Antonio Marcos de Melo Medeiros Universidade Federal de Goiás

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1 XXI Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica SENDI a 13 de novembro Santos - SP - Brasil Antonio Marcos de Melo Medeiros Universidade Federal de Goiás amarcosmedeiros@gmail.com Antônio Melo de Oliveria Universidade Federal de Goiás melo@emc.ufg.br João Caetano Neto CELG - COMPANHIA ENERGÉTICA DE GOIÁS joaoc@celg.com.br Jose Wilson de Lima Nerys Universidade Federal de Goiás jwlnerys@gmail.com Alexandre Gomes de Souza Universidade Federal de Goiás agsouzaa@gmail.com Wanir Jose de Medeiros Junior Universidade Federal de Goiás wanir@emc.ufg.br Márcio Leonel Silva Miguel CELG - COMPANHIA ENERGÉTICA DE GOIÁS marcio.lsm@celg.com.br METODOLOGIA DE ESTIMATIVA DE ECONOMIA DE ENERGIA ELÉTRICA EM SISTEMAS DE IRRIGAÇÃO COM MÚLTIPLOS PIVÔS CENTRAL COM UM CONJUNTO MOTOBOMBA Palavras-chave Economia de energia eletrica Eficiência energética Energia rural Multipivo Pivô central Sistemas de irrgiigação Resumo 1/11

2 O presente trabalho tem por objetivo propor uma metodologia para estimar a redução no consumo de energia elétrica usando como ferramenta de cálculo as curvas características e equações de vários sistemas de irrigação a pivô central e a equação e curva característica de um conjunto motobomba. Foi feito uma análise minuciosa dos vários pontos de operação do sistema, intersecção entre as curvas dos vários sistemas de irrigação com a curva do conjunto motobomba, resultando na determinação de pontos de economia de energia elétrica. O método desenvolvido foi utilizado para analisar um sistema real com dados de cincos pivôs e uma bomba, instalados na Embrapa arroz e feijão em Santo Antônio Goiás. A economia de energia elétrica obtida para cada pivô foi: 26,14%, 33,15%, 39,44%, 37,44%, 36,55%. O funcionamento em conjunto dos pivôs apresentou uma economia de 49,56%. Este estudo proporcionou análises das situações operacional e física do sistema de irrigação, sendo possível verificar o funcionamento do sistema em condições nominais de operação, permitindo identificar pontos com pressões acima das projetadas. Com a metodologia desenvolvida, é possível avaliar e comparar o sistema com e sem controle de pressão, utilizando um inversor de frequência para controlar a rotação da bomba, tornando-o eficiente. 1. Introdução Os sistemas de irrigação a pivô central exigem uma grande quantidade de energia e água, hoje segundo a agência nacional de água há aproximadamente 4,6 milhões de hectares de área irrigada do Brasil, segundo levantamento do relatório de conjuntura dos recursos hídricos no Brasil em 2009(ANA, 2013, p. 425). Esse relatório mostra um aumento de 50% na área irrigada em dez anos, a uma velocidade de cerca de 150 mil hectares/ano. Com o aumento da área irrigada sugiram outros métodos de aproveitamento do sistema de irrigação no qual utiliza um sistema de motor-bomba para atender vários pivôs, aumentando assim a área irrigada sem necessidade de colocar varias bombas em um sistema de captação(rodrigues, 2010, p. 6). Uma situação muito evidenciada em áreas irrigadas por pivô central é o compartilhamento por vários pivôs centrais da mesma estrutura física de captação e condução de água. Esse é o caso, por exemplo, verificado na bacia hidrográfica do Rio Buriti Vermelho. Os pivôs centrais inseridos na área de drenagem dessa bacia captam água de um único local cujo volume de armazenamento é definido. Durante os períodos de elevada demanda hídrica, esse volume não é suficiente para atender simultaneamente a demanda de todos os pivôs. Tal fato leva a ter que tomar decisões freqüentes sobre quando finalizar a irrigação em um pivô e iniciar a irrigação do próximo, e como fazer para reduzir os custos com energia elétrica(christofidis, 2007, p. 6). A solução que se propõe é que a partir de resultados com a metodologia já existem para um sistema de irrigação com um pivô e um conjunto moto-bomba, possa ser desenvolvida para o sistema de múltiplos pivôs centrais com um único conjunto motor-momba. Utilizando um sistema cedido pela Embrapa arroz e feijão com cinco pivôs em um mesmo sistema motor-bomba com 250 cv de potência, foi realizado um estudo estimativo utilizando o método já existente, considerando um sistema por vez e também com todos funcionando, e a partir do ponto de entrega e não da captação(bernardo, 2006, p. 625). 2. Desenvolvimento O método consiste em determinar o ponto de operação, que é o ponto de interseção entre a curva característica da bomba e a curva do sistema. H sistema =H bomba (MEDEIROS, 2005, p. 131),onde Q é a solução do sistema, raízes da equação 3. 2/11

