste Trabalho. Moinhos de Ponte de Lima 19

31 Capítulo 2 Energia Hídrica Como em qualquer outro projecto foi feita uma análise económica para avaliar a viabilidade do mesmo, em que foi obtido um resultado satisfatório. Foi realizado uma análise económica comparativa entre a solução microhídrica e o sistema fotovoltaico.para realizar esta análise económica utilizou-se uma folha de cálculo, num horizonte temporal de 20 anos. Este prazo foi escolhido pois está dentro da vida útil de ambos os equipamentos Legislação Segundo a legislação existente relativa á microgeração temos de ter em atenção ao Decreto-lei nº.118ª/2010 de 25 de Outubro de 2010, artigo 11º (Anexo B) que determina[22] para : A tarifa de referência é fixada em (euro) 400/MWh para o primeiro período(oito anos após a instalação) e em 240/MWh para o segundo período( do nono ano após a instalação até ao décimo quinto ano), nos termos do n.º 3, sendo o valor de ambas as tarifas sucessivamente reduzido anualmente em (euro) 20/MWh. Por cada 10 MW adicionais de potência de ligaçãoregistada a nível nacional, a tarifa única aplicável é sucessivamentereduzida de 5 %. A tarifa a aplicar varia consoante o tipo de energia primária utilizada, sendo determinada mediante a aplicação das seguintes percentagens: a) Solar %; b) Eólica - 80 %; c) Hídrica - 40 %; d) Co-geração a biomassa - 70 %; A electricidade vendida nos termos do númeroanterior é limitada a 2,4 MWh/ano, no caso da alínea a)do número anterior, e a 4 MWh/ano, no caso das restantes alíneas do mesmo número, por cada quilowatt instalado Exemplo de aplicação no sistema fotovoltaico O decréscimo de 20 /MWh aplica-se a novas instalações, ou seja, para os microprodutores a tarifa só muda duas vezes: no ano 9 (transição de tarifa de 400 /MWh para 240 /MWh) e no ano 16 quando é excluído do regime especial. Passados os 15 anos de regime bonificado, o microprodutor começa a vender electricidade à rede ao preço do regime geral, ou seja, ao preço a que compra a sua 20 Moinhos de Ponte de Lima

32 Capítulo 2 Energia Hídrica electricidade. De modo a prever o custo do kwh, o valor da tarifa actual em regime de horário normal, para potências instaladas entre 3,45 kva e 20,7 kva, é de 0,1285 /kwh[23] com uma actualização de -5% ao ano. Na Figura 10 está representado a tarifa do regime geral em vigor para sistema solar fotovoltaico. 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0, Ano Figura 10 - Tarifa do regime geral em vigor para sistema fotovoltaico Este sistema ao fim de 20 anos de produção de energia produz cerca de 104,6 MWh, o que equivale a (Anexo A). Se a este valor se subtrair o valor inicial de custo do sistema completo obtêm-se de lucro final (Anexo A).Poroutro lado o investimento inicial efectuado só é recuperado passados cerca de 8 anos após a instalação, o que torna este investimento um investimento a longo prazo Exemplo de aplicação no sistema microhídrico Relativamente a este tipo de aproveitamento energético, a legislação sofre algumas alterações relativamente ao sistema de produção de energia analisado anteriormente. Segundo a legislação a tarifa aplicada aos aproveitamentos hídrico é de 40% do valor da tarifa de referência (400 /MWh), ou seja, 0,16 /kwh. Isto significa que nos primeiros 8 anos o produtor vende energia à rede a 0,16 /kwh, do 9º ano ao 15º ano vende a 0,096 /kwh e nos anos seguintes vende a energia a uma tarifa de regime normal com uma actualização de -5% ao ano. Moinhos de Ponte de Lima 21

33 Capítulo 2 Energia Hídrica Na Figura 11está representado a tarifa do regime geral em vigor para sistema microhídrico. 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0, Ano Figura 11 - Tarifa do regime geral em vigor para sistema microhídrico Como pode ser observado na Figura 11, ao fim de 20 anos de produção, este sistema produz cerca de 254,1 MWh, o que equivale a (Anexo A). A tarifa aplicada á microgeração hídrica é bastante inferior á tarifa aplicada a um sistema de produção fotovoltaico. Por outro lado a produção anual para o sistema microhídrico é bastante superior, isto porque este sistema pode produzir energia 24h por dia. O custo inicial do sistema foi estimado em9559, este valor foi obtido através da soma das seguintes parcelas: Gerador 3,6kW 1614 Metalomecânica 1750 Tubagens e comporta 1000 Inversor 1555 Quadro Eléctrico de Protecções 500 Contador de Energia Eléctrica 440 Cabos e Instalação Eléctrica 200 Mão-de-obra Moinhos de Ponte de Lima

34 Capítulo 2 Energia Hídrica Se for subtraido ao valor total de energia vendida á rede o custo inicial deste sistema microhídrico, obtemos um lucro de (Anexo A). Para esta solução o investimento inicial efectuado é recuperado ao fim de 6 anos de produção de energia Considerações Finais Relativamente àanáliseefectuada podem ser retiradas várias conclusões, nomeadamente, no que diz respeito às vantagens do sistema microhídrico. O sistema fotovoltaico apresenta tarifas superiores para a venda de energia à rede, mas em contrapartidaosistemamicrohídrico consegue obter uma taxa de retorno superior. Isto deve-se à capacidade deste sistema microhídrico funcionar quase ininterruptamente, conferindo-lhe assim um rendimento energético de exploração superior. Ao fim de 20 anos de funcionamento a solução microhídrica apresenta uma margem de lucro bastante superior, aproximadamente em comparação com a solução solar fotovoltaico. O sistema solar fotovoltaico é um sistema que apresenta um custo inicial bastante elevado, tornando-o assim inacessível para a maior parte da população. A grande desvantagem do sistema microhidrico prendem-se essencialmente com o facto de possuir um numero relativamente baixo de locais onde se possam fazer este tipo de instalações(em comparação com o sistema fotovoltaico). Moinhos de Ponte de Lima 23

35 CAPÍTULO 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos 3.1. Introdução No presente capítulo é feita uma descrição acerca dos diversos tipos de aproveitamentoshídricos de pequena dimensão e a sua nomenclatura associada. Pretende-se também efectuar uma análise pormenorizada de cada componente a instalar num determinado aproveitamento hidroeléctrico, desde a parte mecânica até à parte Eléctrica/Electrónica. Dada a especial importância das topologias de ligação no contexto da interface de microgeradores hídricos, entendeu-se dedicar parte deste capítulo à sua abordagem Topologias de Ligação Nas unidades de microgeração podem ser utilizadas três topologias de ligação distintas: sistema isolado, sistema com ligação á rede eléctrica e ainda o sistema híbrido/misto. Para cada um destes sistemas é necessário ter em consideração o valor da potência produzida pelo aproveitamento energético Sistema Isolado Os sistemas hídricos isolados são utilizados em locais remotos, ou seja, locais que se encontram afastados da rede eléctrica, sendo uma aposta crescente nos países em desenvolvimento. A energia produzida por este sistema é utilizada para vários fins, como por exemplo para iluminação, aparelhos eléctricos, aquecimento, entre outros. Toda a energia produzida por este sistema poderá ser consumida directamente ou acumulada em baterias.nafigura 12está representada uma das possíveis ligações de um sistema Hídrico isolado. 24 Moinhos de Ponte de Lima

36 Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos Figura 12 - Constituição de um sistema isolado Sistema com Ligação á Rede Eléctrica Nos últimos anos registou-se um aumento significativo de sistemas com ligação á rede eléctrica (Figura 13), não só na área da microgeração hídrica mas sim na microgeração em geral. Isto deve-se essencialmente ao facto de existir um aumento de incentivos financeiros por parte das entidades governamentais. Em Portugal a topologia mais utilizada na microgeração é com ligação á rede eléctrica. A grande vantagem deste sistema está associada ao custo final do sistema completo, visto que, este não necessita de regulador de carga e banco de baterias, e como tal, é mais económico. Outra das vantagens deve-se ao facto de o microprodutor vender a energia a uma tarifa superior à tarifa de compra. Moinhos de Ponte de Lima 25

37 Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos Figura 13 - Constituição de um sistema com Ligação á Rede Eléctrica Sistema Híbrido/Misto Os sistemas híbridos (Figura 14) são igualmente isolados da rede eléctrica, mas a diferença é que são normalmente constituídos por diferentes fontes de energia renovável, como por exemplo os sistemas eólicos, e os sistemas fotovoltaicos. A principal finalidade deste sistema é garantir a existência de energia para consumo, sempre que uma ou mais fontes de energia renovável não forem suficientes para satisfazer as necessidades energéticas do utilizador. No caso dos painéis fotovoltaicos não é necessário aplicar um conversor CA/CC, pois a tensão fornecida pelo painel é contínua. 26 Moinhos de Ponte de Lima

38 Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos Figura 14 - Constituição de um sistema híbrido Moinhos de Ponte de Lima 27

39 3.3. Turbinas Hidráulicas Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos As turbinas hidráulicas são máquinas que têm como objectivo converter a energia associada a um fluido (energia cinética e pressão) em energia mecânica. Neste trabalho é dada ênfase a quatro tipos de turbinas: Pelton(acção), Francis(reacção), Kaplan(reacção) e Banki-Mitchell (acção). Cada um destes tipos são adaptados para funcionar em aproveitamentos hidroeléctricos com uma determinada altura de queda e caudal como sugere a Figura 15. Figura 15 - Adequação da turbina para a relação Queda /Caudal/ Potência[24] Nos aproveitamentos hidroeléctricos as turbinas estão acopladas a um gerador que faz a transformação de energia mecânica em energia eléctrica. Nos grandes aproveitamentos é comum obter rendimentos globais na ordem dos 80 a 90%[25][26]. A potência teórica de uma turbina é dada pela equação (3.1): (3.1) Ondeρ é a densidade da água,g é a aceleração da gravidade terrestre,h é a queda máxima útil, eq o caudal. 28 Moinhos de Ponte de Lima

