Micro Central Hidroelétrica com BFT: Energia Renovável para o Abastecimento Rural

THE 8 th LATIN-AMERICAN CONGRESS ON ELECTRICITY GENERATION AND TRANSMISSION - CLAGTEE 2009 1 Micro Central Hidroelétrica com BFT: Energia Renovável para o Abastecimento Rural D. D. S. Alves, PPGEE / UFMG, S. R. Silva, Prof. Titular, EE-UFMG and C. B. Martinez, Prof. Associado, EE-UFMG Resumo: Micro centrais hidroelétricas são alternativas importantes para o abastecimento de energia elétrica renovável em regiões rurais. A utilização de BFTs - Bombas Funcionando como Turbinas - substituindo as tradicionais turbinas hidráulicas tem chamado atenção devido às vantagens que apresentam em relação às turbinas. No entanto, ainda existem algumas incertezas acerca de seu comportamento. Assim, este trabalho apresenta uma avaliação da bomba funcionando como turbina operando em velocidade constante e em velocidade variável, e propõe um sistema de geração de energia elétrica composto por uma BFT e um gerador síncrono. Palavras chave: BFT, micro central hidroelétrica, velocidade variável. M I. INTRODUÇÃO uitos esforços vêm sendo feitos, por parte de agentes do setor elétrico, com o intuito de promover o abastecimento de energia elétrica em todo o território nacional, além de ampliar e diversificar a matriz energética brasileira. Alguns desses esforços se traduzem na edição de programas governamentais ou não, que de alguma forma procuram incentivar a disseminação de sistemas de energia renovável. O Programa Nacional de Universalização do Acesso e Uso da Energia Elétrica Luz para Todos tem atuado nesse sentido. No caso das comunidades rurais isoladas do Brasil as dificuldades de abastecimento de energia elétrica estão intimamente relacionadas às grandes distâncias entre a geração e o ponto de consumo, além da baixa demanda de energia. Isto implica em custos proibitivos para a energia gerada. Assim, uma importante alternativa é promover tal abastecimento a partir de fontes renováveis e locais. Seja com base em sistemas isolados da rede elétrica convencional ou com sistemas interligados, neste último caso, incidindo no Danilo Derick Silva Alves, Mestrando Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica - Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Antônio Carlos 6627, 31.270-901, Campus Pampulha - Belo Horizonte, MG, Brasil, (e-mail: dderick@cpdee.ufmg.br). Selênio Rocha Silva, Prof. Titular, Departamento de Engenharia Elétrica da UFMG Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Antônio Carlos 6627, 31.270-901, Campus Pampulha - Belo Horizonte, MG, Brasil, (e-mail: selenios@dee.ufmg.br). Carlos Barreira Martinez, Centro de Pesquisas Hidráulicas e Recursos Hídricos da UFMG Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Antônio Carlos 6627, 31.270-901, Campus Pampulha - Belo Horizonte, MG, Brasil, (e-mail: martinez@cce.ufmg.br). contexto da geração distribuída. Apesar dos esforços, o que se verifica é que tais sistemas têm encontrado dificuldades de penetração na matriz energética nacional. Dentre os principais entraves se destacam os fatores econômicos, além da impropriedade dos modelos de planejamento e gestão, que muitas vezes é confundida com inviabilidade técnica. De maneira geral, com base na experiência brasileira no abastecimento de comunidades rurais através de sistemas baseados em fontes não convencionais, como mostrado por [5], tecnologias mais robustas, que apresentam custos reduzidos, de manutenção e reposição de peças mais acessível tendem a ser mais apropriadas para tais aplicações. Desta forma, é desejável aumentar e aprimorar o leque de tecnologias disponíveis para serem utilizadas neste âmbito. É dentro deste contexto que este trabalho avalia o desempenho de um sistema hidroelétrico de geração de energia, de pequeno porte, que opere de forma isolada ou conectada à rede elétrica e que seja adequado à aplicação em regiões rurais como comunidades isoladas, cooperativas de produção, agrovilas, propriedades de produção rural e etc. O sistema é baseado em uma Bomba Funcionando como Turbina (BFT) acoplada a um gerador síncrono. Nos últimos anos, pequenas e micro centrais hidroelétricas se tornaram uma atrativa área de aplicação de BFTs, neste nicho, elas substituem as turbinas, que apresentam custos elevados. Devido ao enorme mercado de bombas de uma vasta faixa