International Congress on Electricity Distribution CIDEL 2014 Sistema Integrado de Geração de Energia Elétrica para Aumento da Eficiência Energética de Aviários 1 CELESC DITRIBUIÇÃO S.A - Avenida Itamarati, 160 - Blocos A1, B1 e B2 - Itacorubi - Florianópolis - CEP: 88.034-900 Fone (055) 48-3231-5011 - Fax: (55) 48-3231-5030 2 A VERO DOMINO CONSULTORIA E PESQUISA LTDA - Rua Souza Dutra, 145 - Centro Executivo Beira Mar Continental, Sala 511 - Estreito - Florianópolis - CEP: 88070-605 - Fone/Fax: (48) 3024-1965 José A. Romancini (josear@celesc.com.br) 1, Alexandre C. Rodrigues (alexandrecr@celesc.com.br) 1, Wladimir A. da Silva (wladimiras@celesc.com.br) 1, Antônio Carniato (carniato@averodomino.com.br) 2, Arlan L. Bettiol (arlan@averodomino.com.br) 2, Gilberto D. Uggioni (gilberto@averodomino.com.br) 2, Áureo D. Bettiol (áureo@averodomino.com.br) 2, Luis Fernando do N. Passos (luis@averodomino.com.br) 2 e Norbert Penner (norbert@averodomino.com.br) 2 Palavras-chave Aviários, Exaustores, Aerogeradores, Eficiência Energética, Armazenamento de Energia. Resumo Este artigo apresenta aspectos técnicos relacionados ao desenvolvimento de um sistema de geração de energia elétrica para o aumento da eficiência energética de aviários. O sistema de geração proposto, composto por aerogerador de pequeno porte e componentes complementares, aproveita a energia cinética associada ao descolamento de ar provocado por exaustores de alta vazão. O montante de energia elétrica gerada poderá ser direcionado diretamente ao sistema elétrico de baixa tensão do aviário, reduzindo-se desta forma o consumo de energia consumida, e/ou utilizada, através do uso de um sistema de baterias, em situações de interrupção do fornecimento de energia ao aviário, evitando-se desta forma a eventual mortalidade das aves e, consequentemente, os prejuízos financeiros aos proprietários. Com o desenvolvimento do sistema denominado modelo reduzido do aviário, e através dos testes realizados em campo, chegou-se em rotações de aproximadamente 230 RPM na saída do exaustor, e utilizando-se multiplicadores, a rotação final do sistema ficou em 3.680 RPM. 1. Introdução O Brasil é o terceiro maior produtor e o maior exportador de carne de frango do mundo, utilizando aviários modernos para a criação de frangos de corte com aproximadamente 40.000 aviários[1]. Esses aviários utilizam exaustores de alta vazão com o objetivo de proporcionar um ambiente mais agradável às aves. Em valores médios, um aviário típico possui entre 6 e 24 exaustores, sendo que cada exaustor movimenta cerca de 35.000 m³/h de ar com velocidade média de 7,0 m/s na saída do equipamento. O objetivo deste trabalho foi o de desenvolvimento (testes finais) de um sistema integrado de geração de energia elétrica para aproveitamento da energia cinética associada ao deslocamento de ar de cada exaustor. Esta energia gerada pelo sistema proposto poderá ser injetada diretamente no sistema elétrico de baixa tensão do aviário, proporcionando confiabilidade, segurança e redução do valor da fatura de energia do avicultor (um dos itens mais importantes na composição dos custos de produção). O sistema integrado também poderá ser configurado como uma reserva de energia para utilização em eventuais interrupções do fornecimento de energia elétrica pela concessionária de suprimento, assegurando assim a sobrevivência das aves através da ventilação mínima e/ou acionamento de dispositivos de segurança, como, por exemplo, a abertura das cortinas laterais do aviário. O trabalho é baseado no projeto de P&D da ANEEL intitulado Desenvolvimento de Sistema Integrado de Geração de Energia para Aumento da Eficiência Energética de Aviários, código 5697-1410/2011, cuja entidade financiadora é a CELESC Distribuição S.A. O trabalho de pesquisa está sendo desenvolvido de forma experimental em aviários, os quais utilizam motores com potência entre 1,0 e 1,5 CV, sendo que, entretanto, sua aplicabilidade é bem mais abrangente. Como exemplo, cita-se a possível utilização do sistema de geração em exaustores de grande porte (100 a 400 CV), tal como os utilizados nas minas subterrâneas de extração de carvão na região sul do Brasil. 2. Desenvolvimento 2.1 Sistema de Ventilação para Aviários Atualmente, a criação de frangos de corte no sul do Brasil acontece, em sua grande maioria, em aviários com pressão negativa e ventilação tipo túnel com nebulizadores. O funcionamento da ventilação tipo túnel é baseado na sucção de ar em uma das extremidades do galpão por exaustores de alta vazão, resultando em algo similar a um túnel de vento, como mostrado na Figura 1. Em geral, a velocidade do ar no interior do galpão varia de 2,0 a 2,54 m/s [2]. Dois modelos de exaustores são utilizados nesse