40 Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos Classificação das Centrais Hidroeléctricas Uma central hídrica pode ser classificada segundo um de dois parâmetros: Potência instalada Altura da queda disponível Tabela 1 - Classificação de hídricas segundo a potencia instalada[27][28] Potência Designação P instalada (MW) Pequena central hidroeléctrica <10 Minicentral hidroeléctrica <2 Microcentral hidroeléctrica <0,5 Picocentral hidroeléctrica <0,05 Tabela 2 - Classificação de hídricas segundo a queda de água disponível[27][28] Quedas Designação H (m) Baixa queda 2-20 Média queda Alta queda >150 As pequenas/mini/microhídricas, têm características próprias, não sendo uma mera cópia em escala reduzida das grandes centrais hídricas. Dentro das suas principais características salientam-se: custos reduzidos; a obra civil é orientada para sistemas simples e compactos para reduzir os trabalhos efectuados no local; existem turbinas normalizadas com bons rendimentos para uma vasta gama de regimes de funcionamento; maior simplicidade de operação incluindo a automatização total da central; o maior número de locais com bom potencial encontra-se em aproveitamento de baixas quedas. Moinhos de Ponte de Lima 29

41 Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos Turbina Pelton A turbina Peltoné das turbinas mais utilizadas em aproveitamentos hídricos. É considerada uma turbina de impulsão, visto que, utiliza sobretudo a velocidade da água para provocar o movimento de rotação. Constituição e Funcionamento A turbina Pelton é constituída por uma roda circular, onde na sua periferia se encontram um conjunto pás ou conchas, sobre as quais, incide, tangencialmente um jacto de água, dirigido por um ou mais injectores (Figura 16). Estas turbinas, podem ter eixo vertical ou horizontal, e são normalmente utilizadas em sistemas hídricos, caracterizados por pequenos caudais e elevadas quedas úteis. Figura 16 - Esquema de Funcionamento da Turbina Pelton[29] AsturbinasPelton são ainda caracterizadas por terem um baixo número de rotações e um elevado rendimento (até 93%), encontrando-se entre o grupo das turbinas hidráulicas com melhor rendimento. Para aumentar a velocidade da turbina, pode aumentar-se o número de jactos de água, obtendo-se desta forma um rendimento global mais elevado. Na Figura 17 pode ser observada a curva característica do rendimento da topologia com um único jacto e multijactos (Figura 18). A topologia multijactos é indicada essencialmente para aproveitamento hidroeléctricos em que o caudal é variável. 30 Moinhos de Ponte de Lima

42 Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos Figura 17 - Comparação da variação do rendimento relativo em função do caudal (single jetvstwinjet)[30] Figura 18 - Turbina Pelton Multijactos[31] Moinhos de Ponte de Lima 31

43 Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos Na Figura 19 apresenta-se uma turbina Pelton utilizada nas grandes centrais hidroeléctricas. Figura 19 - Turbina Pelton[32] Turbina Francis As turbinas Francis têm maior dimensão que as Pelton (para a mesma potência) e operam a velocidades menores. São constituídas pelorotorepor um distribuidor que permite controlar a potência da turbina mediante o ângulo de inclinação das pás. Estas turbinas podem ser montadascom eixo vertical ou eixo horizontal. São bastante utilizadas nas centrais hidroeléctricas portuguesas. Constituição e Funcionamento Apresenta um formato em espiral, sendo constituída por uma coroa de alhetas fixas, as quais formam uma série de canais hidráulicos que recebem a água radialmente e a orientam para a saída do rotor numa direcção axial (Figura 20). A entrada da turbina ocorre simultaneamente por múltiplas comportas de admissão dispostas ao redor da roda, sendo o trabalho exercido sobre todas as alhetas ao mesmo tempo para fazer rodar a turbina e o gerador. A água transfere parte da sua energia para o rotor e deixa a turbina pelo tubo de sucção. 32 Moinhos de Ponte de Lima

44 Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos Figura 20 - Constituição da turbina Francis[33] São normalmente utilizadas em sistemas hídricos caracterizados por pequenos caudais e quedas úteis desde 20 metros a algumas centenas de metros (700 m).uma interessante vantagem deste tipo de turbinas está associada à capacidade de funcionar como bomba de água. Esta técnica é usada em barragens reversíveis, para assim se poder bombear água para montante, consumindo energia eléctrica nas horas de vazio que fica armazenada sob a forma de energia potencial para posterior utilização.estas turbinas apresentam um rendimento elevado, até 95% Turbina Kaplan A turbina Kaplan(Figura 21) é uma evolução da turbina Francisque surgiu essencialmente para preencher uma lacuna existente em equipamentos para baixa queda. É uma turbina de reacção, indicada sobretudo para grandes caudais e quedas baixas. A turbina Kaplan surgiu no séc. XX por intermédio do Professor alemão Viktor Kaplan. Constituição e Funcionamento A turbina Kaplan(Figura 22) é constituída por uma câmara de entrada de água, que pode ser aberta ou fechada, por um distribuidor e por uma roda com quatro ou cinco pás em forma de hélice. Estas pás são móveis, o que permite variar o ângulo de ataque à Moinhos de Ponte de Lima 33

45 Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos água, através de um mecanismo de orientação que é controlado pelo regulador da turbina. Este facto confere á turbinakaplan uma grande capacidade de regulação. Este tipo de turbinas está orientado, normalmente, segundo um eixo vertical (com excepção das turbinas bolbo que estão orientadas segundo um eixo horizontal). O mecanismo de controlo das pás no rotor pode tornar o fabrico destas turbinas mais caro, o que pode tornar a sua aplicação menos interessante, quando comparada com as outras turbinas na mesma faixa de aplicação. São ainda caracterizadas por rodarem a baixa velocidade e por possuírem um elevado rendimento (até 93%). Existem também turbinas Kaplan de pás fixas, denominados por turbinas de hélice, estas possuem normalmente cinco pás fixadas ao veio principal. Neste tipo de turbinas não é possível fazer a regulação das pás para o caudal existente. Figura 21 - Turbina Kaplan (vista em corte parcial)[34] 34 Moinhos de Ponte de Lima

46 Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos Figura 22 - Constituição completa da turbina Kaplan Turbina Banki-Mitchell As turbinas Banki-Mitchell ou Crossflow (fluxo cruzado) possuem esta designação devido ao seu inventor. Podem ser classificadas como uma turbomáquina de impulsão. Este tipo de turbinas é utilizado para gamas de baixa potência. O seu rendimento é inferior aos das turbinas de projecto convencional, mas mantém-se elevado ao longo de uma intensa gama de caudais. Este facto, juntamente com a sua capacidade de funcionar com muito baixas quedas(< 10m) e pequenos caudais, faz com que sejam muito interessantes para pequenos aproveitamentos (nomeadamente, para microgeração). As turbinasbanki-mitchell só existem na disposição horizontal e apresentam uma velocidade de rotação baixa (de 60 a 600 rot/min), sendo frequentemente necessária a utilização de multiplicadores de velocidade entre elas e os geradores. Moinhos de Ponte de Lima 35

47 Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos Constituição e Funcionamento As turbinas Banki-Mitchell são constituídas pelas seguintes partes (Figura 23): 1- Suporte do Rotor 2- Corpo do Injector 3- Rotor 4- Caixa de velocidades (nem sempre utilizada) 5- Guarda-rotor 6- Tubo de respiro 7- Descarga 8- Conduta de admissão/regulador de caudal Figura 23 - Constituição da turbina Banki-Mitchell[35] 36 Moinhos de Ponte de Lima

48 Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos A turbina Banki-Mitchell é indicada para baixas e médias quedas (5 a 60 metros), e para uma larga gama de caudais (0,09 a 9 m 3 /s). Uma das suas maiores vantagens reside no facto de se poder dividir a turbina em secções axiais estanques e independentes, ou seja, dividindo a injecção em secções, é possível modular o fornecimento de água ao rotor. Desta forma, é possível manter os vários módulos perto do rendimento máximo, pois quando o caudal atinge o máximo de um módulo, abre-se o fornecimento de água ao módulo seguinte. Pelo contrário, quando o caudal diminui e os módulos começam a perder rendimento, fecha-se um dos módulos para se poder concentrar o caudal em menos módulos (um ou dois) e subir assim o rendimento global. As turbinas Bankipodem atingir rendimentos na ordem dos 60% a 85%, dependendo sempre da optimização que foi feita para cada caso, ou seja, a adequação do seu design ao local de instalação é o factor chave para obter um bom rendimento final. A Turbina Banki possui uma tecnologia de construção bastante simples, requer poucos equipamentos para o seu fabrico e manutenção. Em comparação com as turbinas anteriormente descritas, esta possui uma tecnologia de fabrico mais simples[36]. Na Figura 24 está representado o diagrama de selecção da turbina Pelton e Banki- Mitchell. A turbina Pelton, como já foi referido anteriormente é apropriada para aproveitamentos hidroeléctricos com grande queda, por outro lado a turbina Banki- Mitchell é mais adequada para aproveitamentos com pequena ou média queda e elevado ou médio caudal. Figura 24 - Ábaco da turbina Pelton vsbanki - Mitchell Moinhos de Ponte de Lima 37

49 Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos Conclui-se então que a turbina Banki-Mitchell seria uma boa solução a implementar no moinho de Ponte de Lima utilizado neste projecto Geradores eléctricos Os geradores eléctricos são dispositivos que convertem energia mecânica aplicada ao seu eixo de rotação em energia eléctrica. Os geradores eléctricos são máquinas que possuem normalmente um funcionamento reversível, ou seja, para além de converterem energia mecânica em eléctrica, podem funcionar como motores, convertendo energia eléctrica em mecânica. Os geradores eléctricos são normalmente de 2 tipos: geradores de corrente alternada (CA) e geradores de corrente contínua (CC). Nos geradores CA é possível encontrar 2 categorias de máquina: o gerador síncrono (ou alternador) e o gerador assíncrono (ou de indução) Gerador Síncrono Numa máquina síncrona, o campo magnético do rotor pode ser criado de duas formas distintas: através de um enrolamento de campo (ou indutor),no caso do gerador síncrono de rotor bobinado, WRSG (Wound Rotor SynchronousGenerator), ou através da utilização de ímanes permanentes no rotor, no caso do gerador síncrono de ímanes permanentes, PMSG (PermanentMagnetSynchronousGenerator) Gerador Síncrono de Rotor Bobinado Neste tipo de gerador (Figura 25) existe um enrolamento indutor (situado no rotor), que é alimentado em corrente contínua e produz o campo magnético essencial ao funcionamento da máquina (excitação). Quando o gerador é accionado por uma turbina (p.ex.)produz-se um campo magnético constante (em amplitude)quegiraà mesma velocidade do rotor. A variação do campo magnético nos condutores do estator origina o aparecimento de uma força electromotriz induzida em cada um deles. Se o circuito do estator estiver fechado, a força electromotriz dá origem ao aparecimento de uma corrente eléctrica, que por sua vez vai criar um campo magnético girante. Da acção conjunta dos dois campos surge o binário resistente, que tem de ser vencido pela turbina hidráulica primária que acciona o gerador. Num gerador trifásico, o número de enrolamentos presentes no estator é de três (ou múltiplos de três), sendo que estes se encontram desfasados 120º (no espaço), o que origina a produção de três tensões 38 Moinhos de Ponte de Lima