de potência elas se apresentam com uma alternativa facilmente encontrada, barata e confiável, principalmente, em se tratando de manutenção, onde apresentam muitas vantagens quando comparadas às turbinas, que são fabricadas sob encomenda. Alguns estudos realizados, como [2] e [4], mostram que a bomba hidráulica funcionando como turbina é economicamente viável para aplicação em sistemas de pequeno porte, limitados a um patamar em torno de 150 kw de potência. O presente trabalho tem cunho experimental e apresenta uma avaliação da eficiência do conjunto com o intuito de investigar a viabilidade de operação da Bomba Funcionando como Turbina em velocidade constante e em velocidade variável. Para tanto, foi construída uma bancada de testes na qual se pôde variar a vazão e altura manométrica disponível e avaliar a eficiência do sistema em condições diversas. Além disso, uma alternativa é proposta para conformação da tensão

th 2 THE 8 LATIN-AMERICAN CONGRESS ON ELECTRICITY GENERATION AND TRANSMISSION - CLAGTEE 2009 e freqüência da energia gerada, de acordo com os critérios de qualidade da energia. II. ESTRATÉGIAS DE OPERAÇÃO DA BFT A utilização de BFTs em sistemas de velocidade constante consiste basicamente em acoplá-las a geradores síncronos ou assíncronos com seus estatores diretamente conectados à rede elétrica. Em aplicações onde não existe a possibilidade de conexão à rede, estratégias alternativas devem ser buscadas para se manter a velocidade constante, através de um controle de carga ou vazão, por exemplo. A operação em velocidade variável é prevista principalmente em aplicações onde as condições de vazão variam. O sistema pode ser implementado utilizando conversores eletrônicos de potência acoplados a geradores síncronos a ímã permanente ou com bobina de campo, geradores assíncronos em gaiola ou duplamente excitados. A operação de uma BFT em velocidade variável tem o objetivo de manter a pressão de entrada no sistema constante, mesmo para vazões reduzidas. Assim se obtêm um incremento na potência de saída, comparado com a operação em velocidade constante. No entanto, a eletrônica de potência necessária para tal significa um aumento substancial no custo total do sistema. Para uma avaliação definitiva sobre a viabilidade de operação da BFT em velocidade variável e constante é necessário confrontar o incremento na potência de saída com o aumento do custo do sistema devido à eletrônica de potência adicional. III. ESTUDOS DO SISTEMA A Fig. 1 apresenta o sistema estudado. O grupo gerador consiste em uma bomba hidráulica fabricada pela EH Bombas funcionando como turbina, acoplada a um gerador síncrono trifásico, do fabricante Bambozzi. A alimentação do grupo foi feita através de dois conjuntos moto-bomba, associados em série, acionados por inversores de freqüência. Além dos dados de pressão e vazão, foram obtidas as medições de velocidade do conjunto, temperatura dos enrolamentos do estator, correntes de carga e de campo, tensões de fase e potência ativa trifásica. A eficiência da BFT para condições diversas pode ser obtida com base na potência de entrada e saída do grupo e nas perdas no gerador, de acordo com a Equação (1) a seguir: η BFT = Perdas gerador + PSaída Pentrada, (1) onde, η BFT = Rendimento da BFT; Perdas gerador = Perdas totais no gerador; PSaída = Potência de saída do sistema; Pentrada = Potência de entrada do sistema; Logo, para o estudo da eficiência da BFT é necessário o mapeamento das perdas totais no gerador síncrono. A. Estudos da Máquina Síncrona As perdas na máquina síncrona foram identificadas com base nos ensaios característicos realizados para diferentes níveis de velocidade. Nestes ensaios, utilizou-se outra montagem, na qual a máquina síncrona foi acionada por um motor de indução previamente ensaiado e alimentado por um inversor de freqüência. A metodologia utilizada está disponível no guia do IEEE, vide referência [3]. As perdas totais em uma máquina síncrona podem ser divididas em: Perdas a vazio: o Perdas Mecânicas; o Perdas Magnéticas; Perdas em curto-circuito: o Perdas no Cobre; o Perdas Suplementares; As perdas mecânicas são aquelas ocasionadas por atrito nos contatos deslizantes e por ventilação. A Fig. 2 apresenta as perdas mecânicas em função da velocidade de rotação do eixo da máquina. Fig. 1. Foto do sistema BFT Gerador síncrono.

