Desenvolvimento de Software Para Dimensionamento de Microhidrelétricas com Geradores a Ímãs Permanentes e Potências até 10kW

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1 Desenvolvimento de Software Para Dimensionamento de Microhidrelétricas com Geradores a Ímãs Permanentes e Potências até 10kW Teófilo Miguel de Souza (teofilo@feg.unesp.br), Alexandre Augusto Barbosa Mariano Centro de Energias Renováveis, Departamento de Engenharia Elétrica, Unesp/Guaratinguetá Av. Ariberto Pereira da Cunha 333, , Guaratinguetá-SP, Brasil Fone: +55 (12) ; +55(12) Fax: +55 (12) Resumo O presente trabalho visa fornecer soluções de cálculos computacionais, em ambiente Windows, utilizando Linguagem de Programação Delphi 7.0. A aplicação é voltada para projetos de geração de energia elétrica através de microhidrelétricas com geradores a ímãs permanentes, que possam ser utilizados pelo Centro de Energias Renováveis, em implantação pelo Departamento de Engenharia Elétrica, Unesp-Campus de Guaratinguetá. Ainda, utilizando o software, fornecer um maior número de resultados para analisar e comparar as várias alternativas de projetos, de modo a obter a que forneça a melhor relação custo por benefício. Palavras-chave: geração de energia elétrica, microhidrelétricas, geradores de ímãs permanentes. 1. Introdução Atualmente, o uso da eletricidade pelos diversos setores da sociedade é extremamente elevado e é necessário sempre um aumento do fornecimento de energia. Assim, é imprescindível um planejamento para a geração de energia elétrica no país para que não aconteça casos de racionamento compulsório ou mesmo falta de energia. No caso do Brasil, a energia elétrica é gerada principalmente por usinas hidrelétrica, responsável por aproximadamente 90% da energia consumida no país. Uma microhidrelétrica é definida como um conjunto de obras e equipamentos cuja finalidade é a geração de energia elétrica, através de aproveitamento do potencial hidráulico existente em um riacho. O potencial hidráulico é proporcionado pela vazão hidráulica e pela concentração dos desníveis existentes ao longo do curso de um riacho. Isto pode se dar de forma natural, quando o desnível está concentrado numa cachoeira. Também através de uma barragem, quando pequenos desníveis são concentrados na altura da barragem ou através de desvio do riacho de seu leito natural, concentrando-se os pequenos desníveis nesse desvio. A água captada é conduzida até a casa de força através de canais, túneis e/ou condutos. Após passar pela turbina hidráulica, na casa de força, a água é restituída ao leito natural do riacho, através do canal de fuga. Dessa forma, a potência hidráulica é transformada em potência mecânica quando a água passa pela turbina, fazendo com que o gerador acoplado à turbina gire e assim a potência mecânica é transformada em potência elétrica. A energia elétrica produzida é levada através de cabos ou fios condutores dos terminais do gerador até ao centro de consumo ou ao transformador elevador, onde tem sua tensão elétrica elevada para adequada condução, através de linhas de transmissão, até os centros de consumo. Uma das microhidrelétricas é a transformação limpa do recurso energético natural. Não há resíduos poluentes e há baixo custo da geração de energia, comparada com outros tipos de energia, já que o principal insumo energético, a água do riacho, está diretamente alimentando a mesma. 2. Metodologia Os processos de cálculos são apresentados através do fluxograma da Figura 1. Os cálculos básicos são previstos para a turbina Pelton. Está em fase de elaboração final o dimensionamento para as turbinas Francis, Kaplan e Michel-Banki.

2 Figura 1: Fluxograma básico do processo de cálculo do software HydroEnergy Para o desenvolvimento do software para dimensionamento de uma microhidrelétrica são necessários os dados sobre a vazão e a altura na vertical disponível de queda de água, para que se obtenha os valores da potência ativa do gerador utilizando o rendimento do gerador e da turbina. Após esses cálculos é possível determinar a partir dos o dados da rede elétrica, as características da microhidrelétrica através das equações obtidas de (Souza, 1992; Simone, 2001 e Eletrobrás, 1985) e apresentadas a seguir. Com a altura disponível de queda d água H, em metros. Y = 9,81 x H (1), O rendimento da turbina é representado por çt e a vazão Q em m 3 /s. A potência Peixo no eixo da turbina em W Peixo = çt Q Y x 1000 (2), Seja o rendimento do gerador çg. A potência Pgerador em kw fornecida pelo gerador é Pgerador = çg x Peixo (3),