3 HG+DH+kQ²= d+cq+bq² +aq³ (1) aq³+bq²+cq+d-kq²-?hg -HG=0 (2) aq³+(b-k)q²+cq+(d-hg - DHG)=0 (3) Os conversores de frequência (TIAGO, 1996, p. 19) são equipamentos eletrônicos formados por retificador filtro é inversor propriamente dito, que formam o acionamento elétrico do motor-bombas, cuja função é o controle da velocidade de rotação dos motores elétricos a corrente alternada(cendes, 2004, p. 91). Com a alteração da rotação, observada as leis de semelhança física das máquinas hidráulicas rotativas, equações 4 a 6, as curvas de funcionamento da bomba(altura manométrica x vazão, etc) são alteradas, mudando assim o ponto de operação do sistema(alves, 2001, p. 108). (4) (5) (6) Na figura 2 abaixo mostra o calculo realizado para a determinação da economia de energia elétrica de um sistema já existente no qual foi medido e simulado. O sistema é um pivô de 40cv localizado na Embrapa arroz e feijão com desnível de 5,5 mca entre o ponto central e o ponto mais alto, com vazão de 95 m³h -1 e pressão de 71,1mca. Figura 2. Curvas do sistema 1 e da bomba 1 sem controle (condição nominal de projeto), curvas do sistema 2 e bomba 2 com controle. 3/11

4 No sistema sem controle o ponto 1 é o ponto de operação, encontro da curva do sistema e curva da bomba, no qual mostra uma vazão de aproximadamente de 102m 3 h -1 e uma pressão de aproximadamente de 73 mca. Esses valores estão um pouco acima das medias de projeto (95m³h -1 e 71,1 mca), notem que o ponto de operação nem sempre tem os valores iguais aos de projeto. Quando escolhido uma bomba bem dimensionada para atender ao sistema de irrigação o ponto de união das duas curvas se aproxima dos valores de vazão e pressão de projeto. Nesse ponto a potência é determinada de acordo com a equação 7(JARDIM, 1992, p. 164) abaixo: (7) Onde: H1- altura manométrica no ponto 1, da bomba ao ponto mais alto (mca) Q - vazão no ponto 1(m 3 s -1 ). P1- Potência necessária a bomba no ponto 1 (W). g- aceleração da gravidade (9,81 ms -2 ). r - massa especifica da água (1000kgm -3 ). h - Rendimento da bomba na condição do ponto 1; Como o sistema de irrigação é dinâmico, ou seja, a altura geométrica DH varia ao logo do terreno, figura 2. O sistema de controle monitora a variação da pressão ao logo do sistema e altera a velocidade da bomba através do inversor de frequência conforme equação 11(YANAGI, 1997, p. 6). (8) (9) (10) (11) Onde: n1 - rotação da bomba no ponto 1 (rpm). n2 - rotação da bomba no ponto 2 (rpm). H1 - altura manométrica no ponto 1 (mca). H2 - altura manométrica no ponto2 (mca). Na figura 2 pode-se observar que na condição 1 (nominal) o sistema atende as condições de projeto ficando o tempo todo pressurizado quando o sistema vai do ponto mais alto ao ponto mais baixo do terreno. Com o uso do inversor de freqüência e um sistema de controle de malha fechada utilizando as equações 9 e 10, o controle na pressão é através 4/11