THE 8 th LATIN-AMERICAN CONGRESS ON ELECTRICITY GENERATION AND TRANSMISSION - CLAGTEE 2009 3 Fig. 2. Perdas mecânicas causadas por atrito e ventilação, em função da velocidade. O método de identificação das perdas no cobre não leva em consideração determinados efeitos como o efeito pelicular, presente nos condutores, e correntes parasitas que, assim como no material magnético, estão também presentes no cobre. Dessa forma, as perdas reais são superiores àquelas definidas convencionalmente como perdas no cobre. Algo semelhante ocorre também para as perdas no ferro. A parcela de perdas não computada é incorporada no que se define como perdas suplementares. A Fig. 5 apresenta as perdas suplementares em função da velocidade e da corrente de carga do gerador. As perdas magnéticas, comumente chamadas de perdas no ferro, são subdivididas em duas parcelas, as perdas por histerese e por correntes parasitas Foucault. As perdas por histerese são diretamente proporcionais à freqüência da tensão do estator. As perdas por correntes parasitas são ocasionadas pela circulação de correntes induzidas no material magnético da máquina e variam proporcionalmente ao quadrado da freqüência da tensão do estator. A Fig. 3 apresenta as perdas magnéticas em função da velocidade e da tensão nos terminais da máquina. Fig. 5. Perdas suplementares em função da velocidade e da corrente de armadura. B. Estudos da BFT Fig. 3. Perdas no ferro em função da velocidade e da tensão de estator. As perdas no cobre decorrem da passagem de corrente pelos condutores da máquina. Também conhecidas por perdas Joule, são proporcionais ao quadrado das correntes dos enrolamentos da máquina. Neste estudo, a excitação da máquina foi fornecida por uma fonte externa, logo, as perdas Joule devido à corrente de excitação não foram consideradas no cálculo de sua eficiência. A Fig. 4 apresenta as perdas no cobre em função da corrente de carga. Feito o mapeamento das perdas no gerador, para qualquer condição de operação do grupo é possível obter suas perdas totais com base na informação de velocidade, tensão e corrente de carga. O rendimento da BFT é obtido a partir da Equação (1), apresentada anteriormente. Foi realizada uma série de testes nos quais a velocidade da BFT foi mantida constante enquanto variou-se a potência extraída no seu eixo. A Fig. 6, a seguir, apresenta o rendimento da BFT em função da vazão, para diferentes velocidades. Fig. 4. Perdas causadas por efeito Joule em função da corrente de armadura. Fig. 6. Característica do rendimento em função da vazão para velocidades variando entre 1400rpm e 2400rpm.

THE 8 th LATIN-AMERICAN CONGRESS ON ELECTRICITY GENERATION AND TRANSMISSION - CLAGTEE 2009 4 Nota-se que para cada vazão de operação tem-se uma velocidade na qual a BFT apresenta um rendimento máximo. Isto significa que é possível obter um ganho considerável de rendimento para uma determinada faixa de variação de vazão, trabalhando com velocidade variável. A Fig. 7 apresenta os rendimentos da BFT operando a velocidade variável e a uma velocidade constante de 1800rpm. Fig. 9. Curva de carga diária representativa de consumidor rural. (ADAPTADO: Carga 1:Relatório Técnico n DIE-6454/08 - Cepel, Carga 2 e Carga 3: Relatório Técnico n DPP/PER-771/02 - Cepel) Fig. 7. Característica do rendimento em função da vazão para operação em velocidade variável e velocidade constante. A Fig. 8 é obtida aplicando-se as curvas de rendimentos da Fig. 7 a um aproveitamento com altura de queda de 18mca. Nota-se que ganhos de potência são atingidos com a operação a velocidade variável, na medida em que a vazão se afasta da vazão de máximo rendimento para a velocidade constante. O Consumidor 1 é representado pela Carga 1. Trata-se da curva de carga de um sistema de distribuição que atende consumidores rurais. Portanto, o consumidor 1 é um consumidor rural médio. O Consumidor 2 é representado pela Carga 2. Caracteriza uma pequena propriedade rural com atividade de pecuária de leite. A instalação possui iluminação, bomba d água, moedor e ordenhadeira mecânica. O Consumidor 3 é representado pela Carga 3. Apresenta baixo poder aquisitivo e hábitos de consumo mais modestos. A instalação possui iluminação e eletrodomésticos básicos. Para cada ponto da curva de carga foi avaliado o nível de vazão necessário para o atendimento da carga. A Tabela I apresenta as quantidades anuais de energia necessária para o atendimento dos consumidores, bem como o