Eficiência Energética no Serviço Auxiliar de uma Pequena ... · dimensionamento dos equipamentos...

Renan Mesquita Santos

Eficiência Energética no Serviço Auxiliar de uma Pequena Central

Hidrelétrica

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Escola de Engenharia de São Carlos, da

Universidade de São Paulo

Curso de Engenharia Elétrica com ênfase em Sistemas de Energia e Automação

ORIENTADOR: Dr. Frederico Fábio Mauad

São Carlos

2010

AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

Ficha catalográfica preparada pela Seção de Tratamento da Informação do Serviço de Biblioteca – EESC/USP

Santos, Renan Mesquita S237e Eficiência energética no serviço auxiliar de uma

pequena central hidrelétrica / Renan Mesquita Santo s ; orientador Frederico Fábio Mauad. –- São Carlos, 20 10.

Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em

Engenharia Elétrica com ênfase em Sistema de Energi a e Automação) -- Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, 2010.

1. Pequenas centrais hidrelétricas. 2. Serviço

auxiliar. 3. Eficiência energética. 4. Impacto ambiental. 5. Dimensionamento. 6. Avaliação de desempenho. I. Título.

Sumário

Resumo.......................................................................................................................................1 Abstract.......................................................................................................................................2 1 Introdução...........................................................................................................................3 2 Pequenas Centrais Hidrelétricas – PCH’s ..........................................................................6

2.1 Definição ....................................................................................................................6 2.2 Potencial Hidráulico ...................................................................................................7 2.3 Componentes ..............................................................................................................9

2.3.1 Tipos de turbinas ..............................................................................................10 2.4 Classificação.............................................................................................................14

2.4.1 Quanto à capacidade de regulação....................................................................14 2.4.2 Quanto ao sistema de adução ...........................................................................15 2.4.3 Quanto a potencia e a altura da queda ..............................................................16

3 Serviço Auxiliar em PCH’s ..............................................................................................18 3.1 Sistema de serviço auxiliar de corrente alternada ....................................................19

3.1.1 Máquinas auxiliares de corrente alternada .......................................................19 3.2 Sistema de serviço auxiliar elétrico de corrente contínua ........................................22

4 Eficiência energética.........................................................................................................23 4.1 Eficiência energética no sistema de iluminação.......................................................24

4.1.1 Grandezas envolvidas .......................................................................................24 4.1.2 Tipos de lâmpadas ............................................................................................25 4.1.3 Cálculo luminotécnico......................................................................................27

4.2 Eficiência energética em motores elétricos ..............................................................31 4.2.1 Grandezas Variáveis em um Motor de Indução ...............................................32 4.2.2 Perdas ...............................................................................................................33 4.2.3 Rendimento.......................................................................................................35 4.2.4 Dimensionamento de motores ..........................................................................36

4.2.4.1 Método da Linearização ...............................................................................37 4.2.4.2 Partida...........................................................................................................39 4.2.4.3 Analise Térmica............................................................................................42

4.2.5 Conversores de freqüência................................................................................43 4.2.6 Fator de Potência ..............................................................................................45

4.2.6.1 Correção do fator de potencia.......................................................................45 4.3 Eficiência energética em transformadores................................................................46

4.3.1 Perdas em Transformadores .............................................................................47 4.3.2 Rendimento.......................................................................................................50

4.3.2.1 Perdas no Cobre............................................................................................52 4.3.2.2 Perdas no Núcleo ..........................................................................................52 4.3.2.3 Potência de Saída..........................................................................................52

4.3.3 Fator de Potência ..............................................................................................55 4.3.4 Harmônicos.......................................................................................................55

4.4 Eficiência energética em refrigeração ......................................................................56 4.4.1 Princípio Básico................................................................................................56 4.4.2 Agentes refrigerantes ou simplesmente Refrigerantes .....................................57 4.4.3 Definições.........................................................................................................57 4.4.4 Primeira Lei da Termodinâmica (Lei da Conservação da Energia) .................58

4.4.5 Segunda Lei da Termodinâmica.......................................................................59 4.4.6 Ciclo de Refrigeração por Compressão............................................................59

4.4.6.1 Grandezas envolvidas no ciclo de refrigeração ............................................60 4.4.6.2 Perdas no ciclo termodinâmico.....................................................................61

4.4.7 Parâmetros que Influenciam o COP .................................................................61 4.4.8 Sistemas de Ar Condicionado...........................................................................64

4.4.8.1 Aparelhos de ar condicionado tipo janela.....................................................64 4.4.8.2 Sistema Split .................................................................................................65

4.4.9 Redução do Consumo de Energia Elétrica .......................................................65 4.4.9.1 Ajustes do Controle do Ar Externo ..............................................................65 4.4.9.2 Iluminação ....................................................................................................66 4.4.9.3 Limpeza de Filtros, Condensador e Evaporador ..........................................66 4.4.9.4 Nível inadequado da temperatura.................................................................66 4.4.9.5 Incidência direta dos raios solares e/ou isolamento ineficiente....................67

5 Conclusão .........................................................................................................................68 6 Bibliografia.......................................................................................................................70

1

Resumo

Devido à estreita relação entre produção energética e crescimento

econômico, o governo tem, cada vez mais, investido em geração de energia. Porém,

os grupos de defesa ecológica cobram que as soluções em busca do crescimento

não agridam, ou limitem ao mínimo possível as agressões ao meio ambiente. Dessa

forma a solução tem sido o investimento crescente em soluções de baixo custo

ambiental.

As pequenas centrais hidrelétricas se multiplicam em virtude de serem de

rápida construção e não necessitarem de uma área tão grande em comparação a

uma hidrelétrica convencional. Além de possuírem a vantagem de uma geração

mais próxima as localidades que estão fora dos grandes eixos de geração.

Mas não basta uma grande quantidade de fontes de geração, é preciso

assegurar uma geração eficiente, na qual deve haver o melhor aproveitamento

possível da energia gerada, não apenas visando uma economia ambiental, mas

também uma economia financeira.

Serão abordadas técnicas de avaliação de desempenho e correto

dimensionamento dos equipamentos mais utilizados no serviço auxiliar de uma PCH,

como o sistema de iluminação, o sistema de transformadores, o sistema de motores

e o sistema de refrigeração a fim de explicitar a facilidade de aplicação das mesmas

e o alto custo benefício de sua utilização, não apenas no projeto, mas sim

continuamente por uma pequena central hidrelétrica.

Palavras chaves : Pequenas Centrais Hidrelétricas, Serviço Auxiliar, Eficiência

Energética, Impacto Ambiental, Dimensionamento, Avaliação de Desempenho.

2

Abstract

Due to the close relationship between energy production and economic

development, the government has increasingly invested in power generation. But

environmental protection groups make pressure that the solutions in search of

development do not harm the environment or limit to the minimum possible the harm

of the environment. The solution has been increasing investment in low-cost

environmental solutions.

Small hydropower plants are multiplying because they are quick to build and

do not require such a large area compared to a conventional hydropower plant. Apart

from that they have the advantage of been capable of provide a generation closer to

the locations that are outside of the major axes of generation.

But not just a lot of generation sources are needed, it is necessary to ensure

an efficient generation, which should include the best use of energy generated, not

only seeking an environmental saving, but also a financial saving.

Techniques for evaluation of performance and proper sizing of equipment

commonly used in an ancillary service of PCH will be enumerate and describe, as the

lighting system, the engine system, the transformer system and the cooling system in

order to explain the simplicity of application and the high cost benefit of using it, not

just in the design, but continuously in a small hydroelectric plant.

Keywords : Small Hydro Power, Ancillary Services, Energy Efficiency, Environmental

Impact, Design, Performance Evaluation.

3

1 Introdução

No Brasil, devido ao grande potencial hídrico existente no território nacional, 67,21

% da energia elétrica produzida provém de usinas hidrelétricas (www.aneel.gov.br). Nesse

tipo de usina, é realizada a transformação da energia potencial da água represada em

energia cinética, girando pás de turbinas, produzindo energia elétrica a partir do

acionamento do eixo de um gerador.

Devido ao elevado tempo para implantação, associado aos elevados custos de

uma grande hidrelétrica adota-se como alternativa o emprego de pequenas centrais

hidrelétricas (PCH’s), que no Brasil, são aquelas cuja potência instalada não ultrapassa 30

MW e o seu lago tem uma área máxima de 3 km² (Resolução nº 652/2003 – ANEEL). As

características desse tipo de geração de eletricidade atende de maneira especial aos

consumidores do meio rural, que estão fora dos grandes eixos de geração do país sendo,

portanto, eles favorecidos pela implantação descentralizada de novas unidades geradoras,

em forma de PCH’s.

O Governo Federal, com interesse em viabilizar o acesso a energia elétrica a todas

as pessoas, oferece incentivos fiscais à exploração do mercado de pequenas centrais

hidrelétricas por grupos empresariais privados. O REIDI - Regime Especial de Incentivos

para o Desenvolvimento da Infraestrutura, instituído pela Lei 11.488/2007, por exemplo, é

um dos programas que facilita a implantação de PCH’s, pois reduz os prazos mínimos para

utilização dos créditos de contribuições e amplia o prazo para pagamento de impostos e

contribuições para pessoa jurídica que tenha projeto aprovado para implantação de obras de

infraestruturas nos setores de transportes, portos, energia, saneamento básico e irrigação,

tornando o investimento em geração de energia mais atrativo (www.receita.fazenda.gov.br).

Além do custo financeiro, deve-se levar em conta o custo ambiental. Com

investidores e órgãos ambientais entrando em conflito a cada novo projeto de geração de

energia, vemos que os custos ambientais tornam-se a cada dia um desafio maior (PANESI

2006). Porém, com a importância crescente da energia para o bem estar da população e

para a continuidade das atividades econômicas, vemos a formação de um cenário onde a

eficiência e a sustentabilidade da geração são tão importantes quanto à geração por si só.

O conceito de desenvolvimento sustentável iniciou na Conferência de Estocolmo

(United Nations Conference on the Human Environment), realizada em 1972. O paradigma

anterior a esse evento era o de limites ao crescimento, postura que culminou com a

crescente escassez de recursos, o acúmulo de poluição de diversas fontes e com limitação

da expansão da economia mundial. O que nos trouxe ao paradigma atual que enfatiza o

4

impacto negativo das atividades humanas no meio ambiente em escala global. O conceito

de desenvolvimento sustentável surge de maneira crucial para que inúmeros avanços

fossem introduzidos no repensar sobre um dos segmentos mais dinâmicos e estratégicos da

economia: o setor energético.

A dependência da sociedade contemporânea por energia é um fato realístico e

preocupante ao mesmo tempo (PANESI 2006). A energia elétrica está diretamente

associada à melhor qualidade de vida da população, assim como sua geração está

diretamente ligada à degradação ambiental. É neste cenário que o conceito de eficiência

energética assume especial relevância. A redução da energia gasta para realizar um mesmo

serviço, faz diminuir o consumo energia primária necessária para produzir um determinado

serviço.

Eficiência energética e meio ambiente são dois aspectos que estão totalmente

associados, ou seja, podemos preservar nosso habitat através de medidas de preservação e

combate aos desperdícios de energia, reduzindo os impactos ambientais advindos da oferta

de energia. Uma gestão energética tem como objetivo principal o uso racional dos recursos

naturais, adotando o princípio do desenvolvimento sustentável (PANESI 2006).

A sustentabilidade se inicia logo na fase de projeto, onde através de melhores

técnicas visa-se a redução de gastos futuros durante a produção. O sistema elétrico a ser

previsto deve ser capaz de uma geração eficiente de energia.

É na fase do projeto básico que é definido o número de unidades geradoras e os

diagramas unifilares da usina, bem como o sistema de serviços auxiliares elétricos

(MIRANDA, 2009). Neste momento, é importante entender que a confiabilidade dos serviços

auxiliares não é determinada exclusivamente com redundâncias de fontes e equipamentos,

mas depende também com a qualidade dos componentes e equipamentos empregados.

A configuração do sistema de serviços auxiliares elétricos depende da natureza de

cada empreendimento e devem considerar aspectos técnicos, facilidades de operação e

manutenção, de segurança pessoal e da instalação. Portanto, a filosofia adotada causará

efeito sobre o custo global, o desempenho e a sua vida útil.

Este trabalho de conclusão de curso avalia as possibilidades de aplicação dos

conceitos de eficiência energética nos serviços auxiliares de pequenas centrais hidrelétricas

e propõe alternativas para a redução dos custos de energia na operação de PCH, de forma

a conseguir ganhos nos lucros através de uma redução na energia necessária para o

funcionamento de uma PCH, através da aplicação das técnicas de eficiência energética nos

sistemas de iluminação, motores, transformadores e de refrigeração de uma pequena

central hidrelétrica.

O desenvolvimento deste trabalho compõe-se de três capítulos: o capítulo 2

apresenta uma descrição legal de Pequenas Centrais Hidrelétricas - PCH, as principais

5

turbinas utilizadas e suas diversas classificações; no capítulo 3 será feita uma descrição dos

serviços auxiliares de uma PCH; e no capítulo 4 serão analisadas as possibilidades de

eficiência energética nos sistemas de iluminação, motores, transformadores e refrigeração.

Na conclusão encerraremos analisando os ganhos decorrentes da aplicação das técnicas de

eficiência energética nos serviços auxiliares das PCH.