50 Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos alternadas à saída do gerador, desfasado 120º entre si (no tempo). A frequência (eléctrica) de saída do gerador é dada pela equação (3.2). (3.2) Onde, f- Frequência (Hz) n- velocidade de rotação (r.p.m) p - número de pólos do rotor Na Figura 25 está representado um gerador síncrono de rotor boninado utilizado nos automóveis. Este gerador tem a particularidade de gerar uma onda trapezoidal. Figura 25- Constituição do gerador síncrono de rotor bobinado[37] Gerador Síncrono de Ímanes Permanentes No gerador PMSG, o estator é constituído por ímanes permanentes que formam os múltiplos pólos. O número de pólos existentes no rotor é que indica a que velocidade irá girar este, quantos mais pólos, menor será a velocidade a que gira o rotor. O rotor deste gerador pode ser de dois tipos: pólos simples ou pólos salientes. Os geradores de rotores simples são mais comuns em geradores de velocidade de rotação baixa (micro-hídricas Moinhos de Ponte de Lima 39

51 Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos ou micro-eólicas), enquanto os geradores de rotores de pólos lisos são utilizados para velocidades de rotação elevadas (para potências elevadas). Este tipo de gerador tem a grande vantagem de não necessitar de excitação externa, o que associado ao elevado rendimento que apresenta faz com que seja quase sempre a solução preferida para microgeração. O elevado rendimento deste tipo de gerador deve-se ao facto de não possuir nenhum enrolamento no rotor, eu seja, não possui perdas associadas aos enrolamentos do rotor. Estes geradores possuem também a vantagem de serem bastante mais baratos pelo simples facto de serem máquinas com uma construção mais simples Gerador de Indução/Assíncrono O gerador de indução (Figura 26) é uma alternativa viável para geração de energia eléctrica em aproveitamentos hidroeléctricos. Essencialmente devido ao seu baixo custo, tanto de aquisição como de manutenção, sua simplicidade construtiva e robustez, quando comparado ao gerador síncrono. Estudos mostram que seu custo é aproximadamente 40% inferior em relação ao gerador síncrono. No entanto este tipo de geradores possuem uma grande desvantagem associadaao facto do gerador consumir permanentemente energia reactiva, e consequentemente necessitam de utilizar bancos de condensadores, de forma a compensar o factor de potência do gerador. Existem dois tipos de geradores de indução: gerador de indução com rotor em gaiola de esquilo, SCIG (Squirrel Cage InductionGenerator) e o gerador de indução com rotor bobinado, WRIG (Wound Rotor InductionGenerator)[38] Gerador de Indução Gaiola de esquilo O gerador de indução (Figura 26) é um gerador que baseia o seu princípio de funcionamento na criação de um campo magnético rotativo. A partir da aplicação de uma força centrífuga ao rotor é criado um campo magnético neste (campo girante). Este campo magnético girante criado pelo rotor induzirá nos enrolamentos do estator uma tensão. Caso a máquina esteja conectada a uma carga, circulará uma corrente nos enrolamentos do estator. Esta corrente faz com que o campo magnético do estator aumente. Em consequência disto, a corrente induzida no rotor também aumentará, elevando assim a tensão induzida no estator. 40 Moinhos de Ponte de Lima

52 Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos O gerador de indução com rotor em gaiola de esquilo (Figura 26) é muito utilizado em sistemas de grande potência, devido à sua simplicidade mecânica, elevada eficiência e baixos custos de manutenção. Este tipo de gerador pode ser utilizado em sistemas de velocidade constante ou velocidade variável, sendo que em sistemas de velocidade variável é necessária a utilização de circuitos de electrónica de potência para fazer o interface com a rede eléctrica. Neste gerador o rotor é composto por barras de material condutor, localizadas à volta do conjunto de chapas do rotor, que são curto-circuitadas por anéis metálicos nas extremidades. A grande desvantagem deste gerador prende-se ao facto de necessitar de estar conectado com a rede e de necessitar de um condensador acoplado aos enrolamentos do estator. Figura 26 Constituição do gerador de indução "gaiola de esquilo"[52] Gerador de Indução com Rotor Bobinado O gerador de indução com rotor bobinado é classificado como um gerador de velocidade variável e permite o funcionamento numa vasta gama de velocidades, extraindo assim a máxima potência do vento. Existem duas topologias possíveis de funcionamento do gerador de indução com rotor bobinado. Uma das configurações Moinhos de Ponte de Lima 41

53 Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos baseia-se na possibilidade de controlar a velocidade do gerador através da variação de uma resistência aplicada no rotor. A outra configuração tem os enrolamentos do estator do gerador ligados directamente à rede eléctrica, e o rotor do gerador igualmente ligado à rede eléctrica, mas através de conversores de Electrónica de Potência. Esta configuração é identificada por gerador de indução duplamente alimentado, DFIG (Doubly-FedInductionGenerator), e tem como objectivo controlar a velocidade do gerador pela aplicação dos conversores de Electrónica de Potência[38][39] Gerador de Corrente Continua O gerador de corrente contínua é constituído por duas partes distintas, o estator e o rotor. No rotor existem fios condutores montados em ranhuras ao longo da superfície, sendo esses condutores enrolados de forma a criar espiras. Essas espiras são ligadas aos terminais de anel colector, que se situa no eixo do rotor (Figura 28(b)). No estator é onde se encontram os enrolamentos que produzem os pólos do gerador (Norte e Sul), como está representado na Figura 28(a). Figura 27 - Constituição da máquina CC Figura 28 - Constituição da máquina CC[39] No gerador de corrente contínua o enrolamento do estator (também conhecido como enrolamento de campo ou indutor) é excitado por uma fonte de corrente contínua, inferindo no eixo do rotor um binário mecânico. Quando o enrolamento do rotor (o rotor é conhecido também como armadura ou induzido) corta as linhas de força, é produzida neste uma força electromotriz induzida, obedecendo á lei de Faraday. A força electromotriz induzida é alternada (sinusoidal), mas por meio de uma rectificação mecânica (comutador) é transformada em corrente contínua. Este tipo de gerador tem a desvantagem de necessitar de uma maior manutenção e ter um custo elevado. 42 Moinhos de Ponte de Lima

54 3.5. Hidrogeradores Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos Existem no mercado alguns hidrogeradores que podem ser instalados directamente em pequenos e médios cursos de água. Para a instalação desteshidrogeradores não é necessário alterar cursos de água nem de construir qualquer infra-estrutura para armazenamento de água. De seguida são apresentados alguns modelos de hidrogeradores que poderão ser encontrados no mercado nacional. A Figura 29 mostra um hidrogerador comercializado pela empresa Selm. Esta empresa disponibiliza hidrogeradores com 300, 500 e 1500W de potência, com declives de 12 a 25 metros e com caudais de 3 a 10 litros/segundo. Os preços para estes produtos variam entre os 1230 para a solução de 300W e 3470 para a solução de 1500W[40]. Figura 29- HidrogeradorSelm[41] A Figura 30 ilustra alguns dos hidrogeradores comercializados pela empresa VerdeSolar, que disponibiliza uma vasta gama de potências desde 800W até 18kW, com uma tensão nominal 240V AC. Esta empresa possui também versões de hidrogeradores (12 VDc, 24 VDc e 48 VDc) para utilização em sistemas isolados, em que existe um banco de baterias para acumular a energia produzida. Esta solução já vem implementada com um regulador de tensão[42]. Figura 30- Hidrogeradores verde solar 7 kw[42] Moinhos de Ponte de Lima 43

55 Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos A empresa Energy4all sediada no Porto possui vários tipos de hidrogeradores, nomeadamente hidrogeradores de baixa queda, alta queda e submersíveis. Possuem hidrogeradores para gamas de queda desde os 1,5 a 45 metros e caudais desde os 25 a 165 litros/segundo, ao qual corresponde uma gama de potências de 200 W a 30 kw (Anexo C)[43]. Na Figura 31 está representado um dos geradores comercializados pela empresa Energy4all de 30kW. Figura 31 - Hidrogerador CJD-30kW[43] Os hidrogeradores HCF são comercializados pela empresa HCF Portugal sediada em Vale de Cambra. Esta empresa possui hidrogeradores desde os 200 W (Figura 32) até aos 30 kw. O hidrogerador com 200 W de potência possui uma entrada de água de 50 mm de diâmetro. Este é indicado para quedas entre os 10 e os 14 metros e um fluxo de água dos 3 a 4 Litros/Segundo. A rotação nominal do gerador é de 1500 r.p.m[44]. Figura 32 - Hidrogerador HCF (200W)[44] 44 Moinhos de Ponte de Lima

56 Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos O hidrogerador de maior potência, 30 kw, possui duas entradas de água com 300 mm de diâmetro. Este é indicado para quedas elevadas, quedas essas que podem variar entre os 38 e 45 metros. O caudal indicado para este hidrogerador é de 90 a 120 Litros/Sengundo, com uma rotação do gerador de 1000 a 1500 RPM[44] Inversores (Conversor DC/AC) Os inversores podem ser diferenciados consoante a sua utilidade, como por exemplo inversores síncronos para ligação à rede vs. inversores estáticos para necessidades isoladas, ou quanto à forma da onda que produzem: quadrada, quadrada modificada ou sinusoidal. Devem ser tomadas em consideração algumas características quando se opta por um determinado tipo de inversor, tais como: eficiência, perdas em standby, capacidade de arranque, regulação da frequência, distorção harmónica, manutenção e preço. O inversor é um dispositivo electrónico que faz a conversão de corrente contínua para corrente alternada. Na turbina utilizada, existe acoplado um gerador que produz energia eléctrica, essa energia para poder ser injectada na rede tem que cumprir determinados valores de tensão e frequência. Após a rectificação de corrente AC para DC (no caso do gerador produzir corrente AC) ou após as baterias (no caso de a energia ser armazenada em baterias, corrente DC) é necessário fazer a conversão da corrente para esta poder ser injectada na rede, então utiliza-se o inversor. Uma boa escolha do tipo de inversor a ser utilizado num determinado aproveitamento hidroeléctrico é fundamental para a obtenção de um rendimento elevado, ou seja é necessário adaptar o tipo de inversor escolhido à curva característica de potência do gerador eléctrico. Existem várias topologias de inversores DC/AC. Estes podem sermonofásicos ou trifásicos, e consoante o tipo de alimentação podem ser VSI (Voltage Source Inverter) ou CSI (Current Source Inverter) [34]. A configuração CSI (Figura 33),inversor tipo fonte de corrente, tem no barramento DC uma fonte de corrente. Estes inversores são utilizados em unidades de alta potência, nomeadamente no acoplamento de motores AC[45]. Moinhos de Ponte de Lima 45