ganho energético obtido com a operação a velocidade variável. TABELA I GASTOS ANUAIS DE ENERGIA PARA O ATENDIMENTO DOS CONSUMIDORES. Fig. 8. Potência de saída em função da vazão para operação a velocidade variável e velocidade constante. C. Avaliação da Operação a Velocidade Variável A análise da viabilidade de se operar a BFT em velocidade variável dependerá primordialmente do tipo de aplicação. Tratando-se de um sistema de atendimento a uma carga local e não conectado à rede, a curva de carga demandada influenciará o desempenho do sistema. Analisando a Fig. 8, uma potência de 1kW é obtida com vazões de 10,8 l/s e 11,8 l/s, para os sistemas de velocidade variável e velocidade constante, respectivamente. A diferença entre essas vazões representa o ganho de energia obtido ao optar pela operação a velocidade variável, neste nível de potência. A Fig. 9 apresenta três curvas de carga que representam o consumo diário de três consumidores rurais característicos. A análise realizada mostrou que com a operação a velocidade variável obtém-se ganhos anuais de energia de 9,5%, 6% e 11,8%, para os consumidores 1, 2 e 3, respectivamente. No caso de um sistema conectado à rede, toda a energia disponível é injetada e a filosofia de avaliação muda. A carga demandada é sempre máxima e a variabilidade da vazão disponível passa a ser o fator determinante. A Fig. 10 apresenta um perfil típico de variação anual de vazão. Considerando este perfil, as curvas de potência anual dos sistemas de velocidade constante e variável são apresentadas na Fig. 11. Nota-se um incremento de potência quando a BFT é operada em velocidade variável.

THE 8 th LATIN-AMERICAN CONGRESS ON ELECTRICITY GENERATION AND TRANSMISSION - CLAGTEE 2009 5 potência de 10% da potência nominal do sistema, num total de 10 cargas. As cargas auxiliares podem ser associadas a aplicações como aquecimento de água, bombeamento de água, secagem de grãos, etc. O desempenho do sistema de regulação é mostrado a seguir. Os resultados foram obtidos através de simulação. A Fig. 12 apresenta a variação diária de tensão para o Consumidor 1. Nota-se que com o sistema de controle a elevação máxima de tensão se mantém abaixo de +10%. Fig. 10. Curva típica de variação anual de vazão. Fig. 12. Curva de variação diária de tensão para o Consumidor 1. Fig. 11. Curvas de variação anual de potência para o sistema de velocidade variável e o sistema de velocidade constante. Considerando as curvas de potência da Fig. 11, o sistema de velocidade constante gera 6,757MWh durante o ano, enquanto o sistema de velocidade variável gera 9,158MWh anuais. O ganho energético obtido com a operação em velocidade variável é de 2,401MWh para este caso, ou seja, um aumento de 35,5%. É importante salientar que este ganho energético é especificamente relativo ao perfil de vazão apresentado na Fig. 10. Uma mudança neste perfil acarreta uma mudança nas produções anuais de energia. A Fig. 13 apresenta a variação diária de freqüência para o mesmo Consumidor 1. A elevação de freqüência durante o dia se mantém abaixo de +5%. IV. PROPOSTA DO SISTEMA DE GERAÇÃO PARA ABASTECIMENTO RURAL Conforme já foi mencionado, para o abastecimento de energia elétrica em regiões isoladas recomendam-se tecnologias mais robustas e de custos reduzidos. Assim, neste item é proposto um micro gerador hidroelétrico que atende tais requisitos, fornecendo energia elétrica a uma tensão e freqüência regulada. O sistema é composto pela BFT acoplada a um gerador síncrono auto-excitado. As cargas são conectadas diretamente aos terminais do gerador. O sistema opera em velocidade aproximadamente constante. A tensão e a freqüência são reguladas através do controle de cargas auxiliares. O sistema é projetado para trabalhar com vazão constante e fornecer potência nominal com velocidade, tensão e freqüência nominal. Logo, há uma elevação de velocidade, tensão e freqüência com a redução da demanda de potência. O controle do sistema é feito através do chaveamento de cargas elétricas adicionais numa medida adequada para manter estes parâmetros dentro de limites aceitáveis. Cada carga possui a Fig. 13. Curva de variação diária de freqüência para o Consumidor 1. V. CONCLUSÃO Foi observado que com a BFT operando a velocidade variável houve um ganho de energia anual gerada de aproximadamente 35% em relação à operação a velocidade constante. Entretanto essa alternativa demanda um investimento em eletrônica de potência (conversor de energia) para garantir tensão e freqüência constante. No caso do sistema de velocidade constante, o conversor de energia é dispensável e o custo do sistema é menor. No entanto, essa alternativa implicará em uma redução na geração de aproximadamente 26% se comparada à alternativa com velocidade variável. Para um sistema isolado, a análise de viabilidade de operação a velocidade variável dependerá, efetivamente, da característica de demanda de carga. Já para um sistema conectado à rede, a viabilidade de operação a velocidade