6

2 Pequenas Centrais Hidrelétricas – PCH’s

2.1 Definição

Ao longo da história, muitas formas de aplicação do uso da energia elétrica foram

desenvolvidas para melhorar a qualidade de vida das civilizações (MIRANDA, 2009). Há

muito que a força das águas foi percebida pelos homens como a energia potencial capaz de

gerar energia elétrica. Há registros de esquemas que datam de 2.500 aC. Porém, somente

em 1751, Euler desenvolveu a “equação da turbina”, em que descreve a correlação entre o

fluxo de água e a performance da turbina, que ainda hoje á a base técnica da tecnologia

hidrelétrica.

A energia hidráulica, oriunda da força da água, se apóia em dois fatores básicos: a

altura da queda da água e o volume de água disponível.

Energia = queda x volume

Com esta forma simples de mostrar a produção de energia, também é possível

iniciar o complexo processo de aproveitamento da energia disponível. Para garantir um

volume de água que permita uma produção constante de energia tanto na estação de

chuvas como na estação da seca, assim como para produzir quedas d’água maiores, foram

construídos os reservatórios de água para fins energéticos, dando origem às centrais

hidrelétricas.

As hidrelétricas podem ser “usinas de regularização”, quando suas barragens são

concebidas para armazenar água para cobrir a geração de energia durante o período de

seca, essas barragens são projetadas com grandes reservatórios. Outras são chamadas de

“usinas a fio d’água”, ou seja, não possuem reservatórios e produzem energia a partir do

fluxo da água que chega à barragem.

A Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, estabelece, através da

Resolução nº 652/2003, a divisão entre pequenas e grandes centrais hidrelétricas, sendo

que, entre 1.000 kW e 30.000 kW de potência instalada, destinada à produção

independente, autoprodução ou produção autônoma, e reservatório com área igual ou

inferior a 3 Km², considera-se como Pequena Central Hidrelétrica - PCH.

O aproveitamento hidrelétrico que não atender à condição para a área do

reservatório inferior a 3 Km², respeitando os limites de potência e modalidade de exploração,

7

será considerado PCH, caso se verifique pelo menos uma das seguintes condições e

atendida a seguinte inequação:

A <= 14,3 . P

Hb

Onde:

P = potência elétrica instalada (MW)

A = área do reservatório (Km²)

Hb = queda bruta, definida pela diferença entre os níveis d’água máximo normal de

montante e normal de jusante (m)

2.2 Potencial Hidráulico

O termo potencial hidráulico significa a energia cinética ou potencial da água dos

rios e lagos que se concentra nos aproveitamentos hidrelétricos e é transformada em

energia mecânica e, finalmente em energia elétrica.

O cálculo do potencial hidráulico é um dos pontos iniciais da definição de

viabilidade do empreendimento. Face ao elevado nível de investimento, além do elevado

nível de interferência social e ambiental deve-se avaliar de forma objetiva e precisa o

potencial hidráulico que será transformado em energia elétrica e em última análise em

retorno do investimento.

Um determinado volume d’água caindo de uma certa altura produz o trabalho

teórico (SCHEIBER, 1978, p. 9).

Tt = y . V . H (em tm).

Onde

V= Volume d’água, em m³.

y = peso específico da água. 1 t/m³.

H = altura da queda bruta, em m.

O potencial teórico é de

Pt = Q. H (em tm/s).

Onde Q é igual à descarga, em m³/s.

8

A unidade de potencia é

1 tm/s = 9,81 kW = 13,33 cv.

Sendo η o fator de rendimento da turbina e do gerador, Ht a queda bruta

menos perdas nos órgãos de adução, então a potencia efetiva é

Pe = 9,81 . η . Q . Ht (em kW)

Ou

Pe = 13,33 . η . Q . Ht (em cv).

Para cálculos preliminares, pode adotar-se o fator de rendimento da turbina

igual a 0,9 e do gerador igual a 0,95 e o fator total igual a 0,855; então

P = 8,3 . Q . Ht (em kW)

Ou

P = 11,3 . Q . Ht (em cv).

Um kW é igual a 367 tm e um volume de V m³ acumulado tem energia

elétrica potencial, medida nos terminais do gerador, de

E = VHt . η,

367

Onde Ht é igual a altura entre o centro de gravidade de V e o nível d’água

de jusante diminuída das perdas nos órgãos adutores. Calculando-se com

valores médios do fator de rendimento, tem-se

E = 1 . V . Ht (em kWh).

455

Com esse cálculo podemos observar a dependência do potencial hidráulico de três

grandezas principais, o fluxo de água (Q), a altura da queda bruta (Ht) e o fator de

rendimento (η), sendo esse último aquele que procuraremos modificar com as técnicas de

eficiência, de maneira a melhorar a produção final de energia da PCH. Dessa forma temos

uma visualização matemática da modificação que pretendemos implementar na usina,

podendo estimar os lucros envolvidos.

9

2.3 Componentes

A concepção básica de uma usina hidrelétrica é uma barragem de concentração e

armazenamento de água, um conduto para condução da água até a casa de máquinas,

onde estão as turbinas e geradores (DIRETRIZES PARA PROJETOS DE PCH –

ELETROBRAS). A energia potencial disponível na água, em razão da altura da queda e do

volume, se converte em energia mecânica por meio da turbina que, através do eixo,

transmite a energia mecânica ao gerador elétrico que, por sua vez, converte esta energia

mecânica em energia elétrica.

As Pequenas Centrais Hidrelétricas são constituídas de obra civil, equipamentos

mecânicos e equipamentos elétricos (MIRANDA, 2009):

a) Represa: consiste na contenção da água, por meio de concreto ou terra para

represamento do volume especificado em projeto. Nesta barragem, haverá um

local onde a água será conduzida para a casa de força, chamada de admissão

ou tomada d’água;

b) Casa de Força: obra de construção civil em que se localizam as turbinas e os

geradores e equipamentos auxiliares a operação da usina;

c) Subestação: local onde se localizam o transformador elétrico de energia e os

equipamentos de conexão com a linha de transmissão. Sendo através destes

feita a normalização da energia gerada para que possa ser feita a

comercialização;

d) Duto: sistema de condução da água do reservatório até a turbina;

e) Porta de Controle: sistema de interrupção do fluxo da água do reservatório

para a turbina. Quando da necessidade de manutenção se faz uso desta para

parar o fluxo de água na turbina.

10

Figura 2.3.1 – Dentro de uma PCH

Fonte: Regulação Técnica para se Obter Melhor Eficiência na Motorização de Pequenas Centrais Hidrelétricas no Brasil

2.3.1 Tipos de turbinas

As usinas hidrelétricas ganham uma crescente importância na matriz de geração

elétrica, motivando economicamente fabricantes de equipamentos a investirem na busca por

tecnologia para atender aproveitamentos hidrelétricos de maior porte, como é o caso da

usina de Itaipu, na divisa do Paraguai com o Brasil, que gera cerca de 14.000 MW

(www.itaipu.gov.br). Embora usinas desse porte representem grande importância, tanto em

relação ao volume de energia produzido, como em avanços tecnológicos, as Pequenas

Centrais Hidrelétricas – PCH, ainda se apresentam como uma forma eficiente de geração de

energia em menor escala, mas com flexibilidade de expandir a geração próxima a centros

de consumo.

As turbinas hidráulicas tem o papel de peça chave na determinação da concepção

técnica de uma usina hidrelétrica. Os principais tipos de turbinas são: Pelton, Francis e

Kaplan.

a) Pelton: inventada por Lester Allan Pelton (1829-1908). Com características de

arranjo que, em muito, faz recordar as rodas d’água. A turbina Pelton foi

patenteada em 1880 e a primeira unidade em operação foi instalada na cidade

de Nevada, Estados Unidos. Sua rotação é produzida num ambiente aberto

11

com a água sendo direcionada para a sua roda. Sua aplicação é recomendada

em situações de projeto em que há altas quedas de água. A variação de

potencia é regulada pelo controle de entrada de água através de bicos injetores

que se posicionam diretamente em frente a roda da turbina. Esta tem a

concepção de monobloco e não oferece flexibilidade operacional própria.

Este tipo de turbina tem pouca participação no parque gerador brasileiro, o que

se deve as características geográficas do Brasil, onde se registram poucas

áreas altas e muito volume de água. (MIRANDA, 2009);

Figura 2.3.1.1 – Turbina Pelton


b) Francis: a turbina tipo Francis foi inventada em 1849 pelo americano James

Bicheno Francis (1815-1892). Trata-se de uma tecnologia revolucionária no

conceito de geração hidráulica e, por isso, ainda hoje é aplicada de forma

ampla e equipa as maiores usinas hidrelétricas do mundo, como em Três

Gargantas e Itaipu.

Esta foi a primeira turbina de reação, ou seja, o fluxo d’água chega à roda da

turbina fora das condições atmosféricas e recebe de um componente, chamado

tubo de sucção, uma contra-pressão que maximiza o aproveitamento

energético do fluxo de água.

A turbina tipo Francis deve ser aplicada para um volume de água determinado.

Embora possua componentes de controle de passagem de vazão de água, este

12

tipo de turbina tem uma acentuada perda de performance quando há variações

de vazão. Outra característica técnica deste tipo de turbina é a falta de

flexibilidade e variações de queda, ou seja, a queda d’água deve obedecer a

variações pequenas, pois não qualquer mecanismo na turbina que possibilite

seu ajuste a variações de quedas.

Ainda assim, são turbinas que apresentam uma significativa gama de

aplicações para grandes e pequenas vazões de água, podendo ser

especificadas para até 600 metros de queda d’água, mas não são

recomendáveis para quedas muito baixas. (MIRANDA, 2009);

Figura 2.3.1.2 – Turbina Francis


c) Kaplan: a turbina tipo Kaplan foi inventada em 1912, por Viktor Grotav Franz

Kaplan, um engenheiro austríaco. Alguns experimentos foram realizados com

sucesso, mas a consolidação desta tecnologia veio a ocorrer em 1925, com a

instalação de uma turbina de oito MW na UHE Lilla Edet, na Suécia. Esta usina

é considerada como o marco definitivo de qualificação da turbina tipo Kaplan

como a solução técnica ideal para usinas hidrelétricas com baixas quedas e

altas vazões d’água.

A turbina Kaplan é responsável pela grande evolução na técnica de construção

e aproveitamento de geração hidráulica, especialmente por apresentar

excelente eficiência para a aplicação em baixa queda e, em especial, variação

13

da vazão turbinada, o que a difere tecnicamente das demais turbinas e,

particularmente em relação às turbinas tipo Francis.

O grande diferencial técnico percebido por Viktor Kaplan foi fornecer à turbina a

capacidade de se regular por meio de movimentação das pás das rodas da

turbina, gerando um equipamento com uma significativa flexibilidade

operacional obtida nas variações de vazões e de quedas. (MIRANDA, 2009).

Figura 2.3.1.3 – Turbina Kaplan


Analisando-se as características das principais turbinas utilizadas para geração de

energia elétrica, observa-se que as turbinas Kaplan apresentam-se como as mais

adequadas para utilização em Pequenas Centrais Hidrelétricas, pois as turbinas Pelton

necessitam de grandes quedas e as turbinas Francis necessitam de grandes volumes de

água, portanto grandes reservatórios. Os limites dos reservatórios impostos pela legislação

e a preocupação que todo empreendimento deve ter em mitigar os impactos ambientais

apresentam as turbinas Kaplan como a solução ideal na geração de energia em PCH.

14

2.4 Classificação

Para facilitar a referência a uma determinada construção de PCH, se faz

necessária uma especificação de uma classificação largamente aceita. Dessa forma utilizou-

se o documento DIRETRIZES PARA PROJETOS DE PCH, da ELETROBRAS que classifica

Pequenas Centrais Hidrelétricas conforme a seguir:

2.4.1 Quanto à capacidade de regulação

a) PCH a fio d’água: nessa categoria a vazão do rio onde a PCH foi instalada é

igual ou superior ao necessário para manter a usina funcionando com a

potência máxima instalada, dessa forma o reservatório será muito pequeno,

sendo até desprezível na maioria dos casos.

O projeto de construção deverá ser feito planejando um sistema de adução que

conduza água suficiente para que a usina sempre produza a demanda máxima

instalada. Vale ressaltar que tal projeto não costuma utilizar o potencial total

presente e por isso o vertedouro será utilizado quase 100% do tempo escoando

o excedente de água que não foi utilizada na geração.

Apesar de não utilizar todo o potencial presente tal modelo se torna

interessante devido a facilidade de seu planejamento e projeto. Esse tipo de

aproveitamento apresenta, dentre outras, as seguintes simplificações

(DIRETRIZES PARA PROJETOS DE PCH, da ELETROBRAS):

Nos estudos :

• dispensa estudos de regularização de descargas;

• dispensa estudos sazonais de cargas elétricas do consumidor; e

• facilita os estudos e a concepção da tomada d’água.

Nos serviços topográficos :

• dispensa o levantamento da área do reservatório, limitando-o a determinação

do contorno da área inundada, pois não há necessidade de determinação da

curva área x volume do reservatório.

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No projeto :

• não havendo significativas flutuações no nível d’água do reservatório, não é

necessário que a tomada d’água seja projetada pra atender a depleção desse

nível d’água (N.A.);

• do mesmo modo, quando a adução primária é projetada através de um canal

abeto, a profundidade desse canal é a menor possível, pois não há

necessidade de atender as depleções citadas;

• pelo mesmo motivo, no caso de haver necessidade da instalação de uma

chaminé de equilíbrio, a sua altura é a mínima, pois o valor da depleção do

N.A. do reservatório que entra no somatório para o calculo dessa altura é

desprezível;

• as barragens são baixas, pois apenas tem a função de desviar as águas para

adução as turbinas;

• as áreas inundadas são pequenas, há poucas perdas em terras afogadas

próprias e as indenizações das terras inundadas de terceiros são pequenas.