tipo de aviário: com e sem cone. A principal diferença entre os tipos de exaustores reside na capacidade nominal de movimentação de ar ao longo do tempo. Exaustores sem cone possuem a capacidade média de vazão de 33.750m³/h, enquanto que os exaustores com cone possuem capacidade de vazão de até 36.650m³/h. Consequentemente, a velocidade de vazão deste último modelo é maior [3]. Exaustores caso de galpões para frango de corte com sistema de ventilação tipo túnel com nebulizadores, 24,9 PA no caso de galpões para matrizes com sistema de resfriamento evaporativo e 37,4 PA para galpões escuros para frangos de corte ou recria com corta luzes. 2.1.2 Exaustor Com Cone O modelo de exaustor com cone (Figura 4) apresenta características similares às apresentadas no exaustor sem cone, diferenciando-se pela presença do cone [3]. A Figura 5 mostra um gráfico da eficiência deste tipo de exaustor. Entrada de ar Figura 1 - Sistema de ventilação tipo túnel. 2.1.1 Exaustor Sem Cone O modelo de exaustor sem cone (Figura 2) possui 6 pás de aço, motor de indução de 1,0 ou 1,5 CV, 4 polos, transmissão por correia polia, venturi e corpo externo [3]. Figura 4 - Aviário utilizando exaustores com cone [4]. Figura 2 - Aviário utilizando exaustores sem cone [4]. A eficiência deste tipo de exaustor está diretamente ligada à pressão dentro do aviário, conforme mostra o gráfico da Figura 3. A vazão varia proporcionalmente com a queda de pressão dentro do galpão. Figura 3 - Gráfico da queda de pressão x vazão - exaustor sem cone [5]. A referência [2] mostra que a seguinte prática pode ser utilizada para o ajuste deste tipo de exaustor: 12,5 PA no Figura 5 - Gráfico da queda de pressão x vazão - exaustor com cone [5]. 2.2 Comportamento do Escoamento do Ar na Saída dos Exaustores Devido a não existência de registros da velocidade do ar na saída de exaustores visando a geração de energia elétrica, foram efetuadas medições in loco em dois aviários típicos com dimensões de 150 x 14 x 2,60m e 7 exaustores com cone. De maneira arbitrária, foram mapeados alguns pontos na saída do exaustor e coletadas as medições necessárias, conforme mostra a Figura 6. A média aritmética das velocidades medidas resultou em valor médio de 7,40 m/s na saída dos exaustores, sendo classificada como turbulenta por existirem flutuações aleatórias no campo tridimensional das velocidades [6].
Tabela 1 - Características técnicas do aerogerador modelo Notus 138. Figura 6 - Marcação dos pontos para as medições - exaustor com cone. 2.3 Estudos Preliminares e Configuração do Sistema Para a elaboração dos estudos de viabilidade técnica, buscou-se no mercado um aerogerador de pequeno porte compatível com o diâmetro de saída dos exaustores (1.270 mm em média) mais comercializados no seguimento avícola. Adicionalmente, é necessária a definição do sistema a ser empregado em conjunto com a rede de baixa tensão do aviário, ou seja, um sistema elétrico interligado. 2.3.1 Sistema Eólico de Pequeno Porte Para o adequado desempenho operacional do sistema proposto, como mostra a Figura 7, são necessários os seguintes equipamentos: aerogerador horizontal de pequeno porte, controlador de carga, banco de baterias e inversor de carga. O aerogerador fornecerá potência no nível de tensão de 12 V ao controlador de carga. O controlador manterá o banco de baterias em modo de flutuação quando a carga for igual a 100% e, nesse momento, toda potência gerada será direcionada ao sistema elétrico (SE) de baixa tensão do aviário através do inversor CC-CA [6]. Características Técnicas - Aerogerador Fabricante Enersud Ltda Modelo Notus 138 Diâmetro da hélice 1.380 mm Potência a 12,5 m/s 350 W Numero de pás 3 Velocidade de partida 2,0 m/s Início da geração 3,0 m/s Velocidade a 12 m/s 1.000 RPM Sistema magnético Neodímio Sistema elétrico Trifásico Tensão de saída 12 volts Vida útil 20 anos A curva de potência da turbina é fornecida de acordo com a velocidade média do ar, como apresentado na Figura 8. Figura 8 - Curva de potência da turbina Notus 138 [8]. 