UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AGRIacuteCOLA E MEIO AMBIENTE PROJETO FINAL EM ENGENHARIA AGRIacuteCOLA E AMBIENTAL (TER00126)
LIZA FREITAS SILVA
ANAacuteLISE DAS CONDICIONANTES PARA O DESENVOLVIMENTO DE UMA TURBINA LOW HEAD NO BRASIL
NITEROacuteI - RJ 2016
II
Ficha Catalograacutefica elaborada pela Biblioteca da Escola de Engenharia e Instituto de Computaccedilatildeo da UFF
S586 Silva Liza Freitas Anaacutelise das condicionantes para o desenvolvimento de uma turbina low head no Brasil Liza Freitas Silva ndash Niteroacutei RJ [sn] 2016 58 f Trabalho (Conclusatildeo de Curso) ndash Departamento de Engenharia Agriacutecola Universidade Federal Fluminense 2016 Orientador Marcos Alexandre Teixeira 1 Turbina 2 Energia hidreleacutetrica I Tiacutetulo CDD 62124
III
LIZA FREITAS SILVA
ANAacuteLISE DAS CONDICIONANTES PARA O DESENVOLVIMENTO DE UMA TURBINA LOW HEAD NO BRASIL
Monografia de graduaccedilatildeo apresentada ao Curso Eng Agriacutecola e Ambiental da Universidade Federal Fluminense como requisito parcial para a obtenccedilatildeo do grau de Engenheiro Agriacutecola e Ambiental
Orientador Marcos Alexandre Teixeira Prof
NITEROacuteI - RJ 2016
IV
V
DEDICATOacuteRIA
Dedico esta dissertaccedilatildeo aos meus pais Marco e Marilene que sempre apoiaram
e incentivaram a minha vida acadecircmica
VI
AGRADECIMENTOS
Primeiramente a Deus por guiar meus passos e acreditar que sempre existe uma
forccedila a maior que nos faz caminhar no caminho destinado
Aos meus pais por me darem sempre apoio incondicional e incentivo em diversos
momentos para que tenha-se tornado possiacutevel meu objetivo Aos amigos pela confianccedila que sempre depositaram em minhas qualidades e
que ajudaram esta jornada ser mais leve
Ao professor Marcos Alexandre Teixeira pelo constante incentivo paciecircncia e
orientaccedilatildeo em todos os ensinamentos principalmente aqueles que se aprendem
sem serem ensinados
A Universidade Federal Fluminense por dispor de professores com alto conteuacutedo acadecircmico e eacutetica profissional
E todas as pessoas que direta e indiretamente auxiliaram na realizaccedilatildeo deste
trabalho
VII
Determinaccedilatildeo coragem e autoconfianccedila satildeo fatores
decisivos para o sucesso Se estamos possuiacutedos por
uma inabalaacutevel determinaccedilatildeo conseguiremos superaacute-
los Independentemente das circunstacircncias devemos
ser sempre humildes recatados e despidos de
orgulho
- Dalai Lama
VIII
RESUMO
A presente dissertaccedilatildeo aborda a viabilidade de implantaccedilatildeo de uma turbina Low Head no Brasil (Turbinas de Pequena Queda) na qual eacute uma turbina que
opera com pequenas quedas drsquoaacutegua (de 05 a 2 m) e natildeo necessita de
reservatoacuterio (represamento) Uma tecnologia especialmente aplicaacutevel para populaccedilotildees rurais do interior ou ribeirinhas que ainda natildeo estatildeo proacuteximas do
Sistema Nacional Interligado para fornecimento de energia eleacutetrica podendo
entatildeo utilizar desta tecnologia para melhorar suas condiccedilotildees de vida Com os
valores de vazatildeo entre 0024 ଷs e 0061 ଷs e queda drsquoaacutegua de 1 a 2 metros eacute
possiacutevel a instalaccedilatildeo deste equipamento na faixa de 100 a 500 W O estudo encontrou fabricantes brasileiros que possuem peccedilas e equipamentos que tecircm o
potencial que atendem agrave demanda de projeto de uma Low Head e que poderiam
ser incorporados para um possiacutevel desenvolvimento desta tecnologia no Brasil
neste caso em especial geradores de eletricidade derivados de turbina eoacutelicas de
pequeno porte e heacutelices de motor de popa (de 9 a 10 pol de diacircmetro)
PALAVRAS ndash CHAVE Turbina de pequena queda Energia Hidreleacutetrica
Viabilidade teacutecnica
IX
ABSTRACT
This viability to develop the concept of a so called Low Head Turbine in Brazil is
discussed that is a turbine that requires small head (0 5 to 2 m) and do not need
a dam for flow regulation Which have been considered a sustainable technology