Nos equipamentos eletromecânicos :

• não havendo depleção do N. A. do reservatório, a queda é constante e não há

necessidade da instalação de turbinas com rotores de pás móveis, tipo Kaplan,

o que torna a unidade turbogeradora mais econômica.

b) PCH com regularização periódica: quando o rio não é capaz de manter a

vazão constante, ao longo dos períodos de cheia e de seca, de forma a suprir a

quantidade de água suficiente para gerar a energia máxima demandada pelo

mercado consumidor, faz-se necessária a instalação de um reservatório a fim

de regularizar a vazão. Tal regularização pode ser feita diariamente,

mensalmente ou até com períodos de tempo maiores.

2.4.2 Quanto ao sistema de adução

Para poder melhor aproveitar as quedas naturais presentes no terreno se faz

necessário a instalação de um sistema apropriado de adução para a turbina, uma vez que a

casa de máquinas fica geralmente afastada da tomada d’água. Dessa maneira ressaltam-se

dois tipos principais:

16

a) PCH’s com adução em baixa pressão com escoamento livre em canal (alta

pressão em conduto forçado);

b) PCH’s com adução em baixa pressão por meio de tu bulação (alta pressão

em conduto forçado).

A escolha apropriada de um ou outro tipo dependerá principalmente de fatores

econômicos, visto que dependendo das condições geológicas e topográficas do local da

implantação os valores envolvidos apresentarão grandes variações de um tipo para o outro,

considerando a mesma eficiência.

As DIRETRIZES PARA PROJETOS DE PCH, da ELETROBRAS observa nas

suas página 6,7:

“Para sistema de adução longo, quando a inclinação de encosta e o material

do terreno forem favoráveis à construção de um canal, o primeiro tipo

deverá ser o mais econômico, por diminuir o comprimento em tubulação

entre a tomada d’água e a casa de maquinas e, em conseqüência,

aumentar a possibilidade de não ser necessária a instalação de uma

chaminé de equilíbrio.

Para sistema de adução curto, a opção por uma tubulação única para os

trechos de baixa e alta pressão deve ser estudada. Provavelmente não

haverá necessidade da instalação da chaminé de equilíbrio e, no caso de

haver flutuações do N. A. do reservatório, a tomada d’água será mais

simples e econômica do q na adução por canal.”

2.4.3 Quanto a potencia e a altura da queda

A Organização Latino-Americana de Energia – OLADE classifica as pequenas

centrais hidrelétricas conforme a Tabela 2.4.3.1 abaixo:

17

Queda do projeto em metros Classificação Potência Instalada

(KW) Baixa Média Alta

Microcentral Até 100 Menos de 15 15 a 20 Mais de 50 Minicentral 100 a 1.000 Menos de 20 20 a 100 Mais de 100 Pequena Central

1.000 a 10.000 Menos de 25 25 a 130 Mais de 130

Tabela 2.4.3.1 – PCH Quanto a potencia e a altura da queda Fonte: DIRETRIZES PARA PROJETOS DE PCH

As características geográficas serão decisivas para a escolha do tipo de Pequena

Central Hidrelétrica que será construída, pois este é o fator preponderante para os

resultados que se deseja alcançar, devendo ser levado em consideração, também, os

diversos tipos de impactos que serão causados no entorno do empreendimento. Como

observa (PANESI 2006) a energia elétrica está diretamente associada à melhor qualidade

de vida da população, assim como sua geração está diretamente ligada à degradação

ambiental.

18

3 Serviço Auxiliar em PCH’s

Entende-se como sendo serviços auxiliares elétricos todo o sistema de

transformação, manobra e distribuição de energia para fornecimento de eletricidade com

qualidade e confiabilidade às cargas necessárias para a operação segura das unidades

geradoras, equipamentos e estruturas das instalações de uma usina e/ou subestação

(CANÇADO et al, 2009). Sendo constituídos por quadros de distribuição, transformadores,

gerador diesel, cubículos de média tensão, banco de baterias, conversores CA/CC,

inversores CC/CA para iluminação de emergência, motores elétricos e seu respectivo

acionamento, etc. O serviço auxiliar é suprido basicamente de um sistema de corrente

alternada e outro de corrente contínua.

Estes sistemas são parte essencial de todo o escopo eletromecânico de uma

usina, que é constituído pelos seguintes sistemas e equipamentos: turbinas hidráulicas,

equipamentos hidromecânicos (comportas, grades e válvula de segurança), levantamento

(ponte rolante e talhas), geradores, transformadores elevadores, sistema de proteção,

sistema de supervisão e controle, subestação, interligação gerador-transformador,

aterramento, linha de transmissão e sistemas de telecomunicações.

Os serviços auxiliares devem ser concebidos para se obter uma solução adequada,

compatível com o grau de confiabilidade necessária à operação da usina sob os aspectos

de continuidade de serviço e segurança da usina, de pessoal, de terceiros e do sistema

elétrico. A confiabilidade do sistema de serviços auxiliares elétricos é requerida na fase de

concepção do empreendimento, onde devem ser previstos os meios adequados para o

suprimento confiável de energia elétrica de emergência para operação de equipamentos

essenciais à segurança das instalações, tais como: bombas de drenagem e esgotamento,

comportas dos extravasores, vertedouro, iluminação de emergência e sistema de

telecomunicações. Além de suprir energia para permitir a partida de uma unidade geradora

após o desligamento pleno da usina.

Observa-se que os serviços auxiliares elétricos representam um custo de 3% a 5%

em relação ao desembolso total do empreendimento, dependendo de suas características

(CANÇADO et al, 2009). Dessa forma vemos que o valor envolvido no investimento em

serviço auxiliar de uma central hidrelétrica é relativamente baixo considerando sua

importância no empreendimento. Devendo, portanto, ser aplicado todas as técnicas de

engenharia para obter uma eficiência energética expressiva na geração, evitando que tais

equipamentos se tornem um peso no futuro.

19

3.1 Sistema de serviço auxiliar de corrente alterna da

O serviço auxiliar de corrente alternada é destinado a suprir energia às cargas,

como motores, iluminação e tomadas, conversores CA/CC, dentre outras. A configuração do

sistema de serviço auxiliar de corrente alternada depende do número de unidades

geradoras da usina e do sistema elétrico em que a mesma será implantada.

É recomendada a utilização dos seguintes valores de tensão de alimentação 220/127 Vca

(60 Hz, sistema trifásico a quatro fios com neutro solidamente aterrado) para as usinas

menores e 380/220 Vca para usinas maiores que requeiram transformador de serviços

auxiliares com potência nominal = 500 kVA (CANÇADO et al, 2009).

3.1.1 Máquinas auxiliares de corrente alternada

a) Meio de transporte: os equipamentos chegam à obra desmontados, em peças

cujo tamanho e peso são limitados pelas condições de transporte da fábrica ao

local de instalação. Serão montados em seu local definitivo ou na área de

montagem, sendo depois transportados para o seu lugar definitivo por pontes

rolantes nas casas de força fechadas ou por guindastes pórticos nas áreas

semi-abertas. A capacidade das pontes rolantes ou guindastes pórticos deve

ser adequada para levantar a peça mais pesada a ser transportada, que

geralmente é o rotor do gerador (SCHEIBER, 1978);

b) Servomotores da turbina: o equipamento que faz parte integrante da turbina

é o regulador. O regulador consiste no mecanismo fornecedor de energia em

forma de óleo sob pressão, e no atuador, que contém o pêndulo e as válvulas

que regulam o fluxo do óleo aos servomotores da turbina. O equipamento

fornecedor de energia consiste num reservatório do óleo que é retirado e

conduzido, por bombas, ao tanque sob pressão e também do óleo que reflui

das válvulas e dos servomotores (SCHEIBER, 1978).

Nas usinas modernas, as turbinas são telecomandadas da sala de comando,

ou até de muito longe, de um centro de comando que pode atuar em várias

usinas. Mas os reguladores podem ser também, operados manualmente de um

20

lugar perto da turbina, de um painel que pode ser construtivamente ligado ao

regulador ou anexado ao painel do gerador;

c) Sistema de abastecimento de água: n a casa de força, precisa-se água para a

refrigeração do gerador, dos mancais, eventualmente dos transformadores,

etc., para as instalações contra incêndio, e água potável (SCHEIBER, 1978).

Para as duas primeiras finalidades, usa-se água bruta depois de passá-la por

filtros grossos (strainers), que retêm corpos flutuantes até cerca de 5 mm,

enquanto a água potável, usada nos banheiros e bebedouros, precisa de um

tratamento;

d) Rede de drenagem de esgoto: as águas que podem ser misturadas com óleo

devem passar por um separador de óleo, para evitar a poluição do rio. O

esgoto das águas sujas dos banheiros, etc., efetua-se de maneira comum

(SCHEIBER, 1978) ou usando a rede de esgotamento sanitário da

concessionária ou armazenando em fossas sépticas.

Todos os lugares em que pode surgir água, em quantidades consideráveis, por

causa de vazamentos de tubulações, de infiltrações, etc. devem ser ligados a

um sistema de tubos ou canaletas que conduz a água para um poço de

drenagem munido de uma bomba automática, que de vez em quando esvazia o

poço e leva a água para o canal de fuga, por meio de uma tubulação que

desemboca acima do nível máximo d’água de jusante;

e) Rede de distribuição de ar comprimido: no item b) foi mencionado que a

pressão do óleo dos reguladores é mantida por ar comprimido, que é fornecido

por compressores pertencentes ao sistema do regulador. Muitas vezes esses

compressores das diversas turbinas são interligados para que, no caso de um

compressor falhar, sua capacidade possa ser substituída pelos outros. Prefere-

se deixar esse sistema separado do de abastecimento geral de ar comprimido,

para a casa de força, a não ser que os compressores do regulador sejam

utilizados para os freios do gerador, que somente são acionados com a turbina

já fechada.

Da mesma forma como se usa, na rede de distribuição de energia elétrica, com

as tomadas para a ligação de aparelhos elétricos, etc. e, na rede de água, com

as torneiras, instala-se uma rede de distribuição de ar comprimido com

tomadas distribuídas pela casa de força, nos poços das turbinas e dos

geradores;

21

f) Purificadores de óleo: o óleo dos mancais, do regulador e dos

transformadores deve ser purificado de vez em quando, enquanto que a

quantidade de óleo nos mancais e nos reguladores é relativamente pequena,

de modo que possa ser trocado usando-se tambores, o volume dos

transformadores importa em, alguns metros cúbicos e não se pode proceder da

mesma forma. Por isso instalam-se duas tubulações, para óleos sujo e limpo,

que ligam as células dos transformadores à estação de purificação. Para a

troca de óleo, o transformador é conectado à tubulação de óleo sujo, por meio

de uma mangueira, esvaziando-o, e depois à tubulação e óleo limpo, para

reenchê-lo.

Na estação de purificação, são instalados uma bomba estacionária para a

circulação do óleo, eventualmente uma outra igual, mas móvel, e um purificador

móvel. Os tanques para óleo limpo e sujo, de capacidade igual ou pouco maior

que o volume de um transformador, podem ser montados na própria estação

que, nesse caso, deve ter equipamentos necessários contra incêndios, ou

então colocados fora da casa.

Devem ser previstas tubulações para óleo sujo e limpo até o lugar onde

chegam os carros-tanques que trazem óleo limpo ou levam óleo sujo.

(SCHEIBER, 1978);

g) Ventilação e ar condicionado: os geradores tem temperatura de 60 a 80º,

mesmo refrigerados, e irradiam esse calor para a casa de maquinas. Por isso é

preciso uma boa ventilação natural ou forçada (SCHEIBER, 1978). As

condições, em cada caso, são diferentes, mas devem ser previstos os canais

que distribuem o ar fresco ao longo da estrutura, devendo haver um para cada

andar.

Ar condicionado deve ser previsto para a sala de comando, para os escritórios

e eventualmente para a oficina elétrica;

h) Sistema de iluminação: os ambientes devem dispor de adequado sistema de

iluminação, que ofereça conforto visual e segurança aos operadores nas áreas

internas e facilidade de transito nas áreas externas. Além, é claro, se possuir

um sistema próprio ligado ao banco de baterias para emergências.

22

3.2 Sistema de serviço auxiliar elétrico de corrent e contínua

O sistema de CC é utilizado para suprir energia segura e confiável para circuitos de

comando, controle e proteção, sinalização, transdutores e alarme. Como premissa básica

para definição do arranjo e projeto do sistema de corrente contínua de pequenas centrais,

deve-se utilizar sistemas de corrente contínua não aterrados, uma vez que esta

configuração apresenta elevado grau de continuidade. Outro critério básico é o emprego de

equipamentos com boa qualidade.

Considerando estas condições atendidas, pode-se utilizar apenas um único

retificador (conversor CA/CC) com um banco de baterias operando em paralelo, uma vez

que estes conversores CA/CC apresentam custo elevado.

Com a evolução tecnológica, quase todos os equipamentos que requerem

alimentação em corrente contínua estão disponíveis em 125 V, permitindo a utilização de

apenas um nível de tensão de corrente contínua na usina.

A operação seletiva dos dispositivos de proteção é fundamental para a operação

do sistema de corrente contínua. Embora a utilização de um sistema isolado de terra permita

a continuidade de operação para defeitos para terra envolvendo apenas um dos pólos, a

probabilidade de ocorrência de um curto-circuito sempre está presente.