2.3.3. Layout do Sistema Integrado Efetuada a definição dos equipamentos necessários ao sistema integrado de geração, definiu-se o layout do sistema de geração em um aviário fictício. O objetivo desta etapa foi a visualização do posicionamento das turbinas, controlador de carga, inversor CC-CA e baterias, conforme mostrado na Figura 9 [6]. Figura 7 - Configuração de um sistema eólico de pequeno porte conectado à rede elétrica de baixa tensão [7]. 2.3.2. Aerogerador A partir dos modelos disponíveis no mercado de turbinas eólicas de pequeno porte no Brasil, optou-se pelo modelo Notus 138 (Enersud) para a realização dos estudos técnicos preliminares. As características do equipamento atendem ao requisito de diâmetro de varredura das pás comparado ao diâmetro de saída dos exaustores e à velocidade inicial de geração, conforme mostrado na Tabela 1. Figura 9 - Layout de montagem do sistema eólico no aviário. Cada turbina proporciona geração independente para a garantia de máxima geração do sistema integrado proposto, pois os sistemas de controle de ambiência dos aviários são controlados individualmente.
2.3.4 Perda de Carga Devido ao fato do escoamento na saída dos exaustores ser turbulento, torna-se difícil o cálculo analítico da perda de carga. Desta forma, recorreu-se aos resultados experimentais e à utilização da análise dimensional para correlacioná-los. Experimentos mostram que, no escoamento turbulento, a perda de carga hl (PA) causada por atrito em um tubo horizontal de área constante depende do diâmetro D (m), do comprimento L (m), da rugosidade e (mm), da velocidade média de escoamento V (m/s), da massa especifica ῤ (kg/m³) e da viscosidade do fluido µ (N.s/m²). Na equação (1), f é o fator de atrito determinado através do diagrama proposto por L. F. Moody [9]. L V ² hl f (1) D 2 Nos experimentos iniciais, o cálculo da perda de carga ocorreu somente para o duto direcionador, cujo valor encontrado foi 0,306 PA. Esse duto torna-se necessário para o acoplamento do exaustor à turbina eólica, conforme mostrado na Figura 10 [6]. frangos, que corresponde ao período de aproximadamente 42 dias, sendo necessário mais 15 dias à preparação de um próximo lote, em um período de apenas um ano, é possível a produção de, no mínimo, 6,3 lotes de frangos. Um motor de 1,5 CV opera diariamente o sistema de exaustão por, no mínimo, 16 horas durante 42 dias, com possibilidade deste ciclo de operação ocorrer anualmente por até 6,3 vezes, totalizando 934,78 kwh de economia de energia/ano para um aviário fictício de 8 exaustores, como mostra a Tabela 2 [6]. Tabela 2 - Potência anual gerada por lote de criação. Potência Gerada (kwh) 1 Exaustor 8 Exaustores Diária 15,12 120,96 Lote 95,26 934,78 2.4 Modelo Reduzido do Aviário Para a realização de testes laboratoriais foi desenvolvido um modelo reduzido do aviário, representando o sistema de exaustão, a entrada de ar e dimensões adequadas de acordo com a queda de pressão existentes nos aviários. A Figura 12 mostra detalhes do modelo reduzido. Figura 10 - Montagem exaustor, do duto e do aerogerador. A perda de carga gerada pela presença da turbina a jusante à área de descarga do exaustor não foi considerada, pois estarão distante alguns centímetros do duto direcionador e em pressão atmosférica. 2.3.5 Potência Elétrica Utilizando-se a curva de potência do equipamento Notus 138 e a velocidade média de 7,40 m/s, o aerogerador gera aproximadamente 150 Wh, o que equivale a 20% do consumo de potência ativa de um motor de 1,0 CV ou a 13% de um motor de 1,5 CV [6], conforme mostra o gráfico da Figura 11. a) Vista superior do modelo reduzido do aviário b) Vista frontal do modelo reduzido do aviário. Figura 11 - Potência gerada pelo aerogerador com 7,4 m/s. Considerando-se, como exemplo, um lote de criação de