57 Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos Figura 33 - Inversor CSI trifásico[46] AFigura 34 ilustra uma topologia trifásica em ponte completa elementar com configuração VSI, inversor tipo fonte de tensão. Figura 34 - Inversor VSI trifásico[46] Esta configuração gera à saída uma tensão AC, composta por valores discretos ( ) elevados, deste modo a carga deverá ser indutiva, para que a onda de corrente produzida seja suave. Uma carga capacitiva associada irá gerar grandes picos de corrente, neste caso será necessário a aplicação de um filtro indutivo entre o inversor e a carga. Analogamente, a topologia CSI gera à saída uma corrente AC composta por valores discretos ( ) elevados. Assim, a carga deverá ser capacitiva, de modo a produzir uma onda de tensão dita suave. Com uma carga indutiva, este inversor gerará grandes picos de tensão. Para evitar estas ocorrências é necessário colocar um filtro capacitivo à saída do inversor[46]. Por sua vez, os inversores VSI estão divididos em três categorias distintas, inversores PWM, inversores de onda quadrada e inversores monofásicos com tensão de cancelamento[45]: 46 Moinhos de Ponte de Lima

58 Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos a) Inversor PWM: neste tipo de inversor, a tensão de entrada é constante em magnitude. O inversor controla a magnitude e a frequência da tensão de saída, através da largura por modulação de pulso, para obteruma tensão de saída o mais próxima possível de uma onda sinusoidal [45]. b) Inversor de onda quadrada: neste tipo de inversor, a tensão de entrada DC é controlada, com o objectivo de controlar a magnitude da tensão de saída AC. Portanto, o inversor tem apenas de controlar a frequência da tensão de saída. A tensão de saída tem a uma forma de onda semelhante a uma onda quadrada [45]. c) Inversor monofásico com tensão de cancelamento: com este tipo de inversor é possível controlar a magnitude e a frequência da tensão de saída, apesar de a tensão de entrada DC ser constante e os interruptores do inversor não serem modulados por PWM. A forma de onda da tensão de saída é uma onda quadrada. Portanto, este inversor combina as características dos dois inversores anteriormente descritos. A técnica de anulação de tensão apenas funciona em inversores monofásicos [45]. Para a realização deste trabalho utilizou-se um inversor monofásico do tipo VSI, uma vez que o objectivo é produzir uma tensão com valores de amplitude e frequência controlados, para ser injectada na rede À saída do gerador deve existir sempre uma protecção contra sobretensões, para que possa proteger o inversor e restantes equipamentos a jusante de tensões superiores às tensões máximas admitidas por estes mesmos equipamentos. Deve também existir um disjuntor diferencial para proteger pessoas e bens e um disjuntor contra sobrecargas e curto-circuítos. Foi ponderado desenvolver um inversor nos laboratórios da Universidade do Minho mas visto que seria difícil certificar e homologar o inversor desistiu-se da ideia e optou-se por adquirir um inversor da SMA. Neste ponto do trabalho serão apresentados então alguns dos inversores existentes no mercado que poderiam ser implementados neste projecto. Moinhos de Ponte de Lima 47

59 Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos Inversores SMA Com o consequente desenvolvimento feito pela SMA, o inversor SunnyBoy (Figura 35) é um dos melhores produtos existentes no mercado para equipamentos com ligação à rede eléctrica. Nos inversores com transformadores anulares para separação galvânica podem ser ligados em série até 24 módulos PV.Todos os SunnyBoys são fabricados em invólucros de aço inoxidável com o tipo de protecção IP 65, combinado com o campo alargado de temperaturaem série, torna-se possível a montagem em qualquer local. A fiabilidade destes inversores é elevada e possuem um tempo de vida superior a 20 anos. Figura 35 - Inversor SMA[47] A série de inversores WindyBoy foi desenvolvida para geradores de energia eólica/hídrica em pequena escala de ligação à rede. Esta série apresenta uma gama de potências disponível desde 1,1 kw a 6 kw. O intervalo de tensões de entrada varia mediante o modelo em análise. Deste modo, o modelo 1,1kW LV, apresenta uma gama de tensões de entrada reduzida, de 20 VDCa 60 VDC. Porém, para outros equipamentos disponíveis, o intervalo das tensões de entrada podem situar-se em 139 VDC a 600 VDC. A SMA permite que em todas as gamas de inversores sejam configuráveis as curvas de potência, designada curva característica polinomial, deste modo, permite que o inversor optimize o sistema para a máxima eficiência de qualquer turbina. 48 Moinhos de Ponte de Lima

60 Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos Os inversores da SMA operam com um rendimento máximo de 96,1%.Todos os inversores dispõem de um display standard para diagnóstico, visualização e armazenamento de dados, de igual modo, comunicação via interface RS232 e RS485.AProtection Box da SMA é um equipamento adicional contra sobretensões, que integra um rectificador trifásico[47] Inversores Fronius Os inversores IG (Figura 36), IG Plus e IG TL da Fronius são algumas das séries de referência para utilização em sistemas de pequena potência (1,5 kw até 5 kw). Figura 36- InversorFronius[48] A gama de tensões aplicadas á entrada dos inversores da série IG vai desde os 150 a 400 VDc,sendo a gama de potência disponível de 1,5 kw até 5 kw. Estes inversores apresentam um rendimento máximo de 94,3% e um THD (Total HarmonicDistortion) inferior a 3,5%. A gama de tensões aplicadas à entrada dos inversores da série IG Plus vai desde os 230 VDC a 500 VDC sendo a gama de potência disponível de 3,5 kw e 4 kw, com uma fase apenas. Existem inversores com potências superiores para sistemas bifásicos ou trifásicos, pertencentes à mesma gama de inversores. Esta série apresenta um rendimento máximo de 95,9%, e o seu valor de THD da corrente é inferior a 3%. Moinhos de Ponte de Lima 49

61 Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos Os inversores da gama IG TL apresentam uma gama de potências desde 3 kw a 5 kw e um intervalo de tensões á sua entrada de 350 até 700 VDC. O rendimento máximo dos inversores desta classe é de 97,7%, e o seu THD da corrente é inferior a 3%. Os inversores da série IG possuem uma funcionalidade que impede o seu funcionamento autónomo (principio de medição da impedância). Estes possuem também uma opção de transferência de dados através de um cartão de memória[48] Inversores Kaco A Kaco dispõe de uma gama de inversores (Figura37) isenta de transformadores, deste modo, torna-os mais económicos e permitem obter rendimentos superiores. Figura37 InversorKaco[49] Os inversores sem transformadores requerem uma tensão de entrada superior à tensão de pico da rede. A gama de tensões de entrada situa-se entre 350 VDC até 600 VDC, com um rendimento máximo de 96,8%, para a série apresentada, a gama de potências disponíveis é de 2,5 kw a 8 kw. Além dos inversores sem transformadores, a empresa também produz inversores galvanicamente isolados. Para esta série, a gama de potências disponíveis, para estes equipamentos é de 2 kw a 6 kw, sendo o intervalo de tensões de entrada 125 VDC a 510 VDC para o inversor com a potência de 2 kw e a 50 Moinhos de Ponte de Lima

62 Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos gama de tensões de entrada para os restantes de 200 VDC a 510 VDC, porém o rendimento máximo apresentado é de 96%. O valor THD, taxa de distorção harmónica da corrente, à potência nominal e tensão sinusoidal é inferior a 3%, para ambas as séries de inversores. Este inversor possui algumas características que se evidenciam dos outros inversores, nomeadamente o interface RS232 ou RS485 integrado e a monitorização da rede por interface de segurança bidireccional (BiSi)[49] Power - One Aurora O inversor (Figura 38) é um inversor adequado para sistemas de produção de energia eólica/ hídrica com ligação à rede. Esta série de inversores apresenta uma gama de potências disponíveis de 3 kw a 6 kw, para um intervalo de tensão de entrada de 50 VDC a 580 VDC. Figura 38 - Inversor Power - One Aurora[50] Como principais características destacam-se o seu rendimento máximo de 97%, e o valor THD (Taxa de Distorção Harmónica da corrente) inferior a 2%. Este inversor possui comunicação via USB e RS485, deste modo, permite o controlo remoto da instalação via Internet. A utilização do Interface Box elimina a necessidade de utilizar rectificador adicional à saída do gerador eléctrico[50]. Moinhos de Ponte de Lima 51

63 Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos 3.7. Rectificador (Conversor AC/DC) O dispositivo ou componente eléctrico que permite converter corrente alternada em corrente contínua é designado por conversor AC/DC ou rectificador. Este pode ser monofásico ou trifásico, consoante o número de fases de tensão alternada à entrada. Pode ser de meia onda ou onda completa, dependendo do tipo de ligação dos semicondutores, e ainda pode ser controlado, semi-controlado ou não controlado, de acordo com os semicondutores utilizados. Os rectificadores trifásicos (Figura 40) podem operar com mais potência e apresentam uma tensão de saída com menor ripple, sendo por isso mais utilizados que os monofásicos. Nos rectificadores controlados a tirístores, é injectada uma corrente na gate que controla a entrada em condução do tirístor. O ângulo de disparo do tirístor (α) representa o atraso entre a passagem da tensão por zero (rectificador monofásico) e o instante em que o tirístor inicia a sua condução. Na Figura 39 é apresentado um rectificador monofásico de onda completa. Figura 39 Rectificador monofásico de onda completa[51] A Figura 40 apresenta esquematicamente a topologia de um rectificador trifásico de onda completa não controlado. A condução efectua-se através dos díodos nos dois semi-ciclos (positivo e negativo) para cada tensão (fase) de entrada. A saída é normalmente filtrada por um condensador. Nesta topologia existe sempre dois díodos em condução, um no semi-ciclo positivo e o outro no semi-ciclo negativo, ou seja, na parte superior do circuito conduz o díodo em que a fase corresponde à tensão mais elevada, de igual modo relativamente à parte inferior do circuito, conduz o díodo associada à fase que apresente a tensão mais negativa. 52 Moinhos de Ponte de Lima