Os disjuntores para aplicação em corrente contínua disponíveis atualmente no

mercado não possuem características adequadas que possibilitem ajustes para uma

operação seletiva da proteção entre disjuntores. Devido a este fato, recomenda-se que os

circuitos de corrente contínua sejam protegidos por fusíveis do tipo Diazed ou NH

(CANÇADO et al, 2009).

É importante observar que uma Pequena Central Hidrelétrica não é uma usina de

grande porte em escala reduzida, portanto, não se devem adotar os mesmos critérios de

projeto, principalmente de confiabilidade aplicados a usinas maiores. É preciso respeitar as

regulamentações vigentes do setor elétrico, elaborando projetos de sistemas auxiliares

elétricos sem conservadorismo desnecessário, onde muitas vezes é exigido para grandes

usinas.

Todos os equipamentos abordados: pontes rolantes, guindastes pórticos,

regulador, servomotores da turbina, bombas de água, separador de óleo, bombas de

drenagem, compressores de ar comprimido, transformadores, bombas de óleo, sistemas de

ventilação forçada, sistema de iluminação circuitos de comando, controle e proteção,

sinalização, transdutores e alarme serão retomados no capítulo seguinte na forma de

sistemas de iluminação, sistemas de motores e sistemas de transformadores, além do

sistema de refrigeração para as principais salas, como: salas de comando, centros de

comando, escritórios, oficina elétrica.

23

4 Eficiência energética

Pode-se definir eficiência energética como a melhoria da energia primária utilizada

para a realização de um mesmo serviço, sem qualquer prejuízo ao mesmo. Dessa forma

economiza-se energia e conseqüentemente o recurso natural utilizado para gerá-la,

ocasionando não apenas uma economia financeira, mas uma economia ambiental (PANESI,

2009).

É importante esclarecer a diferença entre eficiência energética e racionamento de

energia, evidenciando que racionamento de energia objetiva a redução do consumo

energético por meio da redução do processo envolvido, prejudicando o resultado final do

processo, enquanto que as técnicas de eficiência visam manter o resultado final através de

um uso mais consciente da energia.

Em linhas gerais, projetos de uso eficiente da energia envolvem duas abordagens:

ajuste técnico: que consiste no uso mais eficiente da energia através do emprego de

tecnologias (equipamentos) mais eficientes, que obtenham um rendimento maior nas

mesmas condições de trabalho que outros; mudança no estilo de vida: reavaliação das

técnicas utilizadas durante o processo em busca de alternativas com menor consumo

energético.

Observa-se, portanto, que medidas de eficiência, ao realizar um melhor

aproveitamento dos insumos energéticos, reduz os custos de manutenção da realização do

processo, obtendo retorno financeiro a médio e longo prazo a partir de um investimento

inicial em técnicas e tecnologias. Além disso, os investimentos em eficiência energética

oferecem resultados mais rápidos que investimentos em suprimentos/geração de energia.

A implementação de um processo de eficiência energética em um sistema elétrico

já instalado deve ser precedido de uma auditoria energética, que é a análise detalhada das

condições de utilização de energia procurando identificar: onde, quanto e como a energia é

utilizada; como estão as condições dos equipamentos; e onde se encontram os desperdícios

de energia. Após a realização da auditoria deve-se elaborar um relatório com as propostas

de soluções para corrigir/melhorar a utilização de energia de um modo geral.

Entende-se como sistema elétrico de uma determinada instalação a planta

estratégica de como a energia é distribuída e utilizada pela instalação. Em uma PCH deverá

ser levado em conta o peso da iluminação, dos motores, das bombas de água e

esgotamento, dos compressores e dos transformadores.

24

4.1 Eficiência energética no sistema de iluminação

Em iluminação, a eficiência energética não está relacionada apenas com a redução

do consumo de energia, mas também com a obtenção de um sistema eficiente do ponto de

vista quantitativo e qualitativo, devendo incluir um bom projeto e equipamentos de qualidade

empregados de uma maneira efetiva, privilegiando a segurança e o conforto visual dos

funcionários na realização das tarefas.

4.1.1 Grandezas envolvidas

Para poder analisar corretamente a quantidade de energia gasta com a iluminação,

deve-se primeiro explicitar as grandezas envolvidas (VIEIRA JR, 2009):

a) Fluxo luminoso (φ): é a radiação total da fonte luminosa, sua unidade é o

lúmen (lm);

b) Iluminância média (EM): indica o fluxo luminoso de uma fonte de luz que

incide sobre uma superfície situada a uma certa distância desta fonte. Sua

unidade é o lux (lx);

c) Temperatura de cor (T): a temperatura de cor está relaciona com a

semelhança da luz diurna solar, quanto mais claro o branco, maior a

temperatura da cor. A luz amarelada, como de uma lâmpada incandescente,

está em torno de 2.700 K enquanto que de uma lâmpada fluorescente esta em

torno de 5.000 K;

d) Índice de reprodução de cor (IRC): as lâmpadas possuem características de

reprodução de cor muito variada. A expressão “qualidade de luz” muitas vezes

é relacionada a esta característica. O IRC é uma escala percentual que indica o

quanto das cores iluminadas, em uma superfície padrão, são perfeitamente

distinguíveis.

25

4.1.2 Tipos de lâmpadas

De posse dessas grandezas, analisa-se os diferentes tipos de lâmpadas

disponíveis no mercado, para poder definir onde cada uma delas, pode ser melhor utilizada,

de forma a se obter a maior eficiência.

a) Lâmpadas Incandescentes : vida média em torno de 1.000 h, temperatura de

cor em torno de 2.700 K, fluxo luminoso até 3.400 lm, dependendo da potência

da lâmpada;

b) Lâmpadas fluorescentes

- Fluorescentes tubulares ou circulares : possuem longa durabilidade em

comparação com as incandescentes e alta eficiência na reprodução de cor.

São classificadas em lâmpadas de descarga de baixa pressão, onde as

primeiras lâmpadas produzidas pela maioria dos fabricantes apresentavam 38

mm de diâmetro do tubo (T12) e, com a evolução da tecnologia atualmente,

encontra-se no mercado lâmpadas com diâmetro de tubo de 16 mm (T5) até 7

mm (T2). Essas lâmpadas estão disponíveis em várias tonalidades de branco,

desde 2.700 K até 6.500 K e dependendo do fabricante e do modelo da

lâmpada, podemos encontrar características como o fluxo luminoso variando de

840 a 9.350 lm e IRC de 70 a 100%.

- Fluorescentes compactas : possuem a tecnologia e as características de

uma lâmpada fluorescente tubular, no entanto com tamanhos reduzidos. O seu

surgimento teve como objetivo principal à substituição das incandescentes pela

sua fácil instalação (rosqueada), apresentando as seguintes vantagens:

Consumo de energia 80% menor, durabilidade 10 vezes maior, leve e

compacto, aquecem menos, gerando assim menos carga térmica em

ambientes climatizados, IRC com índice de até 89%, tonalidade de cor

adequada para cada ambiente, com opções entre 2.700 K (aparência de cor

semelhante às incandescentes) a 4.000 K (aparência de cor mais branca), fluxo

luminoso variando de 800 a 1.400 lm.

c) Lâmpadas de descarga em alta pressão : muito utilizadas em ambientes de

grandes áreas, pois possuem em geral, grande durabilidade (de 9.000 a 32.000

26

horas). Funcionam através do uso de reatores, e, em alguns casos, só partem

com auxílio de ignitores. Dependendo do tipo, necessitam de 2 a 15 minutos

entre a partida e a estabilização total do fluxo luminoso. Seus tipos são:

- Vapor metálico : são lâmpadas que combinam iodetos metálicos, excelente

reprodução de cor (de 70 a 100%), proporcionando baixa carga térmica para

ambientes climatizados. Sua luz é muito branca e brilhante e podem ser

encontradas nas potências de 70 a 2.000 W, com índice de eficiência

energética de até 100 lm/W e temperatura de cor de 4.000 a 6.000 K. É

utilizada em supermercados, estádios de futebol, indústrias, praças etc.

- Vapor de sódio : com eficiência energética de até 130 lm/W, de longa

durabilidade, e muito econômica. Emite luz branca dourada e é utilizada em

locais onde as reproduções de cor não é uma característica importante, como

em estacionamentos, portos, estradas, ferrovias etc.

- Vapor de sódio branca : emite luz branca, diferente da lâmpada a vapor de

sódio comum que é mais amarelada. Essa luz branca é decorrente da

combinação dos vapores de sódio e gás xênon, resultando numa luz brilhante

com aparência de cor das incandescentes. Acionadas por reatores eletrônicos

podem ter, através de chaveamento, a temperatura de cor alterada de 2.600

para 3.000 K ou vice versa. É utilizada em áreas comerciais, edifícios

históricos, stands, hotéis, exposições, teatros etc.

- Vapor de mercúrio : tem uma aparência branca azulada, com eficiência de

até 55 lm/W e potência de 80 a 1.000 W. são normalmente utilizadas em vias

públicas e áreas industriais;

- Luz mista : compostas por um filamento e um tubo de descarga, funcionam

em tensão de rede de 220 V, sem uso de reator. Em geral, representa

alternativa de maior eficiência para a substituição de lâmpadas incandescentes

quando não se deseja as fluorescentes.

d) Lâmpadas de LED : longa durabilidade (até 100 mil horas), alta eficiência,

variedade de cores, dimensões reduzidas, baixo consumo de energia e pouca

dissipação de calor (VIEIRA JR, 2010).

27

Para o funcionamento de algumas lâmpadas, é necessário ter conhecimento a

respeito dos reatores responsáveis pelo acionamento de algumas delas. São eles

equipamentos auxiliares necessários para o acendimento das lâmpadas de descarga. São

encontrados no mercado dois tipos: eletromagnético e eletrônico.

•••• Reatores eletromagnéticos : núcleo laminado de silício e bobinas de fio de

cobre esmaltado. Podem apresentar baixo fator de potência.

•••• Reatores eletrônicos : são constituídos por capacitores e indutores para alta

freqüência de 20 a 50 kHz. Operando nessas condições, proporciona maior

fluxo luminoso com menor potência de consumo, sendo mais eficientes do que

os eletromagnéticos.

É importante ressaltar que o reator interfere diretamente no fluxo luminosos da

lâmpada através de seu Fator de Fluxo Luminoso (FFL). Ex.: se uma lâmpada de 2.700

lúmens for empregada com reator eletrônico de FFL = 1,1, ela emitirá 2.970 lúmens. Assim

como evidenciar que o reator também possui perdas próprias de seu funcionamento,

causadas principalmente pelo efeito Joule, tais valores são informados pelo fabricante e

devem ser adicionados ao consumo final do conjunto lâmpada + reator (VIEIRA JR, 2010).

4.1.3 Cálculo luminotécnico

De posse dessas informações deve-se, então, fazer uma análise criteriosa da

Iluminância necessária para cada tipo de ambiente, de acordo com a tarefa a ser

desempenhada, de forma a oferecer o melhor conforto visual e a segurança adequada para

a correta realização da tarefa.

Classe Iluminância (lux) Mín – Méd - Máx

Tipo de Atividade

20 – 30 – 50 Áreas públicas com arredores escuros 50 – 75 – 100 Orientação simples para permanência

curta 100 – 150 – 200 Recintos não usados para trabalhos

contínuos; depósitos

A Iluminação geral para áreas usadas interruptamente ou com tarefas simples

200 – 300 – 500 Tarefas com requisitos visuais limitados, trabalho médio de maquinaria, auditórios

500 – 750 – 1.000 Tarefas com requisitos visuais normais, trabalho médio maquinaria, escritórios

B Iluminação geral para área de trabalho 1.000 – 1.500 – 2.000 Tarefas com requisitos especiais,

28

gravação manual, inspeção, indústria de roupas

2.000 – 3.000 – 5.000 Tarefas visuais exatas e prolongadas, eletrônica de tamanho pequeno

5.000 – 7.500 – 10.000 Tarefas visuais muito exatas, montagem de microeletrônica

C Iluminação adicional para tarefas visuais difíceis

10.000 – 15.000 – 20.000 Tarefas visuais muito especiais, cirurgia Tabela 4.1.3.1 - Iluminâncias por classe de tarefas visuais

Fonte: ABNT NBR5413

A tabela 4.1.3.1 nos fornece os valores de iluminância mínimo, médio e máximo

para cada tipo de ambiente, de acordo com a atividade a ser exercida nele, porém é

necessário determinar o número mínimo de lâmpadas e luminárias, considerando as

dimensões e o tipo do ambiente a ser iluminado realizando o cálculo luminotécnico. Para

tanto, enumera-se abaixo os passos básicos a serem seguidos:

1º passo – características do ambiente, com as seguintes informações:

• Dimensões do recinto (comprimento, largura, pé direito);

• Altura de Montagem da luminária (altura plana de trabalho/suspensão da

luminária);

• Cor do teto, paredes e piso;

• Tipo de atividade exercida no ambiente;

• Determinar a iluminância necessária para a atividade, ver NBR5413.

Figura 4.1.3.1 – Características do Ambiente

Fonte: Notas de aula da disciplina Eficiência Energética

2º passo – determinação do índice do recinto (K), que é a relação das dimensões

do recinto, dada pela expressão:

• Iluminação Direta

29

• Iluminação Indireta

Onde:

K= índice do recinto;

c = comprimento;

l = largura;

h = altura de montagem (h = pd – hl – hm).