Ressalta-se que o sistema é modular, ou seja, utiliza-se um motor de indução para a geração de energia diretamente na rede, com aproximadamente 20% de rotação superior a velocidade do motor, e um outro sistema composto pelo carregador de baterias e inversor de frequência para a sua atuação em caso de faltas de energia, por um período de aproximadamente uma hora. c) Comporta para entrada de ar do modelo reduzido do aviário. 2.4.2 Hélices e Multiplicadores Em relação aos multiplicadores de velocidade, foram utilizadas engrenagens de tecnil, as quais proporcionam o aumento de rotação de até 16 vezes a rotação nominal do rotor da turbina. Diversos testes foram realizados com motores de diferentes potências e rotações, e os melhores resultados foram para motores com potência de 1/6 CV e rotação de aproximadamente 3.700 RPM (2 polos). Adicionalmente, os melhores resultados obtidos com as hélices foram as utilizadas nos próprios exaustores, e neste caso, as mesmas foram invertidas. 2.5 Registros Fotográficos d) Vista explodida do modelo reduzido do aviário. Figura 12 Detalhes do modelo reduzido do aviário. 2.4.1 Sistema de Geração e Controle A proposta inicial do projeto para o sistema de geração de energia elétrica era a utilização de geradores CC ou síncronos, para o fornecimento de potência no nível de tensão de 12V ao controlador de carga. Entretanto, devido aos seus altos custos de aquisição e manutenção, decidiu-se pela utilização da geração assíncrona. Para este sistema de geração ocorrerá o controle da injeção da energia na rede de distribuição de baixa tensão do aviário, e para o armazenamento em sistema de baterias para o caso de interrupções do suprimento de energia, os quais são menos complexo, possuindo menores perdas elétricas e custos de aquisição e manutenção. A Figura 13 mostra o sistema de geração e controle proposto. A seguir são apresentados alguns registros fotográficos do modelo reduzido do aviário (Figura 14) e a sua instalação em campo somente com a utilização do motor de indução (Figura 15). a) Sistema de transmissão. Figura 13 - Sistema de geração e controle proposto. b) Vista interna do modelo reduzido do aviário.
Quanto ao sistema composto pelo carregador de baterias e inversor de frequência para a sua atuação em caso de faltas de energia, apesar de não ter sido efetuado ainda testes em campo, são apresentados na Figura 16 o diagrama esquemático do carregador de baterias, e na Figura 17 o sistema em testes da placa inversora. b) Visão geral do modelo reduzido do aviário. d) Sistema difusor para a entrada do ar. Figura 16 Diagrama esquemático do carregador de baterias por pulso de corrente. Figura 14 - Modelo reduzido do aviário. a) Sistema de geração assíncrona instalado no aviário. a) Placas da ponte inversora. b) Vista geral do sistema de exaustão do aviário. Figura 15 Sistema de geração assíncrona instalado no aviário. b) Inversor em testes. Figura 17 - Sistema em testes da placa inversora.
3. Conclusões Verificou-se que a perda de carga ao longo do aviário pode ser desprezada, pelo fato de que a queda de pressão em decorrência do uso de um duto direcionador é igual a 0,306 PA. Ressalta-se que a grande maioria dos aviários possuem exaustores com cone (Figura 15), e que o exaustor utilizado no modelo reduzido é do tipo sem cone, e desta forma foi necessário a instalação de um duto direcionador (Figura 14). Com os testes realizados pelo protótipo de geração assíncrona no modelo reduzido e posteriormente a sua instalação no aviário durante um período de 20 dias, comprovou-se que a recuperação de energia ficou em aproximadamente 20% da potência nominal do motor. Adicionalmente, verificou-se também que o sistema de engrenagens foi adequado mostrando-se resistente mecanicamente para o seu uso contínuo, e que o a instalação do sistema a jusante ao exaustor não prejudicou o sistema de ventilação do aviário. Foram realizados diversos testes com motores assíncronos de diferentes potências (3/4, 1/2, 1/5 e 1/6 CV) e rotações (6, 4 e 2 polos), e os melhores resultados foram para motores com potência de 1/6 CV e rotação de aproximadamente 3.380 RPM, devido ao seu escorregamento (2 polos). Adicionalmente, os melhores resultados obtidos com as hélices foram as utilizadas nos próprios exaustores, e neste caso, as mesmas foram invertidas. A grande vantagem do sistema de geração assíncrona a ser utilizado nos exaustores dos aviários é que o fluxo destes é contínuo, e desta forma, ajusta-se apenas uma vez a posição das hélices