5 da rotação da bomba. Mudando assim a curva da bomba 2 (com controle), quando há variação da altura manométrica do sistema 2, de acordo com a variação das cotas de altura do terreno. No ponto 1 a potência foi de: O pivô analisado demora 12 horas para dar uma volta completa, com o relê percentual com velocidade a 100%. Pode-se determinar o consumo da energia elétrica consumida no ponto 1: Pode-se observar que a pressão no ponto de operação (ponto 1) esta acima da pressão (71,1 mca) e vazão (95 m 3 h -1 ) de projeto. Considerando que o sistema de controle ajuste a pressão do sistema até a pressão de projeto então à curva da bomba é deslocada ao ponto de operação 2 aliviando assim o sistema, reduzindo o consumo de energia elétrica. O novo ponto de trabalho tem uma potência de: Como o terreno tem um desnível entre o ponto mais alto e o centro do pivô há uma variação na pressão devido à variação da altura geométrica do terreno. Variando a curva do sistema entre o ponto 2 e 3, o controle detecta esta variação através dos transmissores de pressão instalados no pivô e muda a rotação do conjunto motobomba através dos conversores de freqüência. Mudando a curva da bomba de acordo com a altura manométrica do terreno, ate o ponto 4, que é o de menor altura, no ponto 3 a potencia é de: Calculando o percentual de economia de energia do ponto 1 ao ponto 3 é de: O valor medido de economia para uma volta completa foi de 33,93% e simulação 34,54%. A energia elétrica consumida medida no ponto 1 sem controle de velocidade foi de kWh e com controle de velocidade kWh. Os dados obtidos na simulação (LUCENA, 2005, p. 14) no modo sem controle de velocidade foi kWh no modo com controle de velocidade kWh. 5/11

6 Considerando somente o desnível entre o ponto 1 e 4 a economia calculada fica em 26%. Aplicação do método desenvolvido para o estudo da economia de energia elétrica com cinco pivôs funcionando individualmente com o mesmo conjunto moto bomba. O método matemático descrito anteriormente foi utilizado para determinar a economia do sistema de irrigação para múltiplos pivôs instalados em uma propriedade com um conjunto moto-bomba. Foi aplicado o método desenvolvido em sistema real com dados de cincos pivôs instalados na Embrapa arroz e feijão considerando apenas o desnível entre o ponto mais alto e o centro do pivô(medeiros, 2010, p. 137), foi calculada a economia mínima no sistema para cada pivô individualmente, conforme dados a seguir para o pivô 1: TABELA 01 GRAFICO PIVÔ 1 6/11

7 Cálculo da potência e energia consumida nos pontos 1, 2 e 3 no gráfico do pivô 1. Fazendo os cálculos para os demais pivôs 2, 3, 4 e 5 foi obtida as seguintes tabelas: Tabela 6 Potência no eixo da bomba e percentual de redução na potencia nos pontos 1,2 e 3. 7/11

8 Tabela 7- Energia elétrica consumida nos pontos 1,2 e 3 e percentual de energia economizada. Estudos da economia de energia elétrica com os cinco pivôs funcionando ao mesmo tempo com um conjunto moto bomba. Ao analisarmos os dados da tabela 6 e 7 observamos a economia individual em cada sistema de irrigação, o que indica uma combinação no modo de operação do sistema, no qual podemos ter varias possibilidades de funcionamento. A intersecção dos pontos 1 e 3 nas figuras anteriores do pivô 1 ao 5, quando o sistema trabalha com mais de um pivô, surge varias faixa de economia de energia ficando entre o Maximo e o mínimo entre os sistemas. Analisando os dados para os cincos pivôs funcionando ao mesmo tempo, obtemos a tabela 8 e 9. Tabela 8 Potência no eixo da bomba e percentual de redução na potencia pontos 1 e 3, para todos os pivôs funcionando ao mesmo tempo. 8/11