3º Passo – Determinar o fator de utilização (FU) dado por tabelas próprias dos

fabricantes que depende do tipo de luminária e das características do ambiente. O

fator de utilização está relacionado com a eficiência do conjunto: luminária,

lâmpada e recinto, para se determinar o fator ideal adequado para o ambiente, é

preciso conhecer as refletâncias do teto, paredes e o índice do recinto mencionado

no 2º passo. Após ter calculado o índice do recinto, cruze com os índices de

refletância do ambiente a ser iluminado, Tabela 4.1.3.2.

Cores % Branco 70 a 80 Creme claro 70 a 80 Amarelo claro 55 a 65 Rosa 45 a 50 Verde claro 45 a 50 Azul celeste 45 a 50 Cinza claro 45 a 50 Bege 23 a 35 Amarelo escuro 23 a 35 Marrom claro 23 a 35 Laranja 20 a 25 Vermelho 20 a 25 Cinza médio 20 a 25 Verde escuro 10 a 15 Azul escuro 10 a 15 Cinza escuro 10 a 15 Azul marinho 5 a 10 Preto 5 a 10

Tabela 4.1.3.2 – Coeficiente de reflexão de cores Fonte: Fundamentos de Eficiência Energética

4º Passo – O Fator de Perdas Luminosas (FPL) nos informa a perda do fluxo

luminoso em função do acúmulo de poeira na luminária dado pelo ambiente,

30

juntamente com a vida útil das lâmpadas. Considerar como Fator de Perda

Luminosa os seguintes valores da Tabela 4.1.3.3:

Ambiente Período de Manutenção 2.500 h 5.000 h 7.500 h Limpo 0,95 0,91 0,88 Normal 0,91 0,85 0,80 Sujo 0,80 0,66 0,57

Tabela 4.1.3.3 – Fator de Perdas Luminosas. Fonte: Fundamentos de Eficiência Energética

5º Passo – Identificar a iluminância média (Em) recomendada para o tipo de

atividade exercida. A Tabela 4.1.3.1 estabelece as normas da ABNT NBR5413

para cada tipo de ambiente de acordo com a tarefa nele exercida.

Passo 6º - Definição do número de luminárias necessárias:

Onde:

Em= Iluminância média

A= área do recinto

n= quantidade de lâmpadas por luminária

φ = fluxo luminoso

FU= Fator de utilização

FPL= Fator de Perdas Luminosas

Além da quantidade de lâmpadas e luminárias, bem como o nível de iluminância, é

fundamental o cálculo da potência instalada para que se avalie os custos com energia com o

propósito de estudar melhorias no requisito eficiência energética da instalação.

• Potência total instalada Pt(W) : É a somatória da potência de todos os

aparelhos instalados na iluminação considerando lâmpadas e reatores

• Densidade de potência Dp(W/m²) : É a potência instalada para cada metro

quadrado de área. Quanto menor for esse valor, menos energia por unidade de

área será consumida, tornando a instalação mais eficiente.

31

• Densidade de potência relativa Dpr(W/m² para/100 lx ): É a densidade de

potência total instalada para cada 100 lx de iluminância. Quanto menor for esse

valor mais eficiente será a instalação, pois indica a potência necessária para

cada 100 lx de iluminância.

4.2 Eficiência energética em motores elétricos

Os motores elétricos são responsáveis por grande parte do consumo de energia

nas indústrias, estima-se que 90% da energia consumida pelo setor está concentrada em

unidades consumidoras ligadas a alta tensão, apenas 4% do consumo ocorre em baixa

tensão. No setor industrial, entre 50 a 60% da energia elétrica utilizada é consumida pelos

motores elétricos. A fim de aumentar a eficiência energética e reduzir o consumo deste tipo

de equipamento, é possível adotar diferentes medidas, tais como o redimensionamento, a

substituição de equipamentos, utilizando motores de alto rendimento, a utilização de

controle de velocidade, além de, obviamente, operação e manutenção corretas (PANESI,

2009).

Os motores elétricos são classificados de acordo com a forma de corrente utilizada,

isto é, alternada ou contínua. Os motores de corrente contínuas apresentam a vantagem de

poder regular sua velocidade de modo preciso e também utilizar baterias para alimentá-los

estando em qualquer lugar. Infelizmente, para grandes potências apresentam o

inconveniente de serem volumosos não sustentando grandes velocidades. Já os de corrente

alternada apresentam maior eficiência comparados ao de corrente contínua, sendo que

podem ser síncronos ou assíncronos. Os motores síncronos operam em velocidade pré

fixada utilizado normalmente em grandes potências onde a velocidade constante é requisito

principal. Os motores assíncronos ou de indução são mais simples, robustos e preço menor

comparados com os síncronos, utilizados praticamente na maior parte de mecanismos.

Nesse caso, a velocidade varia de acordo com a carga aplicada ao eixo.

Em PCH’s a eficiência de motores tem suma importância devido a quantidade de

bombas de óleo e de água, esteiras, compressores de ar comprimido, servomotores,

guindastes pórticos e pontes rolantes.Durante a etapa de projeto ou de auditoria energética,

deve-se atentar para cada necessidade de carga individualmente para que o motor para ela

especificado atenda eficientemente os requisitos.

Para analisarmos as possibilidades de redução de consumo de energia em

motores é importante que verifiquemos os seguintes pontos:

32

4.2.1 Grandezas Variáveis em um Motor de Indução

São diversas as grandezas que variam na operação de um motor, conforme mostra

a Tabela 4.2.1.1.

Grandeza Símbolo Unidade Descrição Potência mecânica P

mec Cv Potência fornecida no eixo do

motor. Potência elétrica P

el kW Potência fornecida ao motor.

Torque T Nm Torque (conjugado) desenvolvido no eixo do motor.

Rotação N RPM Rotação do eixo do motor. Corrente I A Corrente absorvida da rede elétrica

pelo motor. Tensão E V Tensão da rede que alimenta o

motor (tensão entre fases). Fator de potência Fp % Atraso da corrente em relação à

tensão, medido pelo cosseno do ângulo de atraso.

Rendimento Η % Relação entre a potência mecânica e potência elétrica.

Carregamento Γ % Relação entre a potência mecânica e a potência elétrica.

Escorregamento S % Velocidade relativa do rotor em relação ao campo girante.

Velocidade do campo girante do estator

ns Velocidade do campo girante do estator (velocidade síncrona).

Tabela 4.2.1.1 – Grandezas variáveis em um motor de indução. Fonte: Fundamentos de Eficiência Energética

A Figura 4.2.1.1 mostra a variação típica de algumas grandezas do motor de

indução em relação à carga no eixo.

Figura 4.2.1.1 – Curvas de desempenho de um motor

Fonte: Catálogo WEG

33

Onde:

A = rendimento: acima de 75% de carregamento assume um valor praticamente

constante. Entretanto, cai rapidamente abaixo de 50%, o que indica ser

completamente ineficiente usar um motor com baixa carga (ou

sobredimensionado);

B = fator de potência: Como o rendimento, é bem baixo para cargas baixas;

C = escorregamento: Praticamente zero a vazio, chega a um valor típico de 3% em

carga nominal;

D = corrente: sai de um valor não-nulo a vazio, crescendo com a carga.

4.2.2 Perdas

O motor elétrico é um conversor de energia elétrica em mecânica. Apesar de ser

uma máquina eficiente, apresenta vários tipos de perdas, que, em geral, se dividem em

perdas fixas, se não dependem do carregamento, e variáveis, que dependem (VIEIRA JR,

2010).

As perdas fixas são:

a) Perdas no ferro (núcleos): são as perdas devido à circulação do campo

magnético – por histerese e correntes parasitas. Dependem da freqüência da

rede (60 Hz, no Brasil), da densidade do campo (quanto menos ferro, mais

denso), da qualidade do aço (o aço silício é mais suscetível ao campo

magnético), da espessura e isolação das chapas. Representam de 15 a 25%

do total de perdas, em operação nominal;

b) Perdas mecânicas : perdas por atrito nos mancais, e ventilação. Contribuem

com 5 a 15%.

As perdas variáveis são:

a) Perdas no estator : devidas ao efeito Joule pela circulação de corrente no

enrolamento do estator, significam a maior parcela de perda em condição

nominal: 25 a 40%. Dependem da bitola dos condutores e do comprimento das

bobinas;

34

b) Perdas no rotor : igualmente devidas ao efeito Joule nas barras e anéis do

rotor, têm também uma contribuição significativa: 15 a 25%. Dependem do

material (em geral, alumínio para motores em baixa tensão), seção e

comprimento das barras;

c) Perdas suplementares : são devidas a várias imperfeições na distribuição dos

fluxos magnéticos e de corrente e geralmente medidas por subtração com

relação às demais perdas. Podem ser reduzidas com um bom projeto do motor.

Representam uma parcela menor nos motores de baixa tensão, 10 a 20%.

Fazendo um estudo analítico do motor, podemos explicitar a influencia de cada

perda no consumo final de energia, além de identificar quais as grandezas que influem

diretamente no seu incremento.

Figura 4.2.2.1 – Circuito equivalente do motor com o rotor e o estator com a mesma freqüência.


Dessa forma, a figura acima relaciona as principais características do motor, que

nos dão a relação da carga mecânica:

Onde:

R2 = Perdas no cobre;

= Potência Mecânica + perdas rotacionais;

Portanto, a potência por fase associada ao rotor é:

35

Essa potência também é denominada potência no entreferro (gap), pois é a

potência transferida do estator ao rotor pelo campo magnético do entreferro.

Verifica-se, portanto, que as perdas no cobre aumentam com o escorregamento,

enquanto as perdas rotacionais e a carga mecânica variam segundo (1 – s).

4.2.3 Rendimento

Como as perdas nos enrolamentos do rotor dependem do escorregamento do

motor, o rendimento também dependerá. Dessa forma é possível avaliar o rendimento ideal

em função das perdas e por fim em função do escorregamento.

Onde:

Pentrada = Pentreferro = Pgap;

Perdas no rotor = R2I²2 = s . Pgap;

Psaída = Pgap – s . Pgap = (1-s) . Pgap.

Com a inclusão das demais perdas, a eficiência real da máquina sempre será

menor do que a eficiência interna, observa-se, então que para manter alta eficiência, o

motor de indução deve operar próximo a velocidade síncrona, pois:

Na figura abaixo observa-se que a eficiência real, para valores abaixo da

velocidade síncrona cresce acompanhando a curva de eficiência ideal, aumentando a

36

eficiência para cada incremento do da velocidade do campo girante do estator. Porém, ao

alcançar a velocidade síncrona a eficiência real caí abruptamente. Dessa forma observa-se

a necessidade de se operar próximo a velocidade síncrona a fim de se manter a eficiência

alta.

Figura 4.2.3.1 – Eficiência Real e Eficiência Ideal em função da velocidade síncrona.


4.2.4 Dimensionamento de motores

Um motor é dimensionado pela carga mecânica que acionará. É comum haver

incertezas sobre esta carga no momento do dimensionamento: haverá ampliações, haverá

situações em que se poderá exigir um pouco mais de potência (por exemplo, peso em uma

esteira transportadora, deposição de massa em agitadores, variação na densidade do

líquido impulsionado por uma bomba)?

Analisa-se a oportunidade de uso de motores de alto rendimento em duas

situações principais: para um motor novo, a instalar, ou para substituir um motor já em

operação. Na primeira hipótese, é quase sempre viável economicamente usar um motor de

alto rendimento, pois a diferença de investimento é apenas entre os custos dos dois

motores. Pode apenas não ser compensador em casos com baixíssima utilização do motor

(por exemplo, uma bomba d’água que opere 1 ou 2 horas por dia) e/ou baixo custo da

energia (R$/kWh).

37

Na segunda hipótese, o investimento a ser considerado é não só o custo total do

motor de alto rendimento, mas também o custo de colocá-lo em funcionamento: estudo,

compra, frete, eventual adaptação da base e acoplamento, eventual mudança no circuito

elétrico (relé térmico), mão-de-obra para troca e condicionamento. Neste caso é razoável

dobrar-se o custo do motor.

Na primeira hipótese (motor novo), basta comparar o custo adicional de um motor

de alto rendimento em relação ao motor padrão com a economia obtida ao longo da vida útil.

Na segunda hipótese (troca de um motor em funcionamento), a análise é descrita abaixo:

4.2.4.1 Método da Linearização

Uma forma analítica de se dimensionar o motor mais eficiente para uma

determinada aplicação inclui o método da linearização, no qual a curva de conjugado versus

rotação do motor de indução pode ser aproximada por uma reta na região de operação da

máquina, dessa forma o seu carregamento pode ser estimado a partir de poucas medições

das condições reais de operação.

Figura 4.2.4.1 - Curva de conjugado versus rotação do MI Fonte: Notas de aula da disciplina Eficiência Energética

Onde:

MN = conjugado nominal;

Mt = conjugado de trabalho;

ns = velocidade síncrona;

38

nN = velocidade nominal;

nt = velocidade de trabalho.

A partir da Figura 4.2.4.1 e conhecendo-se a velocidade de trabalho, a velocidade

nominal e o conjugado nominal, pode-se determinar o conjugado de trabalho pela equação

da reta.

Como a potência de trabalho é dada por Pt = Mt . nt , podemos definir Fc como fator

de carregamento:

Usualmente, se Fc for maior que 0,75 significa que o motor está bem

dimensionado. Caso contrário, não se pode, de imediato, dizer que o mesmo está

inadequado. Deve-se analisar o regime de operação da máquina, pois existem situações em

que o uso de motores sobredimensionados se faz necessário. É o caso de acionamento de

cargas de alta inércia ou ciclos de cargas severos.