THE 8 th LATIN-AMERICAN CONGRESS ON ELECTRICITY GENERATION AND TRANSMISSION - CLAGTEE 2009 6 variável dependerá do perfil de variação da vazão disponível no local. O sistema proposto ao final do trabalho permite uma variação de freqüência inferior a 5% e uma variação de tensão menor que 10%, em relação aos valores nominais. Essa alternativa, apesar de não atender completamente todos os critérios de qualidade da energia, pode se constituir em uma boa solução para o caso de sistemas isolados, pois implica em um esforço de implantação reduzido. em eventos nacionais e internacionais e em revistas especializadas, orientou cerca de 37 trabalhos acadêmicos (mestrado e doutorado). Encontra-se orientando teses de doutorado e dissertações de mestrado junto ao PPGEE/UFMG, além de várias monografias de especialização e trabalhos de final de curso. VI. REFERÊNCIAS [1] A. A. Williams Pumps as turbines: a user s guide, IT Publications, London, ISBN 1-85339-285-5, 1995. [2] Balarim, C. R.; Targa, Luiz A ; Virgens Filho, Jorim S ; Andrade Filho, Alceu G ; Wiecheteck, Giovana K. Custo de Bombas Centrífugas Funcionando como Turbinas em Microcentrais Hidrelétricas. Engenharia Agrícola, Jaboticabal/SP - Brasil, v. v.24, p. 219-225, 2004. [3] IEEE Guide: Test Procedures for Synchronous Machines, IEEE Standard 115-1983, Setembro. 1983. [4] L. Rafael Emílio, Grupos Geradores de Baixa Potência Acionados Por Bombas Funcionando Como Turbina, Dissertação de Mestrado Universidade Federal de Minas Gerais. Brasil, 2003. [5] R. Victor Hugo da Silva, "Energia elétrica renovável em pequenas comunidades no Brasil: em busca de um modelo sustentável". 440p. Tese (Doutorado) Centro de Desenvolvimento Sustentável, Universidade de Brasília, Brasília, 2007. [6] SINGH, Punit, Optimization of Internal Hydraulics and of System Design for PUMPS AS TURBINES with Field Implementation and Evaluation. 345p. Tese (Doutorado) University of Karlsruhe, Germany, 2005. VII. BIOGRAFIAS Danilo Derick Silva Alves. Possui graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Minas Gerais (2006). Atualmente é aluno de mestrado do Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Minas Gerais. Tem experiência na área de Engenharia Elétrica, com ênfase em Sistemas de Energia, atuando principalmente nos seguintes temas: geração de energia e fontes alternativas de energia. Carlos Barreira Martinez. Possui graduação em Engenharia Civil pela Faculdade de Engenharia Civil de Itajubá (1984), mestrado em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal de Itajubá (1988) e doutorado em Planejamento de Sistemas Energéticos pela Universidade Estadual de Campinas (1994). Atualmente é professor associado da Universidade Federal de Minas Gerais. Tem experiência na área de Engenharia Civil, com ênfase em Hidráulica, atuando principalmente nos seguintes temas: pequenas centrais hidrelétricas, planejamento energético, mecanismo de transposição de peixes, avaliação energética e energia elétrica. Selênio Rocha Silva, Doutor pela Universidade Federal da Paraíba (atual UFCG) em 1988, Mestre em Engenharia Elétrica e Engenheiro Eletricista pela Universidade Federal de Minas Gerais (1984 e 1980, respectivamente) Atua, desde 1982, como Professor do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Minas Gerais UFMG, onde se tornou Professor Titular em 1995. Nos últimos vinte anos, desenvolve projetos de pesquisa, junto a órgãos de fomento nacionais, nas áreas de Acionamento de Motores Elétricos, de Qualidade da Energia Elétrica e de Fontes de Energia Eólica e de Energia Fotovoltaica. Desenvolveu diversos projetos de pesquisa e desenvolvimento nos últimos 5 anos, tendo como foco principal a Integração de Usinas Eólicas na Rede Elétrica para COELBA, CEMIG, ONS, COSERN e CHESF, além de consultorias a indústrias da área de siderurgia e ligas metálicas nas diversas especialidades que atua. Possui mais de 200 trabalhos publicados