9 Fazendo a diferença entre os pontos P1 e P3 onde o percentual de redução é DP(%)=, ficou em 55,57%. Tabela 9- Energia elétrica consumida nos pontos 1 e 3 e percentual de energia economizada, para todos os pivôs funcionando ao mesmo tempo. Fazendo a diferença entre os pontos P1 e P3 onde o percentual de redução é DE(%)= ficou em 49,56%. 3. Conclusões A proposta do trabalho foi desenvolver uma metodologia de calculo para a determinação de economia de energia elétrica para um sistema de bombeamento com vários pivôs em uma área de plantio. Os resultados obtidos mostraram que a economia de energia elétrica nos sistemas funcionando individualmente depende da topografia da área a ser irrigada. A metodologia desenvolvida mostrou que mesmo sendo feito o bombeamento com um sistema moto bomba há diferença de economia de energia elétrica quando acionados os sistemas individualmente, o que mostra a particularidade de cada sistema quanto a demanda hídrica, tempo de funcionamento e topografia do terreno, que influenciam no consumo de energia elétrica.quando analisamos os resultados no sistema de irrigação com todos os pivôs funcionando ao mesmo tempo para a mesma bomba, a economia de energia elétrica total foi 49,56%. Essa economia é maior do que a maior economia individual pivô 3 com 39,44% mostrando que o sistema com uso do inversor de freqüência e o sistema de controle, torna o sistema de irrigação a pivô central mais eficiente tanto individualmente ou em conjunto com vários pivôs e uma mesma bomba. 9/11

10 Agradecimentos Os autores expressam seus agradecimentos à Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL e a Celg Distribuição S.A. (CELG D)A. pela oportunidade de realização deste trabalho, a Fundação de Apoio à Pesquisa (FUNAPE/UFG) pelo suporte nos recursos finaceiros. 4. Referências bibliográficas ANA-AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS. Relatório de Conjunturas de Recursos Hídricos no Brasil, Disponível em: Acesso em 10 agosto, ALVES FILHO, A. S. Distribuição de água na superfície e no perfil do solo aplicada por um pivô central f. Dissertação (Mestrado em Agronomia) Universidade Federal de Goiás, Goiânia, ALVES, A. J. Inversor de frequência - uma ferramenta para o acionamento e racionalização do consumo de energia elétrica em sistemas de irrigação a pivô central f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e de Computação) Universidade Federal de Goiás, Goiânia, ALVES, A. J.; OLIVEIRA, L. F. C.; MELO, A. O. Verificação das relações de rateaux pelo emprego de um inversor de frequência, Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, Campina Grande, v. 6, n. 3, p , set BERNARDO S.; Soares A. A.; Mantovani E. C. Manual de irrigação. 8 ed. Viçosa: UFV, p. CHRISTOFIDIS, D. Água um desafio para a sustentabilidade do setor agropecuário. In: Instituto FNP (Org.). AGRIANUAL 2007, 12 ed. São Paulo: FNP, 2007, v.1 p CENDES, F. Proposta de automação de sistema de irrigação com pivô central baseado em microprocessadores f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e de Computação) Universidade Federal de Goiás, Goiânia, JARDIM, S. B. Sistemas de Bombeamento. 1 ed. Porto Alegre: Sagra-dc Luzzatto, p. Lucena, K. F. M Uso do EPANET no dimensionamento de um sistema de irrigação. V SEREA - Seminario Iberoamericano sobre Planificación, Proyecto y Operación de Sistemas de Abastecimiento de Agua. Valencia. Anais, P. MEDEIROS, A. M. M. Otimização de Sistemas de Irrigação Por Aspersão Pivô Central f. Tese (Doutorado em Agronomia) Universidade Federal de Goiás, Goiânia, /11

11 MEDEIROS, A. M. M. Potencial de economia de energia elétrica em sistemas de irrigação a pivô central com uso de inversor de frequência no estado de Goiás f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e de Computação) Universidade Federal de Goiás, Goiânia, RODRIGUES, L. N.; MOREIRA, J. M. M. A. P.; LIMA, C.; TORRES, M. de O. Alocação do uso do solo e da água em pivôs centrais. Planaltina, DF: Embrapa Cerrados, Disponível em:< Acesso em: 18 nov TIAGO, FILHO. G. L. Uso de bombas com rotação variável, Mimeografado, Itajubá, EFEI, p.19, YANAGI, Jr. T.; FERREIRA, E.; COLOMBO, A.; MELLO, C. R.. Método matemático para a estimativa analítica das curvas de desempenho de bombas centrífugas. Revista Ciência e Agrotecnologia, Lavras, V.21, n.4,p , /11