64 Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos Figura 40 - Rectificador Trifásico[52] 3.8. Conversor DC/DC Os conversores DC/DC são circuitos electrónicos que recebem um nível de tensão ou corrente contínua nos seus terminais de entrada e, de acordo com as exigências do sistema, ajustam para outro valor de tensão ou corrente contínua nos terminais de saída, obtendo-se assim uma tensão ou corrente regulada à saída. Estes são amplamente utilizados em fontes de tensão DC, sistemas fotovoltaicos, sistemas micro-eólicos, aplicações com motores DC, entre outras. Nos sistemas fotovoltaicos a função do conversor DC/DC é adaptar o nível de tensão que é fornecido à carga, e ao mesmo tempo optimizar a potência gerada pelos painéis fotovoltaicos, pretendendo-se com isto que o painel solar funcione sempre no ponto de máxima potência, para diferentes condições climatéricas, através do algoritmo de controlo MPPT. O conversor DC/DC é, portanto, um circuito de electrónica de potênciaconstituído por vários componentes, tais como: semicondutores, indutâncias e condensadores. Existem vários tipos de conversores DC/DC que diferem na disposição desses componentes, e consequentemente na sua função. Os principais tipos de conversores DC/DC são: conversor abaixador de tensão (step-downoubuck), conversor elevador de tensão (stepupouboost), conversor abaixador-elevador (step-down/step-upou buck-boost), conversor de Cúk conversor em ponte completa (full-bridge). Destes cinco tipos de conversores, apenas os conversores step-upestep-downsão tipologias básicas de conversores. Tanto o conversor buckboostcomo o conversor cúksão combinações das tipologias básicas. O conversor fullbridgeé uma derivação do conversor step-down. Moinhos de Ponte de Lima 53

65 Capítulo 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos O conversor DC/DC, designado por fonte comutada, tem muitas aplicações, tais como: fontes de alimentação DC, UPS s, sistemas fotovoltaicos, sistemas micro-eólicos, aplicações com motores DCpara tracção eléctrica, etc. Figura 41 - Conversores CC/CC: a) Step-up b) Step-down c) Buck-Boost d) Cúk e) Full-Bridge 54 Moinhos de Ponte de Lima

66 CAPÍTULO 4 Sistema Desenvolvido 4.1. Introdução Neste capítulo será explicado detalhadamente todo o processo de desenvolvimento do projecto e resultados obtidos. O projecto está dividido em quatro partes distintas. Na primeira parte da dissertação será explicado todo o processo de aquisição do material necessário para a realização do projecto. A segunda parte é relativa á mecânica utilizada, desde turbina, apoios do veio da turbina, polias para desmultiplicação, veio principal, chumaceiras e por fim a base de apoio do conjunto veio/turbina. A terceira parte descreve os componentes eléctricos/electrónicos onde se inclui o gerador, o rectificador e as protecções de toda a parte eléctrica a jusante do gerador. Na quarta e última parte é feita uma descrição sobre o processo de instalação dos componentes eléctricos/electrónicos instalados no moinho. Inicialmente este projecto enfrentou vários obstáculos que puseram em causa a sua conclusão em tempo útile que são explicados sucintamente neste capítulo Questões Sociais Inicialmente o moinho escolhido para a realização deste trabalho situava-se no rio Trovela e era uma instalação muito interessante, uma vez que tinha um aspecto rústico e o proprietário ainda se dedica á moagem do milho para obtenção de farinha. Após uns meses de medições e cálculos surgiu inesperadamente um problema relacionado com partilhas familiares que pôs em causa a continuidade deste projecto. Analisando a situação foi encontrada uma solução: abandonar o moinho e procurar outro em que não existissem este tipo de problemas, bastante comuns no que diz respeito a cursos de água e moinhos. Felizmente foi possível encontrar um novo moinho para dar continuidade ao projecto no mesmo rio Trovela, a pouco mais de 300 metros do moinho inicial. Este moinho (Figura 42) não é tão interessante como o primeiro, uma vez que já não está em funcionamento e não possui o mesmo aspecto rústico, mas foi o que foi possível arranjar num curto espaço de tempo. Moinhos de Ponte de Lima 55

67 Capítulo 4 Sistema Desenvolvido Figura 42-Moinhovisto do exterior 4.3. Aquisição do Material No início deste projecto surgiu a necessidade de fazer uma pesquisa cuidada (e posterior aquisição) deequipamento com características adequadas para o desenvolvimento do projecto (Figura 43 a Erro! A origem da referência não foi encontrada.). Concretamente, e para destacar apenas os mais importantes foram adquiridos, um osciloscópio digital portátil, um multímetro digital e uma pinça amperimétrica, cujas principais características se indicam em seguida: Osciloscopio Portátil Agilent U1604A Figura 43 - Osciloscópio Portátil Agilent U1604A 56 Moinhos de Ponte de Lima

68 Capítulo 4 Sistema Desenvolvido Fluke 179 (True-rms Multimeter) Figura 44 - Fluke 179 true-rms Moinhos de Ponte de Lima 57

69 Capítulo 4 Sistema Desenvolvido Pinça Amperimétrica/Multímetro IPM 138 Figura 45 - Multímetro IPM Moinhos de Ponte de Lima

70 4.4. Componentes Mecânicas Capítulo 4 Sistema Desenvolvido Turbina construída Recorda-se que um dos objectivos deste projecto é alterar o menos possível a estrutura física das instalações. Por outro lado, para que este seja viável, importa também que o custo dos vários equipamentos seja baixo. Por estas razões, e tendo ainda em conta as limitações em termos de tempo e o interesse que havia em ter uma ideia de qual é o rendimento conseguido com uma turbina rudimentar como a que existia originalmente no moinho, optou-se, numa primeira fase, por construir uma versão mais moderna basicamente utilizando chapa em vez de madeira na sua construção da turbina utilizada no tradicional moinho de rodízio. Ao mesmo tempo foi desenvolvida por um colega do Departamento de Engenharia Mecânica (DEM) que fazia parte do grupo de trabalho, uma turbina do tipo Banki-Mitchell, com características adequadas para este tipo de aproveitamentos. O desenho e execução da turbina tiverama contribuição do colega André Matosdo DEMe do proprietário da empresa Agovi (empresa metalomecânica que construiu o equipamento), que dada a longa experiência no projecto de turbinas e outras infraestruturas mecânicas, forneceu alguns conselhos úteis. Infelizmente, e apesar da simplicidade da turbina, a sua construção acabou por demorar largos meses, quase comprometendo a boa conclusão do projecto. Para além disso na fase da instalação da mesma detectaram-se alguns problemas que atrasaram ainda mais o projecto. Concretamente, o veio da turbina tinha aproximadamente dois metros de comprimentos e pela forma como foi concebida a montagem do equipamento, a vibração resultante da água a percorrer a turbina fazia com que as pás embatessem na estrutura de cimento envolvente (voluta). Para corrigir este problema foi necessário acrescentar quatro apoios centrais no veio (Figura 46), que não estavam inicialmente previstos. Moinhos de Ponte de Lima 59

71 Capítulo 4 Sistema Desenvolvido Figura 46 - Colocação dos apoios do veio Figura 50. Representações da turbina instalada no moinho podem ser vistas nas Figura 46 a Figura 47 - Renderização da turbina[53] 60 Moinhos de Ponte de Lima

72 Capítulo 4 Sistema Desenvolvido Na Figura 48pode ser observada a direcção do jacto da água relativamente á curvatura das pás da turbina, neste caso em concreto a direcção do jacto é contrária á direcção normal das turbinas Pelton, pois desta forma, apesar de teoricamente se aproveitar menor parte da energia cinética da água, evita-se um acumular de água no interior da voluta. Figura 48 - Turbina e orientação do jacto (Vista inferior)[53] Figura 49 - Turbina (vista trimétrica invertida)[53] Moinhos de Ponte de Lima 61

73 Capítulo 4 Sistema Desenvolvido Figura 50 - Turbina Concluída O estrangulamento da saída da água é um factor que influencia o rendimento global da turbina, assim desta forma a solução encontrada foi tentar aproveitar o máximo da energia da água, e ao mesmo tempo fazer com que a água não se acumulasse na voluta Outras Componentes mecânicas utilizadas A par do desenvolvimento da turbina foram desenvolvidas/construídas também outras componentes mecânicas que são essenciais e indispensáveis para a instalação da solução mecânica final, sendo estas: Disco de ligação turbina/veio Veio de transmissão Manga de apoio do veio Chumaceira seca do par veio/manga, em nylon Placa de suporte do sistema Rolamento cónico Par de polias (turbina/gerador) Polia trapezoidal Suporte gerador Suportes para a manga de apoio ao veio Apoios centrais do veio 62 Moinhos de Ponte de Lima

74 Capítulo 4 Sistema Desenvolvido A escolha da correcta relação de transmissão na ligação da turbina ao gerador não foi um processo simples. Por um lado importava ter o gerador a rodar tão próximo quanto o possível da sua velocidade nominal (450 RPM). Por outro lado a velocidade de rotação da turbina (que acciona o gerador) dependia do caudal de água e do binário de carga da mesma. Começou por se fazer uma primeira estimativa com base na velocidade média de rotação (85 r.p.m) da turbina para o caudal máximo disponível. Assim obteve-se numa primeira aproximação uma relação de transmissão de 5,30/1, tendo sido construído um par de polias com diâmetros de 530mm e 100mm (sendo a mais pequena instalada no gerador). O movimento é transmitido da polia motora para a polia movida por meio de uma correia de 3/8 de polegada (Figura 52). Após os primeiros testes do conjunto turbina/gerador o valor da relação de transmissão foi optimizado para uma relação 5,3/0,9.Ainda assim o sistema de controlo do conjunto turbina/gerador terá que precaver que em situações anormais, como por exemplo no caso de um caudal muito superior ao habitual e/ou em situações em que o gerador fique bruscamente a funcionar em vazio (o que faria com que a turbina tendesse a embalar), a velocidade de rotação do gerador não ultrapasse largamente o seu valor nominal, o que colocaria em risco a integridade do mesmo. NaFigura 51está representada a curva de tensão do gerador em circuito aberto. Para a sua velocidade nominal de 450 RPM obtem-se aos terminais do gerador uma tensão próxima de 270 V (tensão rectificada). Figura 51 - Curva de Tensão do Gerador PMG-1000 em circuito aberto Moinhos de Ponte de Lima 63