Existem situações em que não é possível medir a velocidade, mas a mesma pode

ser estimada linearizando a curva da corrente, conforme demonstrado na Figura 4.2.4.2:

Figura 4.2.4.2 – Curva de Corrente em um MI


39

Onde:

I0 = corrente em vazio;

It = corrente de trabalho;

IN = corrente nominal.

Para determinar a corrente em vazio, pode-se usar os resultados do teste em vazio

ou desacoplar a carga e medir a corrente. Caso não seja possível desacoplar a carga, pode-

se recorrer a fórmulas empíricas, tal como a apresentada a seguir:

Nº de Pólos Ao Bo 8 77,463 -7,145 6 72,110 -7,413 4 67,484 -7,490 2 56,855 -6,866

Tabela 4.2.4.1 – Parâmetros para fórmula empírica Fonte: Fundamentos de Eficiência Energética

4.2.4.2 Partida

Um momento delicado na operação do Motor de Indução é a aceleração inicial.

Com o escorregamento muito alto, a corrente do motor é muito alta, chegando tipicamente a

oito vezes a corrente nominal. Isto pode causar problemas tanto à rede, provocando queda

de tensão, quanto ao próprio motor. O tempo de aceleração é decisivo: ele pode ser igual a

1 segundo, tipicamente para bombas centrífugas e cargas com baixa inércia, mas pode

chegar a mais de 30 s para ventiladores e centrífugas, por exemplo, que têm elevada

inércia.

O limite para o motor é o chamado tempo de rotor bloqueado, que é o tempo

máximo que o motor pode resistir nesta condição (valor típico 20 s). O conjunto motor-carga

acelera porque o conjugado motor é maior que o conjugado resistente. A que resiste à

mudança de velocidade é o momento de inércia, que faz o mesmo papel da massa no

movimento linear. O momento de inércia é grosseiramente a integral das massas

multiplicadas pelo quadrado da distância ao eixo de rotação.

40

Cargas de elevada inércia merecem estudo especial do acionamento, para permitir

a aceleração do conjunto motor-carga. Muitas vezes a solução mais barata é o

sobredimensionamento do motor, resultando, em operação normal, numa conversão de

energia de baixo rendimento.

Ao indicar a substituição de um motor sobredimensionado por outro de menor

capacidade, deve-se certificar que o novo motor seja capaz de acionar a mesma carga,

acelerando-a em um intervalo de tempo inferior ao tempo de rotor bloqueado, que é o tempo

máximo que o rotor de uma máquina de indução pode ficar travado sem que a mesma sofra

danos devido ao calor dissipado pelas altas correntes. É especificado pelo fabricante.

Para calcular o tempo de aceleração do motor para acionar determinada carga

existem 2 métodos principais: uso de simulações computacionais: diversos softwares

específicos podem ser usados para calcular os valores; e uso de fórmulas analíticas: de

posse das informações dos motores é possível estimar o tempo com fórmulas analíticas.

Vamos dar enfoque às fórmulas analíticas. Analisando a Figura 4.2.4.3:

Figura 4.2.4.3 – Curva conjugado do motor x velocidade do carregamento e momento de inércia x

velocidade de carregamento. Fonte: Notas de aula da disciplina Eficiência Energética

Onde:

Mm = Conjugado do motor;

Mc = Momento de inércia;

ns = velocidade síncrona;

nt = velocidade de trabalho.

De acordo com a figura acima, vê-se que o ponto de operação estável ocorre

quando MC = MM. Aplicando a 2ª lei de Newton (adaptada para movimentos circulares):

.

41

Logo:

Onde:

= Tempo de partida.

Da expressão anterior, percebe-se que é preciso conhecer a curva de conjugado e

o momento de inércia da carga. O desconhecimento dessas características é uma das

principais causas do sobredimensionamento dos motores, pois se usam fatores de

segurança que podem não estar adequados.

Basicamente, existem os seguintes tipos de cargas em um ambiente industrial:

Figura 4.2.4.4 – Tipos de cargas em ambiente industrial. Fonte: Notas de aula da disciplina Eficiência Energética

(a) pontes rolantes, esteiras, guinchos, elevadores e semelhantes

(b) moinhos de rolo, bombas de pistão, plainas e serras

(c) ventiladores, exaustores e compressores

(d) máquinas operatrizes, frezadoras, mandriladoras e bobinadeiras

Todos os tipos de cargas anteriores podem ser genericamente descritos por:

Onde:

Mc = conjugado de carga (Nm);

N = rotação (RPM);

k1 e k2 = constantes a serem determinadas;

42

x = coeficiente de variação do conjugado em função da rotação.

Carga tipo X

Constante 0

Linear 1

Quadrática 2

Inversa -1

Tabela 4.2.4.2 - coeficiente de variação do conjugado em função da rotação. Fonte: Notas de aula da disciplina Eficiência Energética

4.2.4.3 Analise Térmica

Visa verificar a elevação de temperatura durante o regime de operação normal do

motor. Essa análise é muito complexa, portanto são admitidas algumas hipóteses para

simplificar os cálculos.

Considerando o isolamento do motor como um corpo homogêneo, a elevação de

temperatura da máquina em relação ao ambiente pode ser estimada por:

Onde:

= elevação de temperatura final, em um tempo suficientemente longo, tal que

possa ser considerado como em regime permanente;

TA = Constante de tempo de aquecimento;

θ0 = Temperatura inicial.

A elevação de temperatura final na partida e em regime permanente pode ser

estimada, portanto, pelas seguintes expressões simplificadas:

Partida:

43

Em carga:

Onde:

nP = a velocidade média durante a partida

∆θLIM = a elevação máxima de temperatura correspondente à classe de isolação do

motor.

4.2.5 Conversores de freqüência

A tensão aplicada ao motor pode influenciar significativamente o desempenho de

um motor de indução trifásico, se a tensão é inferior à nominal, deve-se aumentar a corrente

para manter o mesmo torque. Portanto, as perdas Joule aumentam. Se a tensão é superior

à nominal, às perdas por histerese e correntes parasitas de Foucault aumentam, podendo

causar a saturação do motor.

Tensões desbalanceadas causam a circulação de correntes desbalanceadas que

provocam o aumento das perdas nos enrolamentos do motor e aquecimento do núcleo,

reduzindo sua vida útil.

Figura 4.2.5.1 – Aumento das perdas x desbalanço percentual da tensão Fonte: Notas de aula da disciplina Eficiência Energética

44

Os conversores de freqüência se baseiam nessa variação da tensão e da

freqüência nos terminais do motor, de modo a manter o torque e o fluxo magnético

constantes:

Como P = T . n, reduzindo-se n quando necessário, reduz-se a potência.

Figura 4.2.5.2 - Esquema básico de um conversor de freqüência


Considerando que ventiladores, bombas e outras máquinas rotativas nem sempre

operam em plena carga (a vazão varia) e que as vazões estão linearmente relacionadas

com a rotação da maquina, a utilização de variadores de freqüência possibilita o ajuste da

vazão sem introduzir perdas, alterando a rotação da máquina.

Normalmente, a forma de onda da tensão fornecida ao motor não é inteiramente

senoidal. Isso implica no aumento das perdas no rotor em torno de 15%. No entanto, a

economia de energia que a aplicação do conversor pode proporcionar supera esse aumento

das perdas.

No caso da instalação de conversores de freqüência em motores em operação, é

necessário verificar se o motor possui capacidade de reserva para acomodar esse aumento

de 15 % de perdas. Para projetos novos, a potência do motor deve ser calculada de acordo

com a equação abaixo:

45

Onde:

Pei = potência mínima solicitada ao eixo do rotor, em cv;

nmi = velocidade mínima do motor correspondente à potência mínima solicitada, em

RPM.

O uso indiscriminado de variadores de freqüência acarreta na geração de

harmônicos no sistema, devendo-se levar em conta tanto as implicações relativas à

eficiência energéticas nos serviços auxiliares da PCH, como também na qualidade da

energia disponibilizada não apenas internamente nos demais equipamentos, como também

para comercialização com os rigores que a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL)

impõe nos procedimentos de distribuição (PRODIST) regulamentados pela resolução

normativa 395/2009.

4.2.6 Fator de Potência

O fator de potência é o índice que indica o quanto de energia aparente (fornecida

pela concessionária) é transformada em energia que realiza trabalho. Quanto maior for esse

índice, que pode variar de 0 a 100%, maior será o aproveitamento de energia pelo

consumidor. Um baixo fator de potência provoca vários problemas, como variação de

tensão, redução do aproveitamento da capacidade dos transformadores e dos circuitos

elétricos, aquecimento irregular dos condutores etc.

A legislação determina que o fator de potência deve ser mantido o mais próximo

possível de 100%, porém permite um valor mínimo de 0,92% indutivo ou capacitivo. Se o

fator de potência estiver abaixo desse mínimo, a concessionária cobra na conta mensal a

energia reativa ou energia excedente.

4.2.6.1 Correção do fator de potencia

Quando se percebe que o fator de potência está abaixo de 0,92 é preciso corrigi-lo

de modo a evitar cobranças da concessionária. Para isso, o método mais utilizado é através

da instalação de capacitores, que são equipamentos elétricos capazes de anular a energia

reativa indutiva dos circuitos elétricos. Essa energia é substituída pela energia criada pelo

capacitor, chamada de energia reativa capacitiva. Há dois tipos de instalações de

46

capacitores: instalações com capacitores individuais ligados em cargas e instalações com

bancos de capacitores fixos ou automáticos, ligados na subestação de entrada de energia.

É importante ressaltar que a instalação com bancos de capacitores fixos ou

automáticos, apesar de apresentar um valor menor para instalação, corrige o fator de

potência da carga como um todo, não eliminando a alteração na qualidade da energia

provocada por equipamentos com baixo fator de potência. Recomenda-se a instalação de

capacitores individuais ligados em cargas, para que o baixo fator de potência por ela gerado

não tenha efeito nos demais equipamentos da instalação.

Também é importante evitar que os motores trabalhem em vazio, ou seja,

máquinas ligadas sem estar produzindo, assim como com grandes quantidades de motores

de baixa potência ou superdimensionados e evitar o uso de lâmpadas de descarga

fluorescente, vapor de mercúrio, vapor metálico que possuem reatores de baixo fator de

potência.

Pesquisa realizada pela WEG (www.weg.com.br) concluiu que se for feito um

trabalho de eficiência energética no parque nacional de motores elétricos industriais é

possível economizar mais energia que todas as PCHs (Pequenas Centrais Hidrelétricas) e

Termelétricas à Carvão juntas. É imprescindível que todo e qualquer empreendimento leve

em consideração as vantagens econômicas e ambientais da eficiência energética.

4.3 Eficiência energética em transformadores

Em geral, os transformadores são construídos para serem máquinas com elevada

eficiência, algo entre 96 e 99%. No entanto, eles não estão livres de perdas e se sabe que o

rendimento varia com o seu carregamento (PANESI, 2009).

Estima-se que cerca de 14% de toda a energia elétrica gerada no Brasil são

consideradas perdas (técnicas e comerciais) nos sistemas de transmissão e de distribuição

de energia elétrica. E 30% das perdas técnicas se devem às perdas nos núcleos dos

transformadores (PANESI, 2009).

Portanto, entender como se dão as perdas nos transformadores e meios de

determiná-las é um fator importante para melhorar a eficiência energética de uma PCH,

sobretudo pelo fato de um transformador ser um equipamento de longa vida útil. Uma

pequena perda pode significar ao longo de vários anos um grande prejuízo, justificando-se a

indicação de um equipamento mais eficiente.

47

Os seguintes aspectos contribuem para que os transformadores apresentem

valores baixos de perdas:

a) O transformador é uma máquina estática, ou seja, não tem partes rotativas, não

apresentando, portanto, perdas por atrito no eixo e por resistência do ar no

entreferro.

b) O núcleo é constituído por placas laminadas e dopadas de materiais de alta

resistência elétrica, as quais têm o objetivo de minimizar as perdas por

correntes parasitas.

c) Materiais com alta permeabilidade magnética são utilizados para diminuir as

perdas por histerese.

4.3.1 Perdas em Transformadores

O funcionamento dos transformadores é acompanhado de perdas, ou seja, parte

da potência absorvida é dissipada em forma de calor pelos enrolamentos primários e

secundários e pelo núcleo. Quando os transformadores estão operando sem carga ou com

um mínimo de carregamento, de acordo com a sua potência, diz-se que é acompanhado

das chamadas perdas em vazio (PICANÇO, 2009).

Operando sob carga, o transformador possui perdas concentradas nos seus

enrolamentos, denominadas perdas em carga. Tais perdas podem ser estimadas através de

ensaios de perdas em vazio e ensaios de perdas em curto-circuito.

a) Perdas Magnéticas: a transformação de tensão ocasiona perdas no núcleo

que podem ser analisadas com o transformador operando sem carga. Tal

operação é dita operação em vazio, onde se obtêm as perdas no núcleo. As

perdas em vazio são ocasionadas pela corrente de magnetização responsável

pelo estabelecimento do fluxo magnético. Neste caso, as perdas nos

enrolamentos são desprezíveis e, portanto, podem ser representadas pelas

perdas no núcleo que possuem duas componentes: perdas por histerese e

perdas Foulcalt. Esta última é também conhecida como perda por correntes

parasitas nas lâminas do núcleo.

48

A histerese é um fenômeno que descreve a energia consumida por um material

magnético, seu comportamento não-linear e sua natureza. Desta forma, a

histerese pode ser representada por uma curva de indução magnética, Bm,

versus intensidade de campo magnético, Hm. A área determinada por esta

curva indica a energia dissipada no núcleo em forma de calor durante um ciclo

de alimentação.