3 A rotação da turbina n T em rpm é n T = 0,035 Y 0,75 Q 0,5 60 (4), O número de pólos Z P é Z P = inteiro de 60 n T (5), A aceleração da gravidade do local é g em m/s 2. A velocidade do jato de água é v em m/s. v = 0,97 2.g. H (6), Sendo o diâmetro do jato Djato em metros. Djato = 0,963 Y 0,25 Q 0,5 (7), O diâmetro do injetor Dinjetor em metros é calculado pela equação 8. Dinjetor = 1,15 Djato (8), Para o cálculo do diâmetro do cano Dcano em metros. Dcano = 3,75 Djato (9), O diâmetro do rotor Drotor em metros é. Drotor = 12 Dinjetor (10), Sendo n a rotação da turbina em rpm n = [v / ( π Drotor ) ] 60 (11), Para determinar o diâmetro da polia do gerador em rpm, utilizando o diâmetro do rotor da turbina Dpolia do gerador= (Drotor x n)/((120 x f) / p) (12). Após determinar a potência do gerador é calculada a corrente e são dimensionados os condutores através da queda de tensão até o centro de consumo, fornecida pelo usuário do software nos dados de entrada, baseado nos dimensionamentos de condutores, de acordo com a NBR5410 (NBR5410, 2001) e o software INSTEL1 (INSTEL1, 2002). Para a seção nominal do condutor foi adotada a maior seção obtida entre a capacidade de corrente suportada e a queda de tensão calculada pelo método ampères metros (NBR5410, 2001) e INSTEL1 (INSTEL1, 2002). Na Tabela 1 está especificada a capacidade de corrente de cada seção nominal do condutor para os dimensionamentos previstos pelo software HydroEnergy, de acordo com a NBR 5410 (NBR5410, 2001).

4 Tabela 1: Seção nominal do condutor e a respectiva capacidade de corrente. Fonte: ABNT, Instalações Elétricas de Baixa Tensão NBR 5410/ Seção Capacidade de Nominal [mm2] Corrente [A] 1,5 15,5 2, Apresentação do software e seus respectivos resultados Na Figura 2 é mostrada a tela de abertura do software HydroEnergy, onde o usuário pode entrar, fornecer os dados para os cálculos, realizar os cálculos, imprimir os resultados ou sair do aplicativo. Figura 2: Tela de abertura do software HydroEnergy

5 Na Figura 3 é mostrada a tela para a entrada de dados. Na parte superior esquerda é possível visualizar um menu, onde o usuário ao selecionar a opção arquivo, poderá abrir um arquivo de um projeto que foi salvo, salvar um projeto, imprimir os resultados do dimensionamento ou fechar a janela principal do software. Caso escolha a opção Sobre, aparecerá uma tela com dados do software. Uma parte dos dados é para a especificação da rede elétrica contendo o sistema de energia fornecido pela concessionária de energia, a tensão, o fator de potência da rede elétrica, o rendimento do gerador e o rendimento da turbina. A outra parte, para a especificação da microhidrelétrica contém a vazão, a altura disponível, a distância até o centro de consumo, a queda de tensão e o número de cabos a serem utilizados na transmissão da energia elétrica. Há também, um painel onde são apresentados os resultados do dimensionamento após serem inseridos todos os dados necessários para o projeto e selecionado o botão dimensionar. Caso, o usuário esquecer de fornecer algum dado para o projeto aparecerá na tela uma mensagem que mostrará o item a ser especificado. A seguir são apresentados alguns exemplos de dimensionamento efetuados pelo software HydroEnergy. 3.1 Exemplo 1 Neste exemplo de utilização do software é apresentado o projeto de uma microhidrelétrica para uma altura de queda d água de 12 metros e vazão de 10 l/s, comprimento da tubulação de 30 metros, distante 500 metros do local onde será consumida a energia para uma queda de tensão de 6% na transmissão através de 2 cabos condutores num sistema monofásico de tensão 220V, fator de potência 0,92, com rendimento do gerador de 90% e o rendimento da turbina de 80%. A janela, do ambiente Windows, de dimensionamento para este exemplo é apresentada na Figura 3.