75 Capítulo 4 Sistema Desenvolvido Na Figura 53 é possível observar o conjunto de duas polias montadas no veio do gerador, bem como o mecanismo desuporte/ajuste. Figura 52 - Transmissão turbina/gerador Figura 53 - Grupo turbina/suporte ajustável/polia 64 Moinhos de Ponte de Lima

76 4.5. Gerador e Electrónica Capítulo 4 Sistema Desenvolvido Gerador Síncrono de Ímanes Permanentes Trifásico Para a realização deste trabalho foi necessário adquirir um gerador síncrono de ímanes permanentes trifásico, inicialmente com potência de 1000W (GL-PMG-1000) e posteriormente foi adquirido outro com 1800W (GL-PMG-1800), tendo ambos as mesmas dimensões e aparência exterior. Os geradores são produzidos por uma empresa chinesa GinlongTechnologies que se dedica exclusivamente à produção de geradores com o intuito de serem aplicados na produção de energia eólica. Este gerador síncrono de ímanes permanentes trifásico é apresentado nafigura 54. Figura 54 - Gerador síncrono de ímanes permanentes trifásico GL-PMG-1000/1800 Após a montagem do gerador (Figura 54) no local foram efectuados alguns ensaios em vazio á sua velocidade nominal (450 RPM), que permitiram confirmar alguns valores fornecidos pelo fabricante (Anexo B): O valor da tensão trifásica rectificada medida é 270 V, rodando à velocidade nominal (450 RPM); A frequência das tensões produzidas é 60 Hz, rodando á velocidade nominal (450 RPM). (4.1) Moinhos de Ponte de Lima 65

77 Capítulo 4 Sistema Desenvolvido Rectificador Trifásico Para uma primeira fase de testes do conjunto turbina/gerador foi construído um rectificador trifásico cuja função é converter as tensões alternadasproduzidas pelo gerador, para uma tensão de saída aproximadamente constante. Na construção do rectificador utilizou-se um módulo da IXYS que inclui uma ponte trifásica de díodos para 600V/38A. No gráfico da Figura 55 apresenta-se o aspecto típico da tensão de saída da ponte trifásica (Vd) obtida a partir das três tensões alternadas (vab; vbc; vca)produzidas pelo gerador. Figura 55 - Tensão rectificada (Vd) por um rectificador trifásico A ponte trifásica é constituída por seis díodos, (D1+, D1-, D2+, D2-, D3+, D3- ),divididos em dois grupos, como se pode visualizar nafigura 56. Nos rectificadores de onda completa é feita a condução nos dois hemiciclos (positivo e negativo) das tensões de entrada de cada fase (va, vb, vc). Em cada instante de tempo conduz um díodo do grupo de cima e um díodo do grupo de baixo. 66 Moinhos de Ponte de Lima

78 Capítulo 4 Sistema Desenvolvido Figura 56 - Rectificador trifásico de onda completa não controlado. Figura 57 Rectificador Trifásico e Dissipador Na Figura 57 está representado o rectificador trifásico acoplado a um dissipador da Ixysque tem como principal função fazer o arrefecimento do rectificador evitando assim que este sobreaqueça e se danifique. No Anexo D encontram-se as características relativas a esta ponte de díodos Controlador/Relé de Tensão Inicialmente ficou acordado por motivos de escassez de tempo para a realização do projecto, que iria ser adquirido material electrónico como inversor, rectificador e algumas protecções. Contudo foi também desenvolvida uma solução académica que Moinhos de Ponte de Lima 67

79 Capítulo 4 Sistema Desenvolvido permite substituir o rectificador e protecções. O quadro eléctrico desenvolvido (Figura 58 e Figura 59) é constituído por: Controlador de tensão Porta fusíveis trifásico Fusíveis 10A Banco de condensadores Relé 24V Contactor trifásico Voltímetro Comutador de fases Sinalizadores Botoneirasstart/stop Figura 58 - Quadro eléctrico desenvolvido (visualização frontal) 68 Moinhos de Ponte de Lima

80 Capítulo 4 Sistema Desenvolvido Figura 59 - Quadro eléctrico desenvolvido (visualização lateral) Modo de operação Com o botão verde accionado, o controlador de tensão é alimentado e por sua vez vai accionar o contactor K1. Este accionamento do contactor K1 só é feito se o valor da tensão estiver dentro dos parâmetros definidos no controlador de tensão. Inicialmente é necessário programar alguns parâmetros de medição deste controlador, ou seja, existe um valor de tensão de referência superior e inferior que é necessário definir. Este relé de tensão faz a leitura do valor da tensão entre duas fases e compara este valor com o valor de referência. Através desta comparação de tensões, o controlador actua se a tensão for superior ao valor de referência inferior definido, e faz o corte se a tensão for superior ao valor de referência superior definido. Com o botão vermelho accionado (corte geral), o controlador de tensão não está alimentado e K1 está em aberto. Este quadro eléctrico possui também um voltímetro para visualizar o valor da tensão entre as 3 fases. Através do comutador de fases pode ser obtido o valor da tensão entre L1-L2, L2-L3 e L1-L3. De uma forma geral o quadro desenvolvido permite a protecção do circuito eléctrico a montante deste, se a tensão de saída do gerador for superior ou inferior á tensão de referência, então este actua deixando todos os componentes eléctricos/electrónicos protegidos. Moinhos de Ponte de Lima 69

81 Capítulo 4 Sistema Desenvolvido NaFigura 60 está representado o respectivo circuito de comando. Figura 60 - Circuito de comando Legenda: RA Relé auxiliar RT Controlador de tensão K1 Contactor K1 F Fusível B1 Botoneira de pressão 1 B2 Botoneira de pressão 2 70 Moinhos de Ponte de Lima

82 Capítulo 4 Sistema Desenvolvido Na Figura 61 está representado o respectivo circuito de potência. Figura 61 - Circuito de potência Moinhos de Ponte de Lima 71

83 Capítulo 4 Sistema Desenvolvido Condensadores do Lado CC do Rectificador Os condensadores aplicados do lado CC do rectificador constituem um bloco de filtragem que tem a função de manter baixo o ripple da tensão rectificada, devendo suportar um valor de tensão superior ao pico da tensão composta produzida pelo gerador. Na construção do bloco de filtragem foram utilizados condensadores electrolíticos (BHC-ALC10A-681DH400) com uma capacidade de 680µF, que suportam uma tensão máxima de 400V CC. NaFigura 62está representado o banco de condensadores utilizados. Figura 62 - Banco de Condensadores do Lado CC do Rectificador Para realizar este banco de condensadores foram utilizados oito condensadores iguais. Esses oito condensadores são divididos em dois grupos, em que cada grupo contém quatro condensadores ligados em paralelo, o que faz com que se obtenha em cada grupo uma capacidade de 2720 μf e uma tensão máxima de operação de 400 V. De seguida são ligados os dois grupos em série, para que à saída, o conjunto de condensadores proporcione a capacidade total de 1360 μf e uma tensão máxima de operação de 800 V. Esta topologia é necessária devido ao valor de pico da tensão composta ser de 400V, para a velocidade rotação nominal do gerador. Na Figura 62 estão representadas duas resistências de sangria que se encontram ligadas em série entre si e em paralelo com o banco de condensadores. Estas resistências fazem com que os condensadores se descarreguem rapidamente quando estes são desligados. Estas possuem também a função de repartir a tensão de forma equitativa pelos dois conjuntos de condensadores ligados em série. 72 Moinhos de Ponte de Lima

84 Capítulo 4 Sistema Desenvolvido Instalação dos componentes eléctricos/electrónicos Após a finalização da montagem de todos os componentes mecânicos avançou-se para a instalação eléctrica do interior do moinho. Foi necessário retirar todo o material eléctrico antigo que se encontrava nas paredes do moinho e colocar novas tubagens, cablagens, caixas de derivação, interruptores e iluminação. A ligação eléctrica do gerador até ao rectificador foi realizada com três condutores multifilares, de cores diferenciadas, com secção nominal de 4 mm 2. Posteriormente iniciou-se o processo de montagem dos equipamentos de electrónica de potência e aparelhagem de protecçãoque são apresentados na Figura 63. Figura 63 - Instalação dos equipamentos eléctricos/electrónicos no moinho 1) Disjuntor tripolar de 16A dispositivo de protecção automático, protege a instalação eléctrica contra sobrecargas e também contra curtos-circuitos provenientes do gerador. 2) Caixa de derivação 1 derivação da energia proveniente do gerador para o rectificador Protection Box e também para o rectificador trifásico desenvolvido (solução académica). Moinhos de Ponte de Lima 73

85 Capítulo 4 Sistema Desenvolvido 3) Rectificador trifásico (Protection Box) Este equipamento permite a rectificação e a protecção contra sobretensões de entrada, limitando a saída para 400 VDC, protegendo assim o inversor. 4) Disjuntor monofásico este dispositivo tem como principal função abrir o circuito quando for necessário colocar em funcionamento o rectificador trifásico desenvolvido. 5) Caixa de derivação 2 ponto de recepção da energia do rectificador Protection Box e do rectificador trifásico desenvolvido. 6) Inversor monofásico SMA equipamento de electrónica de potência responsável pela conversão da tensão em corrente contínua para tensão alternada e á frequência da rede eléctrica (50Hz). 7) Disjuntor diferencial de 30mA dispositivo de protecção automático, que protege a instalação eléctrica e fundamentalmente pessoas contra perigos resultantes das correntes de fuga. Este baseia-se na comparação entre duas correntes (fase e neutro), actuando quando a diferença entre elas excede um valor predeterminado, interrompendo o circuito. Figura 64 - Vista frontal dos equipamentos montados no moinho 74 Moinhos de Ponte de Lima

86 Capítulo 4 Sistema Desenvolvido Na montagem dos equipamentos eléctricos/electrónicos surgiram algumas dificuldades no que diz respeito á fixação destes á parede do moinho. As paredes do moinho são antigas e irregulares, e por isso foi necessário colocar os equipamentos em locais da parede estratégicos (Figura 64). No final da montagem foi necessário colocar um contador de energia electrónico com telecontagem. Este contador foi adquirido através da empresa donauer juntamente com o inversor e protection box da SMA. Constituição do Contador Janz A1700 (Figura 65): Modem com comunicação GSM Ligação RS232 Ligação RS485 Quatro módulos de entrada Dois módulos de saída Figura 65 - Contador de Energia Janz A1700 com telecontagem Moinhos de Ponte de Lima 75