Figura 4.3.1 – Curva de Magnetização Inicial e Laço de Histerese.

Fonte: AVALIAÇÃO ECONÔMICA DE TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO COM BASE NO CARREGAMENTO E EFICIÊNCIA ENERGÉTICA

As perdas em vazio totais são o resultado da soma das componentes de

perdas por histerese e Foulcalt conforme Equação.

As perdas em vazio geralmente representam menos de 1% da potência

nominal do equipamento e têm pouca dependência da carga, mas na rede de

distribuição influenciam no custo da energia para as perdas capitalizadas

(PICANÇO, 2006).

Os parâmetros massa e densidade do material de que é constituído o núcleo

do transformador, assim como sua arquitetura exercem influência direta nas

perdas em vazio tanto por histerese quanto por Foulcalt. Portanto, apenas

aspectos construcionais podem intervir na redução dessas perdas

49

b) Perdas em Carga: as perdas em carga são caracterizadas pelas perdas nos

enrolamentos primário e secundário do transformador e pelas perdas por

dispersão. As perdas nos enrolamentos variam com o quadrado da corrente de

carga I2R, e as perdas por dispersão ocorrem nos enrolamentos e em outras

partes estruturais do transformador (PICANÇO, 2006).

As perdas I2R são devido à corrente eficaz de carga, considerando-se a

resistência em corrente contínua, tendendo a aumentar com a elevação da

temperatura.

As perdas por correntes parasitas nos enrolamentos são devidas à passagem

de corrente alternada nos condutores, tendo tal fenômeno sua origem no efeito

pelicular.

Devido a este fato, surgem correntes parasitas nos condutores devido à lei de

Lenz, que tendem a se opor ao fluxo criado. Este efeito ocorre devido ao fluxo

de dispersão criado nos próprios condutores, aumentando a resistência do

cobre e, portanto, aumentando as perdas por efeito Joule pela elevação de

temperatura no condutor (PICANÇO, 2009).

Estas perdas - devido às correntes parasitas nos condutores para um campo

magnético uniforme e perpendicular à largura do condutor - dependem da

largura do condutor, da densidade magnética máxima e da freqüência. Para

campos magnéticos não uniformes, tal como o fluxo de dispersão nos

condutores, o cálculo das perdas por correntes parasitas torna-se uma

aproximação, pois depende da forma como o fluxo magnético corta a superfície

do cobre. Portanto, o dimensionamento da largura do condutor torna-se

fundamental para a redução destas perdas.

As outras perdas por dispersão também são devidas ao fluxo de dispersão

criado pelo transformador, porém se concentram em quaisquer partes

estruturais que não sejam nos enrolamentos.

Portanto as perdas em carga de um transformador podem ser expressas

conforme.

50

Desta forma, as perdas sob carga são diretamente relacionadas com o

carregamento do transformador.

4.3.2 Rendimento

Para o entendimento dos padrões de eficiência de energia aplicada em

transformadores, é primeiramente introduzido o conceito teórico de eficiência ou rendimento

em transformadores.

A eficiência de um transformador está relacionada à magnitude das suas perdas de

energia. Vale ressaltar que, tais perdas possuem também conseqüências financeiras.

O transformador deve ser projetado de modo a se adequar aos padrões de perdas,

geralmente estabelecidos em normas.

Na realidade, não existe uma definição geral sobre transformadores de alta

eficiência. Cada norma e cada país utiliza uma definição diferente, considerando perdas,

custos ou transformadores produzidos em um determinado período. Dentro deste contexto,

têm-se duas linhas principais mais difundidas na definição de eficiência em transformadores,

a Européia e a Americana.

Os transformadores de distribuição são máquinas de alto rendimento com

eficiência em torno de 99%. No entanto, quando instalados em redes elétricas, sob vários

níveis de tensão de distribuição, o total das perdas nesta rede é relativamente alto

(PICANÇO, 2006).

51

Figura 4.3.3 – Circuito equivalente de um transformador Fonte: Notas de aula da disciplina Eficiência Energética

Onde:

Xl1 = reatância de dispersão do primário;

Xl2 = reatância de dispersão do secundário;

Rc = resistor fictício que representa as perdas no núcleo;

Xm = reatância de magnetização.

A eficiência de um transformador de distribuição pode ser definida como a relação

da potência de saída, Ps, pela potência de entrada, Pe conforme a equação.

O rendimento de um transformador pode ser definido por:

As perdas no transformador (Pperdas) incluem as perdas no núcleo (ferro): PC

(perdas por correntes parasitas e perdas por histerese) e as perdas no cobre: Pcu (perdas

ôhmicas), portanto:

52

4.3.2.1 Perdas no Cobre

As perdas no cobre podem ser determinadas se os parâmetros do transformador

forem conhecidos (corrente nos enrolamentos e resistência dos enrolamentos).

Onde:

Req,1 = resistência equivalente dos enrolamentos referida ao primário;

Req,2 = resistência equivalente dos enrolamentos referida ao secundário.

As perdas no cobre são, portanto, proporcionais ao quadrado da corrente de carga.

4.3.2.2 Perdas no Núcleo

As perdas no núcleo podem ser determinadas pelo teste em vazio, ou a partir dos

parâmetros do circuito equivalente.

As perdas no núcleo são, portanto, proporcionais ao quadrado da tensão aplicada.

4.3.2.3 Potência de Saída

A potência de saída do transformador pode ser obtida por:

Onde:

V2 = tensão na saída;

53

I2 = corrente na saída;

θ2 = defasagem angular entre os fasores V2 e I2.

Finalmente, a partir da obtenção dos valores de perdas no núcleo e no cobre, o

rendimento do transformador em estudo pode ser obtido, para qualquer condição de

operação por:

Considerando que a tensão na carga é mantida constante e que as perdas no

núcleo praticamente não variam com o carregamento, pode-se concluir que o rendimento

depende da corrente exigida pela carga (I2) e do fator de potência da carga (cosθ2)

Variação na corrente de carga (I 2)

Considerando a tensão na carga (V2) e o fator de potência (cosθ2) constantes, e

avaliando somente a variação da corrente de carga (I2), tem-se que o rendimento máximo

ocorre para:

Temos que:

Logo:

E, finalmente, isolando PC:

54

Do resultado acima, pode-se concluir que o rendimento máximo ocorre quando as

perdas no núcleo se igualam às perdas no cobre.

Variação no fator de potência (cos θ2)

Considerando agora somente a variação do ângulo θ2, tem-se que o rendimento

máximo ocorre para:

Simplificando a expressão anterior, temos que:

Para que essa equação seja válida:

Ou

Portanto, o rendimento máximo ocorre para quando o fator de potência da carga

(cosθ2) é unitário.

Usualmente, emprega-se um gráfico que representa a variação do rendimento com

a corrente de carga e o fator de potência da carga.

55

Figura 4.3.3.1– Gráfico da variação do rendimento com a corrente de carga e o fator de potência.


O transformador pode ser projetado para apresentar rendimento máximo para

corrente no secundário (I2) próxima da nominal.

De posse dessas informações o projetista pode determinar qual o transformador

que melhor atende as necessidades da carga especificada.

4.3.3 Fator de Potência

Caso o sistema elétrico da instalação possua um baixo fator de potência além de

ocasionar maiores perdas por efeito Joule devido à circulação da potência reativa,

aquecimento dos cabos e fatura de energia elétrica mais cara ocorrerá a redução do

aproveitamento das capacidades dos transformadores, tornando necessária a instalação de

bancos de capacitores a fim de corrigi-lo.

4.3.4 Harmônicos

A influência dos harmônicos nas perdas sob carga depende do carregamento do

transformador. Isto porque o efeito do aumento da corrente de carga devido às

componentes harmônicas faz com que a parcela I2R sofra um acréscimo.

56

Aproximadamente 5% das perdas em carga estão relacionadas com as correntes

parasitas. As perdas por corrente parasita variam com o quadrado da freqüência, e as

harmônicas a ela relacionadas tendem a aumentar tais perdas (PICANÇO, 2006).

O Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial –

INMETRO (www.inmetro.org.br) estuda a possibilidade de incluir no programa de

etiquetagem, as normas para que a indústria obtenha a etiqueta que indica o grau de

consumo de energia dos transformadores instalados nas redes brasileiras de distribuição de

energia elétrica. A etiqueta é semelhante às aplicadas em geladeiras, aparelhos de ar

condicionado e outros equipamentos elétricos, e foi criada por um grupo de 21 indústrias do

setor, para que as empresas combatam o desperdício de energia e aumentem a qualidade e

a eficiência dos equipamentos. Dessa forma, a regulamentação da Lei 10.295/2001, que

prevê padrões mínimos de eficiência energética para os aparelhos elétricos usados no

Brasil, apresenta-se como mais uma ferramenta para a aquisição de equipamentos mais

eficientes.

4.4 Eficiência energética em refrigeração

Com a necessidade de refrigeração do gerador, dos mancais, eventualmente dos

transformadores, além das salas controle e escritórios, um projeto eficiente de refrigeração

se faz necessário em uma pequena central hidrelétrica.

4.4.1 Princípio Básico

O fluxo de calor sempre ocorre da fonte quente para a fonte fria, logo quanto maior

a diferença de temperatura entre as fontes, maior será o fluxo de calor. Assim, é de grande

importância que esse transporte de calor se dê de modo eficiente, com um mínimo de

perdas.

Para uma substância passar do estado líquido para o gasoso é necessário que lhe

seja fornecido calor durante um certo período, até que se atinja a temperatura de

evaporação da mesma. Portanto, ao evaporar, a substância “retira” calor de um ambiente ou

de um corpo. Para conseguir essa diferença de temperatura utilizam-se substâncias que

evaporem a baixas temperaturas (VIEIRA JR, 2010).

57

O processo de refrigeração, em que o calor é transferido de um ambiente para

outro, se dá obedecendo a um ciclo termodinâmico. Em se tratando de refrigeração, os

principais ciclos termodinâmicos são: ciclo de refrigeração padrão por compressão, ciclo de

refrigeração por absorção e ciclo de refrigeração por magnetismo.

Será abordado apenas o ciclo de refrigeração padrão por compressão, mas antes

de explicar suas características, algumas definições importantes são necessárias.

4.4.2 Agentes refrigerantes ou simplesmente Refrige rantes

Em qualquer processo de refrigeração a substância empregada como absorvente

de calor ou agente de esfriamento é chamada de refrigerante. Os primeiros refrigerantes

que inovaram completamente o campo da refrigeração pelo simples fato de atingir um ponto

de ebulição extremamente baixo e de não ser tóxica e inflamável foram a família CFC:

CFC 12 (diclorodifluormetano) – ebulição a -29,8º C (nível do mar)

CFC 22 (monoclorodifluormetano) – ebulição a -40,8º C (nível do mar)

Com a substituição progressiva dos fluidos da família CFC, devido à constatação

de ser considerado um gás estufa que agride a camada de ozônio da atmosfera, estão

sendo aplicados os seguintes tipos de substâncias:

HCFC – clorofluorcarbonos parcialmente halogenados

HCF – fluorcarbonos parcialmente halogenados

HC – hidrocarbonetos não halogenados

4.4.3 Definições

a) Temperatura de saturação : é a temperatura na qual se dá a vaporização de

uma substância pura a uma dada pressão: pressão de saturação (VIEIRA JR,

2010).

b) Líquido saturado : quando uma substancia encontra-se em estado líquido à

temperatura e pressão de saturação.

58

c) Líquido sub-resfriado (líquido comprimido) : quando a temperatura do

líquido é menor que a temperatura de saturação para a pressão existente.

d) Vapor saturado (vapor saturado seco) : quando uma substância se encontra

completamente como vapor na temperatura de saturação.

e) Vapor superaquecido : quando o vapor está a uma temperatura maior do que

a temperatura de saturação.

f) Energia interna (u) : é a energia possuída pela matéria devido ao movimento

e/ou forças intermoleculares. É decomposta em duas partes: Energia cinética –

devida à velocidade das moléculas; Energia potencial – devida às forças de

atração existente entre as moléculas.

g) Entalpia (h) : grandeza física que busca medir a energia em um sistema

termodinâmico que está disponível na forma de calor, isso a pressão constante.

Onde:

u = energia interna;

P = a pressão;

V = o volume.

h) Entropia (s) : é uma medida do grau de desordem molecular de um sistema

termodinâmico. Exemplo de aumento de entropia: gelo derretendo.

i) Título (x) : é a relação entre a massa de vapor e a massa total (líquido+vapor).

4.4.4 Primeira Lei da Termodinâmica (Lei da Conserv ação da Energia)

A energia total transferida para um sistema é igual à variação da sua energia

interna (VIEIRA JR, 2010).

59

4.4.5 Segunda Lei da Termodinâmica

“A quantidade de entropia de qualquer sistema isolado termodinamicamente, que

ainda não atingiu o equilíbrio, tende a incrementar-se com o tempo, até alcançar um valor

máximo”. Mais sensivelmente, quando uma parte de um sistema fechado interage com outra

parte, a energia tende a dividir-se por igual, até que o sistema alcance um equilíbrio térmico

(VIEIRA JR, 2010).

4.4.6 Ciclo de Refrigeração por Compressão

É o ciclo termodinâmico dos refrigeradores e aparelhos de ar condicionado.

Principais componentes: Compressor, Condensador, Dispositivo de Expansão e

Evaporador. Figura 4.4.6.1.