do sistema para a obtenção de 20% acima da rotação nominal o motor. O nível de potência elétrica disponibilizado por uma turbina aproveitando-se o fluxo de ar na saída de um exaustor equivale a cerca de 20% do consumo de um motor de 1,0 CV ou de até 13% para um motor de 1,5 CV. Para a comprovação da viabilidade econômica e consequentemente o custo/benefício da aplicação do sistema/tecnologia em aviários, tem-se as seguintes premissas: (i) o sistema de produção existente nos aviários do Brasil permite o abate de um lote de frangos em, no máximo, 42 dias, sendo necessário mais 15 dias à preparação de um próximo lote. Desta forma, em um período de apenas um ano, é possível a produção de, no mínimo, 6,3 lotes de frangos; (ii) um motor de 1,5 CV opera diariamente o sistema de exaustão por, no mínimo, 16 horas durante 42 dias, com possibilidade deste ciclo de operação ocorrer anualmente por até 6,3 vezes, totalizando 934,78 kwh de economia de energia/ano; (iii) o custo médio da energia fornecida aos consumidores da classe rural nestes aviários é de R$ 0,25 / kwh, resultando em uma economia anual de R$ 233,70 por exaustor; e (iv) o custo total dos equipamentos atualmente disponíveis no mercado para o conjunto aerogerador + controlador de carga + inversor CC- CA + baterias + acessórios é de aproximadamente R$ 1.370,00, e pretende-se que o sistema com o controlador de carga e inversor CC-CA fique em aproximadamente 60% dos equipamentos existentes no mercado. Estão sendo realizados os últimos testes com o carregador de baterias e inversor CC-CA para a sua futura utilização nos aviários. Este sistema garantirá o funcionamento do exaustor em aproximadamente uma hora em caso de faltas de energia, proporcionado o avicultor atuar no aviário (levantamento das lonas) e desta forma minimizar a morte dos frangos, haja vista que os referidos aviários estão localizados em zonas rurais e o restabelecimento da energia é relativamente demorada. Ressalta-se que os montantes que a CELESC Distribuição deixará de investir na expansão do sistema de distribuição na região de utilização do sistema de geração proposto, em função da "compensação" de significativa parte da demanda destes aviários pelo sistema de geração eólico proposto, não foram considerados na análise de viabilidade econômica. Adicionalmente, não foi considerado o fato de que a produção em série dos equipamentos permitirá reduzir significativamente seu preço final, diminuindo a relação custo/benefício do projeto. Por final, os resultados do projeto possibilitarão em aplicações do sistema de geração proposto não somente no segmento avícola, mas também em outros setores industriais que utilizem sistema de ventilação com grande vazão, tais como: mineração subterrânea, circulação de ar de secadores de grãos, torres de resfriamento, entre outras. Ressalta-se que cada aplicação deve ser analisada separadamente para se evitar possíveis problemas técnicos em seus respetivos ambientes de operação. 4. Referências Bibliográficas [1] T. Francisco. (2012, Agosto). XXII World Poultry Congress. Disponível em http://www.abef.com.br/ubabef/exibenoticiaubabef.php?not odigo=3266 [2] R. Barnwell. Maximização do Desempenho em Perídos Quentes. Tecchnical Cobb Focus, São Paulo, v.1, n. 1, p. 1 2, set. 2009. [3] Munters. (2010, Agosto). Ventiladores / Exaustores. Disponivel: http://www.munters.com.br/upload/related%20product%20 les/ventembr.pdf. [4] <http://www.mfrural.com.br/detalhes.asp?cdp=3368& nmoca=exasutor-50-polegadas-para-grandesambientes- barracoes-industriais-aviarios>. Acessado em: 10 agosto de 2010. [5] PLASSON DO BRASIL. Catálogo Técnico de Exaustores. 2010. Material técnico (Departamento Técnico) Plasson do Brasil Ltda, 2010, p.02. [6] Uggioni D. Gilberto. (2010, Novembro). Aplicação de Aerogeradores na Avicultura Através do Reaproveitamento do Fluxo de Ar do Sistema de Exaustão. Trabalho de Co clusão de Curso. Faculdade SATC. [7] DUTRA, Ricardo. Energia Eólica Princípios e Tecnologias. Rio de Janeiro: Cresesb Cepel, 2009, p.48. [8] <http://www.enersud.com.br > Acessado em: 18 outubro de 2010. [9] Fox W. Robert. Introdução á Mecânica dos Fluidos LTC. 2006.
[10] WIND DINAMIC. Rotor 3WTR. Disponível em: <http://www.winddynamic.com/index.htm>.acessado em 24 jan. 2013.