87 CAPÍTULO 5 Testes e Resultados 5.1. Introdução Neste capítulo descrevem-se os testes realizados no sistema desenvolvido para a instalação piloto e apresentam-se alguns resultados experimentais Estimativa do Potencial Energético do Moinho Existem um conjunto de testes que permitem estimar a potência que é possível extrair de um curso de água. Essa estimativa passa normalmente pela medida da queda e do caudal disponíveis. Em seguida descrevem-se alguns métodos simples que permitem obter estes parâmetros Medição da Altura Disponível É a diferença entre o nível superior da água, a montante da turbina e o nível inferior, onde a água é extraída da turbina. A altura é um dos factores mais importantes para adequar um determinado tipo de turbina ao local onde é instalada. Existem vários métodos para realizar a medição da altura, alguns destes métodos serão apresentados a seguir Utilização de um Barómetro/Altímetro Neste método a altura é medida através da diferença de pressão atmosférica existente entre a parte superior (captação) e inferior (saída da turbina). Estes aparelhos medem a pressão atmosférica do local, relativamente à altitude do mar, sendo posteriormente, convertido para um valor de altitude. Este valor pode ser visualizado analogicamente ou digitalmente, dependendo do tipo de aparelho que se utiliza. A utilização deste aparelho apresenta a vantagem de ser muitocómodo uma vez que só é necessário medir a pressão na parte superior e na parte inferior do curso de água, fazendo-se a medição directamente, não sendo necessária a utilização de qualquer outro dispositivo. 76 Moinhos de Ponte de Lima

88 Capítulo 5 Testes e Resultados Medição de Unidades Sucessivas Este método consiste em medições sucessivas de pequenas alturas geométricas (Figura 66), devendo a parte superior de cada unidade de medição estar alinhada com a parte inferior da medição anterior. Uma medição correcta pode ser facilmente alterada pelo estado do terreno e pelo rigor da medição do operador. Figura 66 - Implementação do Método de Unidade de Medição Medida da Pressão Hidrostática Neste método é necessário utilizar um tubo ou mangueira cheio de água, estendido desde a parte superior do aproveitamento até á parte inferior.na parte inferior colocamos um medidor de pressão relativa (diferença entre a pressão absoluta e a pressão atmosférica), um manómetro por exemplo, como se pode observar nafigura 66. Depois de ter sido medido o valor da pressão relativa utiliza-sea equação (5.1). (5.1) Com: P Pressão relativa medida no ponto inferior [Pa] ρ Massa volúmica da água [kg. m3] g Aceleração da gravidade [9,8 m/s2] Moinhos de Ponte de Lima 77

89 Capítulo 5 Testes e Resultados No caso dainexistência de um manómetro, a medição do nível de água pode efectuar-se recorrendo a uma mangueira cheia de água, com início no ponto de entrada de água no moinho (ponto mais alto) e com fim na saída de água do moinho (ponto mais baixo). Levantando-se a parte inferior da mangueira até esta ficar ao mesmo nível do seu ponto mais alto, detectada pelo facto de, em dado momento a água deixar de sair da mangueira,mede-se a altura desta ao solo, obtendo-se assim a altura disponível no aproveitamento Medição do Caudal Disponível O caudal disponível é difícil de determinar se for medido num rio ou num canal de dimensões não uniformes. Podem, no entanto, ser obtidos valores aproximados com um dos métodos apresentados a seguir Utilização da Equação de Bernoulli De acordo com o princípio de Bernoulli, o aumento da velocidade de um fluido ocorre simultaneamente com uma diminuição da pressão ou com uma diminuição na energia potencial do fluido. (5.2) Com: - Altura piezométrica devida à pressão estática. -Altura cinética devida ao escoamento. Z-Altura potencial devida à cota do ponto. e, s-índices, respectivamente a montante e a jusante. Como P e = P s = 0 = P a (pressão atmosférica) e considerando a velocidade a montante aproximadamente igual a zero, virá: 78 Moinhos de Ponte de Lima

90 Capítulo 5 Testes e Resultados (5.3) Com: Us velocidade a jusante antes de entrar na turbina [m s -1 ] H Desnível geométrico [m] Posteriormente, sabendo a área da secção transversal ao escoamento, pode calcular-se o caudal pela equação (5.4). (5.4) Método do Cano Cheio Este método consiste em fazer com que toda a água existente no rio ou riacho passe pelo interior de um tubo com um determinado comprimento e diâmetro. Deve-se ter em atenção que, o tubo deve estar sempre cheio de água, mas se alguma água transbordar, isso não constituirá um problema. A seguir apresenta-se uma tabela onde é possível observar os diferentes caudais para um tubo de 50 cm de comprimento e diversos diâmetros. Tabela 3 - Relação entre Diâmetro de Tubos e Respectivo Caudal Moinhos de Ponte de Lima 79

91 Capitulo 5 Testes e Resultados Método do Tambor O método do tambor baseia-se na colocaçãode um tambor ou um balde, com volume conhecido, em baixo da queda de água. De referir que este método só é praticável em pequenos cursos de água. Posteriormente é medido o tempo (em segundos) que demora a encher o tambor ou balde. Com estas variáveis conhecidas divide-se o volume do balde ou tambor pelo tempo em segundos de enchimento, obtendo-se o caudal em litros por segundo, pela equação (5.5). (5.5) Com: Q - Caudal V Volume do balde t - Tempo Método Flutuador Relativamente a este método existem vários aspectos que têm que ser tomados em consideração. O primeiro aspecto a ter em conta é a escolha do local, onde se efectuam as medições, sendo este, preferencialmente um local de secção uniforme e trajecto rectilíneo.nesse troço do rio, devem ser esticadas duas cordas perpendiculares ao eixo do mesmo(figura 67). Em seguida deve ser medido intervalodo tempo que decorre desde que o objecto flutuador (p.ex. pedaço de madeira) passa pela primeira corda até atingir a segunda. Regista-se a distância entre cordas [d] e o tempo que o flutuador demorou a percorrê-la [t]. Figura 67 - Aplicação do Método Flutuador 80 Moinhos de Ponte de Lima

92 Capítulo 5 Testes e Resultados De referir que, por baixo de cada uma das cordas, num determinado numero de locais distintos (cinco será um numero razoável), deve medir-se a profundidade do rio, de forma a poder ser calculada a profundidade média do seu leito, de acordo com a equação (5.6). (5.6) A Figura 68 ilustra o método para efectuar a medição correcta da profundidade do curso de água,utilizando um barra de nível com ranhuras equidistantes. Figura 68 - Medições da profundidade do rio Depois de calculados os parâmetros anteriores, a profundidade média e a largura do rio, o próximo passo, deve ser o do cálculo da área da secção do rio (A, em metros quadrados), seguindo a equação (5.7). (5.7) Moinhos de Ponte de Lima 81

93 Capitulo 5 Testes e Resultados Assim, obtida a secção do rio, é calculada a velocidade deste pelo método flutuador, através da equação (5.8). (5.8) Por fim, depois de todos os parâmetros anteriores terem sido calculados, falta, agora, calcular o caudal do rio (Q), que é dada pela equação (5.9). (5.9) Onde, a constante 0,8 é uma constante empírica que tem em conta por defeito os erros resultantes das medições Estimativa do Potencial Hídrico da Instalação Piloto Dos métodos descritos foi seleccionado o método flutuador para medir a velocidade de escoamento (e posteriormente estimar o caudal) e foi utilizado o método da pressão hidrostática para medir a altura disponível. Através da utilização do método flutuador foram obtidos os dados apresentados na seguinte tabela: Tabela 4 - Medição de velocidade de escoamento (Método do Flutuador) Medição da velocidade de escoamento Distancia percorrida pelo flutuador (d) 4 m 1º Tempo decorrido s 2º Tempo decorrido s 3º Tempo decorrido s Valor Médio (Δt) s 82 Moinhos de Ponte de Lima

94 Capítulo 5 Testes e Resultados Com base nestes dados foi possível estimar o valor da velocidade de escoamento a partir da equação (5.10). (5.10) Para estimar o valor da velocidade foi também utilizado em alternativa um anemómetro emprestado pelo Dep. de Eng. Cívil da marca SEBA (Figura 69). A utilização deste aparelho é bastante cómoda, já que indica a medida da velocidade de uma forma quase directa, e teria sido uma boa maneira de confirmar os valores obtidos pelo método flutuador. No entanto os resultados obtidos por este equipamento acabaram por ser ignorados uma vez que não foi possível encontrar curvas de calibração credíveis para o equipamento. Figura 69 - Anemómetro SEBA Através da medição da pressão hidrostática foi estimada a altura disponível no aproveitamento tendo-se obtido o valor de 1,9 metros. Para além da altura e da velocidade foram ainda efectuadas outras medições cujos valores se resumem no quadro seguinte: Tabela 5 - Características dimensionais do moinho e velocidade de escoamento Velocidade 0,323 m/s -1 Queda Total (h) 1,9 m Dimensões da admissão da conduta 0,26 x 0,9 Dimensões do ejector 0,4 x 0,41 Dimensão da voluta Ø 0,93 x 0,47 Moinhos de Ponte de Lima 83

95 Capitulo 5 Testes e Resultados Para obter uma estimativa dopotencialhídrico do moinho efectuaram-se os seguintes cálculos: Secção da conduta de admissão = 0,26 0,9 = 0,234m 2 (5.11) Q = A v = 0,234 0,323 = 0,076m 3.s -1 (5.12) Assim, a potência hidráulica é dada por (ρ - massa volúmica, ɡ - aceleração da gravidade): Phidráulica = ρ ɡ h Q (5.13) Phidráulica = 1000 kg.m -3 9,807 m.s -2 1,9 m 0,076 m 3.s -1 (5.14) Phidráulica = 1416W (5.15) Cálculo da Potência Eléctrica Uma vez obtida a estimativa da potência hídrica, é agora possível calcular o valor da potência eléctrica, que amini-hídrica é capaz de produzir. Trata-se de um passo importante para o dimensionamento do gerador eléctrico e componentes eléctricos/electrónicos. Q = 0,8 A v (5.16) Q = 0,8 0,234 0,323 (5.17) Q = 0,060 m 3.s -1 (5.18) O rendimento global, que depende do caudal, é o produto do rendimento do circuito hidráulico da turbina do gerador e dos restantes componentes que constituem a microhídrica. Assim, toma-se como valor empírico que é aceite para pequenos aproveitamentosum rendimento médio, cerca de 60% [27]. P eléctrica anteprojecto = ρ η Q H (5.19) Peléctrica anteprojecto = 9,807m.s -2 0,6 60 l/s 1,9 m (5.20) Peléctrica anteprojecto = 670W (5.21) 84 Moinhos de Ponte de Lima