1 – 2 - O líquido saturado passa pelo dispositivo de expansão, sendo submetido a

uma queda de pressão brusca e então passa a ter dois estados: líquido e gasoso.

A temperatura cai ao valor da temperatura de evaporação do refrigerante.

2 – 3 - O refrigerante entra no evaporador e se vaporiza, absorvendo o calor do

ambiente a ser refrigerado.

3 – 4 - O vapor é succionado pelo compressor, que aumenta sua pressão e

temperatura.

4 – 1 - O refrigerante segue diretamente ao condensador, onde o calor retirado do

ambiente a ser refrigerado é rejeitado para as vizinhanças, causando sua mudança

de estado de vapor para líquido.

60

Figura 4.1.1 - Ciclo de Refrigeração por Compressão.


4.4.6.1 Grandezas envolvidas no ciclo de refrigeraç ão

a) Trabalho do compressor (WC)

b) Calor adicionado no evaporador (Q entra ) (capacidade frigorífica)

c) Calor rejeitado no condensador (Q sai)

d) Válvula de expansão : h2 = h1

e) Coeficiente de desempenho (COP)

Onde:

h = massa específica do fluido (kJ/kg);

m = vazão em massa do fluido (kg/s).

61

4.4.6.2 Perdas no ciclo termodinâmico

a) Perdas por quedas de pressão causadas pelo atrito da passagem do

refrigerante pelo sistema;

b) Perdas por superaquecimento do vapor na sucção para evitar a entrada de

líquido no compressor;

c) Perdas por sub-resfriamento do líquido na saída do condensador, criando um

novo estado representado por h1’.

No processo de compressão ocorrem perdas de energia no compressor e o mesmo

perde uma pequena quantidade de calor ao meio ambiente. O processo real deixa de ser

isoentrópico. Este efeito é observado considerando o rendimento do conversor por meio da

seguinte expressão:

O novo valor de entalpia h4’ corresponde ao ciclo real.

4.4.7 Parâmetros que Influenciam o COP

a) Influência da temperatura de vaporização no cicl o teórico: no geral, a cada

1º C de aumento na temperatura de evaporação, reduz-se o consumo de

energia entre 2 e 4%;

62

Figura 4.4.7.1 - Influência da temperatura de vaporização no ciclo teórico.


b) Influência da temperatura de condensação no cicl o teórico: no geral, a

cada 1º C de redução na temperatura de condensação, reduz-se o consumo de

energia entre 1,5 e 3%;

Figura 4.4.7.2 - Influência da temperatura de condensação no ciclo teórico.


63

c) Influência do sub-resfriamento do líquido no cic lo teórico: a redução na

temperatura de sub-resfriamento ocasiona o aumento no COP. Lembrando

que: Qentra = m.(h3 – h2) e COP = Qentra / WC

Figura 4.4.7.3 - Influência do sub-resfriamento do líquido no ciclo teórico.


d) Influência do superaquecimento do líquido no cic lo teórico:

depende do tipo do refrigerante. Pode tanto aumentar quanto reduzir o

COP.

Figura 4.4.7.4 - Influência do superaquecimento do líquido no ciclo teórico


64

4.4.8 Sistemas de Ar Condicionado

Em pequenas instalações como residências, escritórios, lojas etc. os parelhos

utilizados são janelas, mini split, self. Aqui se utiliza o próprio refrigerante como meio de

extração de calor.

Geralmente para grandes instalações como hospitais, shopping centers,

hipermercados, etc. os aparelhos utilizados são chillers, torres de resfriamento, bancos de

gelo. Nesse caso, utiliza-se geralmente a água como fluido na retirada de calor do ambiente

4.4.8.1 Aparelhos de ar condicionado tipo janela

Equipamentos compactos autocontidos que reúnem, numa única caixa ou unidade,

todas as funções requeridas para o funcionamento do ar condicionado. A totalidade do ciclo

de refrigeração é realizada no interior da caixa do equipamento.

Figura 4.4.8.1.1 - Aparelhos de ar condicionado tipo janela.


65

4.4.8.2 Sistema Split

Os equipamentos split (separado) diferenciam-se dos sistemas compactos por

estarem divididos em duas unidades ou caixas separadas, uma situada no exterior e outra

no interior do local a climatizar. Esta separação tem como objetivo dividir as fases do ciclo

de refrigeração, ficando a fase de evaporação no interior e a fase de condensação no

exterior. Ambas as unidades estão unidas entre si, através de tubos por onde circula o

refrigerante.

Além do fato de que o lado frio e o lado quente estão separados e a capacidade é

maior (em função dos trocadores de calor e compressores serem maiores), não existe

diferença entre um sistema do tipo split e um ar condicionado tipo janela.

Figura 4.4.8.2.1 - Aparelhos de ar condicionado sistema split.


4.4.9 Redução do Consumo de Energia Elétrica

4.4.9.1 Ajustes do Controle do Ar Externo

Em sistemas de ar condicionado em que é admitido ar externo para renovação,

cargas excessivas de ar exterior levam a elevado consumo, uma vez que será gasta uma

quantidade extra de energia elétrica para resfriar tal excesso.

66

Deve-se avaliar criteriosamente a quantidade de ar requerido, realizar medidas da

vazão real do ar e dimensionar corretamente a carga térmica.

Usualmente válvulas de controle são utilizadas para controlar a vazão do ar, mas

na ausência destas, o controle deve ser feito manualmente.

4.4.9.2 Iluminação

Por mais eficientes que sejam, as lâmpadas provocam o aumento da carga

térmica, conseqüentemente maior consumo para o sistema de refrigeração. Logo,

recomenda-se que o uso das lâmpadas seja feito de forma racional.

4.4.9.3 Limpeza de Filtros, Condensador e Evaporad or

Filtros obstruídos acarretam aumento no consumo de energia elétrica, pois o motor

do ventilador é forçado a trabalhar contra um aumento de pressão. Neste caso, pode-se

estimar o excesso de energia pela seguinte expressão:

Onde:

N = potência, em cv;

Q = vazão em m3/s;

PT = pressão total, em mmca (milímetro de coluna d’água).

A presença de sujeira prejudica a eficiência dos trocadores de calor, portanto

ocorre um aumento do consumo de energia elétrica.

4.4.9.4 Nível inadequado da temperatura

Quando as temperaturas medidas em uma câmara frigorífica ou em um ambiente

condicionado estiverem abaixo dos valores recomendados, haverá um consumo

67

desnecessário de energia elétrica. Isso pode ser corrigido regulando o termostato

adequadamente.

4.4.9.5 Incidência direta dos raios solares e/ou i solamento

ineficiente

Proteger o ambiente a ser refrigerado da incidência direta de raios solares para

evitar o aumento do consumo da carga térmica. Evitar abrir portas e janelas além do

necessário, pois o ar externo aumentará a carga térmica.

68

5 Conclusão

A construção de PCH's ganha força no cenário brasileiro, principalmente por

causarem menores impactos ambientais e apresentarem tempo de construção mais rápido.

Da mesma forma os aspectos tecnológicos avançam em velocidade elevada a cada dia e

devem ser considerados na prospecção do empreendimento, demandando revisões de

critérios de projetos em função destas mudanças.

É preciso utilizar critérios adequados e coerentes para a definição da filosofia do

sistema de serviço auxiliar elétrico de uma usina, pois, no caso de escolha inadequada,

pode-se elevar os custos do empreendimento, inviabilizando o mesmo. Também deve-se

tomar cuidado para não adotar uma filosofia pobre que comprometa a confiabilidade da

usina. Tais critérios são referenciados em diretrizes da Eletrobrás, que foram elaboradas

com base na legislação vigente e normas técnicas, e devem ser de conhecimento de todos

os profissionais envolvidos nas fases de viabilidade e implantação destas usinas.

Alguns critérios de projeto alinhados com otimizações são orientados pela própria

Eletrobrás por meio das diretrizes para elaboração de projeto básico e de estudo de

viabilidade. É de suma importância considerar estas otimizações ainda na fase de estudo de

viabilidade, para que o empreendimento, como um todo, produza os resultados esperados,

tanto do ponto de vista econômico, como social e ambiental, deve-se atentar para seguir

essas orientações da Eletrobrás e usufruir do empreendimento ao longo de toda sua vida

útil.

Observa-se ainda o emprego de critérios de projetos antigos, que devem ser

revisados considerando as evoluções tecnológicas ocorridas nos últimos tempos, e que tais

critérios demandarão revisões permanentes em função do rápido avanço tecnológico. Uma

política de retrofit em empreendimentos antigos irá oferecer uma sobrevida ao

empreendimento, possibilitando prolongar seu tempo de uso.

Os serviços auxiliares devem ser concebidos para se obter uma solução adequada,

compatível com o grau de confiabilidade necessária à operação da usina sob os aspectos

de continuidade de serviço e segurança da usina, de pessoal, de terceiros e do sistema

elétrico de tal forma que eles possam realizar as tarefas aos quais são requeridos, mas não

desgastar o sistema elétrico no processo.

Observa-se que os serviços auxiliares elétricos representam um custo de 3% a 5%

em relação ao desembolso total do empreendimento, dependendo de suas características.

Demonstrando, dessa forma, que um incremento no valor a ser gasto em serviços auxiliares

decorrente de equipamentos com eficiência energética superior aos convencionais não

69

representa um aumento significativo no valor total do empreendimento. Porém significará

uma redução permanente no custo de manutenção e operação da usina.

Com a elevada vida útil de uma PCH, a diminuição do custo de manutenção e de

operação compensará o acréscimo no investimento inicial. Vale ressaltar que a filosofia de

eficiência energética não deve ser especificamente na implantação do projeto, mas ao longo

de todo seu tempo operacional para que essas vantagens sejam garantidas.

Não se pode deixar de ressaltar a economia ambiental resultante de uma melhor

gestão energética durante a própria geração de uma PCH, uma vez que a própria

concepção de uma pequena central hidrelétrica visa a geração de energia de forma a

agredir menos o meio ambiente, é de suma importância evidenciar o quão significativa

ambientalmente tal economia representa.

Em todo o mundo, e em particular no Brasil, projetos de eficiência energética são

implantados com excelentes resultados. O Hospital de Clínicas da UNICAMP implantou

projeto de eficiência energética de iluminação que teve como objetivo o re-projeto e a

instalação de luminárias, reatores e lâmpadas fluorescentes eficientes no seu segundo

andar. A filosofia do trabalho baseou-se na manutenção das iluminâncias dos locais dentro

dos níveis aceitáveis prescritos na norma NBR 5413 da ABNT. Além da economia real de

energia elétrica, obtida através de medições de consumo (kW) nos vários alimentadores do

andar, antes e depois das alterações, que era o objetivo principal do projeto, foram

avaliadas também, a qualidade da energia entregue nos pontos de consumo bem como o

nível de satisfação dos usuários do novo sistema de iluminação implantado.

A economia obtida com os equipamentos instalados foi de 60,93%, valor muito

maior do que o previsto inicialmente que era de 33,8%. A economia medida adotada para o

cálculo econômico final foi de 45%.

Os resultados do projeto foram excelentes porque se conseguiu manter o orçamento

previsto e obteve-se uma economia de energia superior à prevista. O retorno estimado do

projeto que era de 39 meses foi reduzido para 18 meses.

Outras melhorias importantes provocadas pelo projeto no que dizem respeito à qualidade de

energia foram o fator de potência nos circuitos medidos e o nível de distorção harmônica

total (THD) dos alimentadores dos quadros de carga. O nível de iluminância teve uma

melhora média de 20 a 35%, apesar da economia de energia realizada

(www.fem.unicamp.br).

As soluções de engenharia propostas não podem prejudicar a confiabilidade do

empreendimento nos aspectos legais, técnicos e de segurança. Porém, devem reduzir, ao

máximo, o consumo próprio de energia de maneira a não comprometer financeiramente ao

longo do processo de operação da PCH.

70

6 Bibliografia

MIRANDA, Roberto Lobo. Regulação Técnica para se Obter Melhor Eficiência n a

Motorização de Pequenas Centrais Hidrelétricas no B rasil – Dissertação de Mestrado

em Regulação da Indústria de Energia – Universidade de Salvador – Salvador, 2009.

PANESI, André R. Quinteros. Fundamentos de Eficiência Energética - Editora Ensino

Profissional – São Paulo, 2006.

SCHREIDER, Gerhard Paul. Usinas Hidrelétricas . Editora Edgar Blucher Ltda. – São Paulo

1978.

PICANÇO, Alessandra Freitas. Dissertação de Mestrado: AVALIAÇÃO ECONÔMICA DE

TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO COM BASE NO CARREGA MENTO E

EFICIÊNCIA ENERGÉTICA – Universidade Federal de Itajubá – 2006.

VIEIRA JR, José Carlos de Melo. Notas de aula da disciplina: Eficiência Energética –

Universidade de São Paulo – Escola de Engenharia de São Carlos – 2010.

AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA <www.aneel.gov.br> Acesso 25.09.2010.

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AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA <www.aneel.gov.br> Acesso 25.09.2010.

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CANÇADO, Álvaro Batista et al - Confiabilidade e economia em sistemas de serviços

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ELETROBRAS <www.eletrobras.com> Acesso em 01.10.2010. DIRETRIZES PARA

PROJETOS DE PCH

RECEITA FEDERAL DO BRASIL <www.receita.fazenda.gov.br> Acesso 25.09.2010. REIDI

71

CATÁLOGO WEG <www.weg.com.br> Acesso 27.09.2010

UNICAMP www.fem.unicamp.br Acesso 30.10.2010

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