for remote rural areas far away from the National Grid and this technology have
the potential to improve their livelihood conditions Flow values from 0024 ଷs to
0061 ଷs and heads between 1 and 2 meters is possible to install such
equipment on power from 100 up to 500 W The study found that Brazilian
manufacturers have pieces and equipment that could be incorporated within the design of a Low Head Turbine in this case electrical generators from small
windmills and propellers for outboard motor (from 9 to 10 inches diameter)
KEY WORDS Low Head Turbine Hydropower Energy technical viability
X
LISTA DE ILUSTRACcedilOtildeES
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE
2013)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina
de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52) Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado (PANISH 2002)
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA
NAUTICA 2013)
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante
EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1)
Figura 11 Motor YAMAHA 15 GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelog Yamaha 15GMHS 2015 p
27)
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine que atendem as demandas de
projeto (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26)
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso
14042016)
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016) Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa
ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
XI
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa
ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
XII
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Analise de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse
(PANISH 2002)
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
XIII
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AIE IEA - Agecircncia Internacional de Energia (International Energy Agency)
MME - Ministeacuterio de Minas e Energia
SIPOT - Potencial Hidreleacutetrico Brasileiro
BFT - Bomba Centrifuga Funcionando como turbina
CONMETRO - Conselho Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade
Industrial
IEV - Vocabulaacuterio Eletroteacutecnico Internacional EPE - Empresa de Pesquisa Energeacutetica
UHEs - Usinas Hidreleacutetricas
PNE - Plano Decenal de Expansatildeo de Energia
ANEEL - Agencia Nacional De Energia Eleacutetrica
ELETROBRAS - Centrais Eleacutetricas Brasileiras SA
ABNT- Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas
ISSO - International Organization for Standardization
IEC - International Electrotechnical Commission
NBR - Normas Teacutecnicas Brasileiras LHT ndash Low Head turbine
UFF ndash Universidade Federal Fluminense Cobei - Comitecirc Brasileiro de Eletricidade Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e
Telecomunicaccedilotildees
CB-03 - Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
CA - Corrente Alternada
CC - Corrente Contiacutenua
DNAEE - Departamento Nacional de Aacuteguas e Energia Eleacutetrica
XIV
LISTA DE EQUACcedilOtildeES
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
LISTA DE SIacuteMBOLOS
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
XV
SUMAacuteRIO 1 INTRODUCcedilAtildeO 1 2 OBJETIVO 3 3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA 4
31 Energia Hidreleacutetrica 4 32 Turbinas 5
321 Retrospectiva 5 322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas 6 323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines 8 324 Classificaccedilatildeo das Turbinas 9
3241 De Impulso 9 3242 De Reaccedilatildeo 11
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo 13 33 Geradores 15
4 MATERIAL E MEacuteTODO 17 41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 17 42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis 17 43 Elementos constituintes preferenciais 18 44 Analise de rendimento e funcionalidade 19 45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 20
5 RESULTADOS 21 51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 21 52 Normas aplicaacuteveis 23