96 Resultados Experimentais Capitulo 5 Testes e Resultados Com a finalidade de validar as estimativas de produção de energia eléctrica estimadas no ponto anterior, foram efectuadas alguns testes cujos resultados se apresentam em seguida Uma vez instalado o conjunto turbina/gerador ligou-se á sua saída o equipamento descrito no ponto e4.5.3 para alimentar um conjunto de cargas de diferente valor. Estas cargas consistiram num conjunto de receptores eléctricos (basicamente aquecedores e grelhadores adquiridos no mercado que foram ligados em diferentes configurações série/paralelo para proporcionar diferentes valores de potência consumida). Através dos valores obtidos na Tabela 6, resultante da concretização dos testes de potência, foi elaborada a curva de potência do grupo turbina/gerador, criada em folha de cálculo. Tabela 6 - Características eléctricas do conjunto electroprodutor Os valores da resistência (carga) foram obtidos com recurso à equação da lei de Ohm. De igual modo, a potência eléctrica dissipada em forma de calor foi obtida pelo produto da tensão e corrente, resultante dos testes efectuados. Assim, através dos valores obtidos na tabela anterior, resultante da concretização dos testes de potência, foi elaborado a curva de potência grupo turbina/gerador, criada em folha de cálculo (Tabela 6). Moinhos de Ponte de Lima 85

97 Capitulo 5 Testes e Resultados Através da análise dos dados obtidos nos testes de potência do conjunto electroprodutor verifica-se que o valor de maior potência (441W, Figura 70) foi obtido quando o gerador rodava a uma velocidade próxima das 58 r.p.m. Figura 70 - Curva de Potência do conjunto electroprodutor Os resultados de potência obtidos estão bastante abaixo do valor inicialmente estimado (670 W) e a diferença dificilmente poderia ser explicada apenas pelo facto de os testes não teremsido feitos exactamente nas mesmas condições de caudal. Depois de estudado o problema, chegou-se à conclusão de que o rendimento do gerador utilizado é de apenas 63%, bastante abaixo do valor típico (cerca de 80%), mesmo para máquinas de pequena potência. No entanto é previsível que nas mesmas condições de caudal, utilizando um gerador de melhor rendimento e depois de alguns melhoramentos introduzidos em todo o sistema, nomeadamente com a optimização da saída da água da turbina e a limpeza do curso do leito do rio a montante e a jusante, se possam atingir valores próximos dos estimados. 86 Moinhos de Ponte de Lima

98 CAPÍTULO 6 Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro 6.1. Introdução Neste capítulo apresentam-se as conclusões mais importantes do projecto desenvolvido, assim como também são expostas algumas sugestões de trabalho futuro, que permitirão melhorar o desempenho do sistema microprodutor Conclusão Esse trabalho enquadra-se num projecto de maior dimensão que, deverá contar apoio do município de Ponte de Lima. A ideia seria montar num moinho do concelho, previamente seleccionado, um sistema de microgeração hídrica, com o principal objectivo de demostrar a viabilidade/interesse do projecto, a começar pelos próprios autarcas do município. As principais dificuldades na gestão do projecto tiveram a ver com o cumprimento de prazos. Uma empresa de Braga que se disponibilizou para construir a turbina de um de dia para o outro, acabou por levar mais de 6 meses para a entregar, por outro lado, o processo de aquisição dos equipamentos destinados à interface com a rede eléctrica foi também muito demorado, nomeadamente por motivos burocráticos associadas à tesouraria da UM e da empresa à qual o material foi adquirido. Estas situações originaram um atraso significativo no processo de conclusão da instalação para demostração. Através do estudo efectuado, foi possível concluir que o potencial hídrico em Portugal é considerável. Os moinhos antigos surgem como pontos de excelência para implementar este tipo de solução tecnológica: não requerem investimentos avultados em infra-estruturas de construção civil, e a reabilitação energética alavanca uma possível reabilitação da integridade destes imóveis, aumentando muito o valor do património. Surge assim um incentivo natural à reabilitação de antigos moinhos para turismo rural, valorizada pela componente de produção de energia limpa. Somente na região de Ponte de Lima existem centenas de locais com antigos moinhos, abandonados ou não, habitualmente em grupos de duas ou três unidades. Numa fase inicial, o projecto consistia na construção de um sistema electrónico capaz de realizar o interface do microgerador hídrico à rede eléctrica. Após um estudo Moinhos de Ponte de Lima 87

99 Capitulo 6 Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro de mercado sobre os dispositivos necessários para realização do projecto chegou-se à conclusão que seria vantajoso adquirir um conjunto rectificador-inversor, que integrasse todas as funcionalidade pretendidas para a instalação piloto. Isto deveu-se essencialmente ao facto de existir pouco tempo disponível para a implementação de um sistema completo no moinho e também devido ao facto dos dispositivos adquiridos serem certificados e homologados. Juntamente com a aquisição de material efectuada foi também desenvolvido um quadro eléctrico que permitiu fazer alguns testes iniciais no moinho. Em geral entende-se que os objectivos principais do projecto foram atingidos. Inicialmente foi feita uma pesquisa sobre a legislação existente para a microgeração, e foi também realizada uma pequena pesquisa de mercado s Tendo como referência a actual instalação piloto, conclui-se que será possível construir aproveitamentos micro-hídricos idênticos, a custos aceitáveis e interessantes quando comparados com os de outras tecnologias renováveis de potência equivalente. Em termos de mercado, foi possível verificar que existe um nicho muito interessante na área da microgeração hídrica, e que esta solução tecnológica pode ser competitiva com outras tecnologias na área das energias renováveis. A análise económica comparativa feita do sistema microhídrico com o sistema solar fotovoltaico para microgeração em regime especial, mostra que o sistema microhídrico é um melhor investimento. Isto é possível porqueo sistema microhídrico tem um custo de instalação inferior e consegue produzir energia quase ininterruptamente, apesar da electricidade produzida ser vendida a uma tarifa mais baixa. Relativamente ao retorno do investimento para o sistema desenvolvido, para uma potência estimada de 670W e com um investimento inicial de aproximadamente 5000, obtem-se uma facturação anual de 771. Isto significa então, que o retorno do investimento seria feito em 6 anos e meio. Por último, refira-se a propósito que foi realizada uma visita à instalação piloto, organizada pelos responsáveis do projecto, pelas entidades autárquicas, concretamente Sr. Presidente da Câmara (Eng.º Victor Manuel Alves Mendes), o Vice-presidente (Gaspar Correia Martins) e assessor do município de Ponte de Lima, havendo boas perspectivas em relação à continuidade do projecto. 88 Moinhos de Ponte de Lima

100 Capitulo 6 Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro 6.3. Trabalho Futuro Como propostas de trabalho futuro, destacam-se alguns aspectos relevantes, contribuindo, deste modo para uma optimização de todo o sistema microprodutor. Os principais trabalhos futuros incidem essencialmente na modificação e limpeza do canal de restituição da água a montante e jusante do moinho. Com a turbina em funcionamento, verificou-se que a saída da água se encontrava com algum estrangulamento, prejudicando o escoamento e naturalmente a permanência de alguma água no interior da voluta. Assim um aumento de área da saída da voluta e consequentemente a limpeza do canal da mesma proporcionariam um aumento do rendimento do conjunto electroprodutor. Para realizar uma optimização de todo o sistema electroprodutor, seria vantajoso construir uma comporta manual a ser implementada no canal a montante do moinho, na entrada da conduta forçada. Actualmente, a abertura e bloqueio da passagem da água para a turbina é efectuada com recurso a pequenos pedaços de madeira (tábuas). Adicionalmente, uma das propostas de melhoria seria implementar um sistema de monitorização de dados recolhidos no moinho. Isto seria possível visto que o contador electrónico possui comunicação por RS232/ RS485 e um módulo GSM. Moinhos de Ponte de Lima 89

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105 Anexos A. Fluxos monetários a vinte anos para sistemas fotovoltaicos e hídricos Ano Tarifa ( /kwh) Energia (kwh) Fluxos Monetários Ano Ano 1 0, , Ano 2 0, , Ano 3 0, , Ano 4 0, , Ano 5 0, , Ano 6 0, , Ano 7 0, Ano 8 0, , Ano 9 0, , Ano 10 0, , Ano 11 0, , Ano 12 0, Ano 13 0, , Ano 14 0, , Ano 15 0, , Ano 16 0, ,2 641 Ano 17 0, ,9 604 Ano 18 0, Ano 19 0, ,6 548 Ano 20 0, ,6 515 Total Tabela 7 - Fluxos monetários a 20 anos para sistema solar fotovoltaico de 3,5kW Mês Energia Eléctrica (kwh) Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Junho Julho Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro Total Tabela 8 - Produção de Energia Eléctrica para sistema micro-hidrico 94 Moinhos de Ponte de Lima

106 Ano Tarifa ( /kwh) Energia (kwh) Fluxos Monetários Ano Ano 1 0, Ano 2 0, Ano 3 0, Ano 4 0, Ano 5 0, Ano 6 0, Ano 7 0, Ano 8 0, Ano 9 0, Ano 10 0, Ano 11 0, Ano 12 0, Ano 13 0, Ano 14 0, Ano 15 0, Ano 16 0, Ano 17 0, Ano 18 0, Ano 19 0, Ano 20 0, Total Tabela 9 - Fluxos monetários a 20 anos para sistema micro-hidrico de 3,5kW Moinhos de Ponte de Lima 95

107 B. Especificações do gerador utilizado (GL-PMG-1000) 96 Moinhos de Ponte de Lima

108 C. Gama de hidrogeradoresdiponíveis pela empresa Energy4all Moinhos de Ponte de Lima 97

109 D. Especificações do rectificador utilizado 98 Moinhos de Ponte de Lima

110 Moinhos de Ponte de Lima 99