6 Figura 3 : Apresentação dos dados de entrada e resultados para o Exemplo 1. Os resultados apresentados na Figura 3 são para o projeto com uma altura de 12 metros e vazão de 10 litros por segundo, utilizando uma turbina Pelton, com 4 pares de pólos para o gerador. O gerador fornece 847 W e uma corrente de 5,23 A para um cabo de 10 mm 2 com comprimento total de 1100 metros para a queda de tensão de 6%. A turbina terá a rotação de 705 rpm, o diâmetro do jato será de 2,92 cm, o do injetor de 3,36cm, o do cano de 10,96 cm, o do rotor de 40,35 cm e o da polia do gerador de 15,8 cm. 3.2 Exemplo 2 Este exemplo de dimensionamento é para o projeto de uma microhidrelétrica com uma altura de queda d água de 2 metros e vazão de 100 l/s, comprimento da tubulação de 8 metros, distante 300 metros do local onde será consumida a energia para uma queda de tensão de 5% na transmissão através de 2 cabos condutores num sistema monofásico de tensão 127V, fator de potência 0,92, com rendimento do gerador de 85% e o rendimento da turbina de 70%. A janela de dimensionamento é mostrada na Figura 4. Figura 4 : Apresentação dos dados de entrada e resultados para o Exemplo 2. Os resultados apresentados na Figura 4, para uma pequena altura de queda e maior vazão, utiliza uma turbina Pelton, com 58 pares de pólos para o gerador, fornecendo 1167 W e uma corrente de 12,5 A para um cabo de 25 mm 2 com comprimento total de 660 metros para a queda de tensão de 6%. A turbina terá a rotação de 58,15 rpm, o diâmetro do jato será de 14,47 cm, o do injetor de 16,64cm, o do cano de 54,26 cm, o do rotor de 199,7 cm e a polia do gerador de 93,5 cm. É necessário a utilização de um sistema multiplicador de rotações para diminuir o número de pólos do gerador e assim diminuir o custo de aquisição do gerador.

7 3.3 Exemplo 3 A seguir é apresentado os dados para o projeto de uma microhidrelétrica com uma altura de queda d água de 80 metros e vazão de 20l/s, comprimento da tubulação de 120 metros, distante 400 metros do local onde será consumida a energia para uma queda de tensão de 6% na transmissão através de 3 cabos condutores num sistema trifásico de tensão 380V, fator de potência 0,92, com rendimento do gerador de 90% e o rendimento da turbina de 50%. A janela de dimensionamento é apresentada na Figura 5. Figura 5 : Apresentação dos dados de entrada e resultados para o Exemplo 3. Os resultados para o dimensionamento do projeto do Exemplo 3, mostrado na Figura 5, utiliza uma turbina Pelton, com 1 par de pólos para o gerador, fornece 7063 W e uma corrente de 14,6 A para um cabo de 10 mm 2 com comprimento total de 1320 metros para a queda de tensão de 6%. A turbina terá a rotação de 2068 rpm, o diâmetro do jato será de 2,57 cm, o do injetor de 2,96cm, o do cano de 9,64 cm, o do rotor de 35,5 cm e a polia do gerador de 10,2 cm.

8 4. Conclusões O desenvolvimento do software possibilitou uma reunião dos dados para o dimensionamento eficiente de uma microhidrelétrica. Ele permite, de uma maneira adequada, o provimento de várias alternativas para análise e execução de um determinado projeto. Observou-se também a simplicidade de apresentação dos dados de entrada. Após a execução dos cálculos pelo software, os resultados são reunidos e apresentados ao lado dos dados de entrada para o dimensionamento. Também o menu de opções de utilização do software é simplificado de modo a tornar-se fácil a sua utilização. Assim, através do software HydroEnergy é possível dimensionar os parâmetros principais e analisar várias alternativas para o projeto de instalação de uma microhidrelétrica. 5. Referências Bibliográficas Souza, Z., 1992, Centrais Hidrelétricas: Dimensionamento de Componentes. Editora Edgard Blucher. Simone, G. A., 2001, Centrais e Aproveitamentos Hidrelétricos. Ed. Érica. Eletrobrás, 1985 Manual de Microcentrais Hidrelétricas. NBR 5410, 2001, ABNT, Instalações Elétricas de Baixa Tensão, Rio de Janeiro, revisão. INSTEL1, 2002, Software para dimensionamento de condutores, fusíveis e disjuntores XIV Congresso de Iniciação Científica UNESP Presidente Prudente. 6. Copyright Notice The authors are the only responsible for the material included in his paper. Development of Software for Design of Micro Hydroeletric with Permanent Magnets Generator and Power Supply until 10kW Abstract The present work aims at supply solutions of computer calculations, in environment Windows, utilizing Language of Programming Delphi 7.0. Application is come back for electric energy generation projects by means of micro hydroeletric with permanent magnets generator, that they can be utilized by the Renewable Center of Energies, in construction by the Electric Department of Engineering, Unesp, Campus of Guaratinguetá. Still, utilizing the software, supply several results to analyze and compare the alternatives of projects, of way it obtain supply what to better relation cost by benefit. Keywords: energy, micro hydroeletric, permanent magnets generator, software, design.