521 Normas de Maior Relevacircncia 26 53 Elementos constituintes preferenciais 28
531 Heacutelice ou Propeller 28 5311 Fornecedores 30
532 Gerador 33 54 Analise de rendimento e funcionalidade 38 55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 40
6 DISCUSSOtildeES 42 7 CONCLUSAtildeO 44 8 BIBLIOGRAFIA 46 9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016 53
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
A eletricidade se tornou a principal fonte de luz calor e forccedila utilizada no mundo
moderno Atividades cotidianas como assistir agrave televisatildeo ou navegar na internet satildeo
possiacuteveis porque a energia eleacutetrica chega ateacute a sua casa Shoppings supermercados
e fabricas por exemplo precisam dela para funcionar Grande parte dos avanccedilos
tecnoloacutegicos alcanccedilados se deve agrave energia eleacutetrica
Ao contraacuterio de outras fontes de energia eleacutetrica a energia hidraacuteulica jaacute possui uma
presenccedila relevante na matriz energeacutetica mundial e aleacutem de possuir tecnologias
consolidadas sendo a segunda maior fonte de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no
mundo com uma participaccedilatildeo de aproximadamente 18 (Atlas Energia Eleacutetrica no
Brasil ANEEL 2002 p25)
Em termos absolutos os cinco maiores produtores de energia hidreleacutetrica no mundo
satildeo China Canadaacute Brasil Estados Unidos e Ruacutessia Em 2001 esses paiacuteses foram
responsaacuteveis por quase 50 de toda a produccedilatildeo mundial de energia hidreleacutetrica
(AIE 2008)
Especificamente o Brasil deteacutem aproximadamente 12 da aacutegua doce superficial do
planeta e condiccedilotildees adequadas para exploraccedilatildeo Com um potencial hidreleacutetrico de
260 GW segundo o Plano 2015 da Eletrobraacutes - segundo uacuteltimo inventaacuterio produzido
no paiacutes em 1992 ndash ainda existe um grande espaccedilo para crescer entretanto as
usinas hidreleacutetricas causam grande impacto ambiental devido agrave aacuterea alagada represada pela barragem causando tambeacutem a perda de solos agricultaacuteveis
florestas fauna e a retirada de populaccedilotildees ribeirinhas
De acordo com a Agecircncia Internacional de Energia (AIE) cerca de 13 bilhatildeo de
pessoas 18 da populaccedilatildeo mundial ainda natildeo tecircm acesso agrave eletricidade Este
nuacutemero poderaacute dobrar no futuro a natildeo ser que se tenha uma soluccedilatildeo eficaz e que seja adaptaacutevel particularmente para paiacuteses perifeacutericos Soluccedilotildees como a Low Head
Turbine (Turbinas de Pequena Queda) estatildeo tornando-se uma perspectiva atraente
2
para satisfazer as necessidades baacutesicas de eletricidade de comunidades remotas
(LAHIMER 2012 p 5862)
Este meacutetodo de produccedilatildeo de energia eleacutetrica jaacute presente em alguns lugares do mundo poreacutem ainda natildeo implantado no Brasil O conceito de Low Head Turbine jaacute eacute
utilizado em paiacuteses como Camarotildees China Colocircmbia Filipinas Indoneacutesia Nepal
Sri Lanka e Vietnatilde (LAHIMER 2012) Um sistema de geraccedilatildeo de energia que natildeo
necessita grandes quedas d`aacuteguas nem intervenccedilotildees draacutesticas aleacutem de ter um custo
acessiacutevel
Aleacutem disso a produccedilatildeo de energia eleacutetrica em pequena escala eacute uma das
tecnologias de energia mais rentaacuteveis a ser considerado para a eletrificaccedilatildeo rural
nos paiacuteses menos desenvolvidos Eacute tambeacutem uma tecnologia chave para regiotildees que
jaacute possuem domiacutenio da produccedilatildeo de energia hidreleacutetrica poreacutem natildeo possuem mais espaccedilo geograacutefico para implantar uma hidreleacutetrica de grande porte ou os locais de
possiacutevel alocaccedilatildeo satildeo inviaacuteveis ambientalmente (PAISH 2002 p537) Provando ser
uma boa opccedilatildeo para distintas utilizaccedilotildees
Neste sentido se pergunta por que esta tecnologia ainda natildeo estaacute presente no
Brasil e se esta viesse a ser desenvolvida quais seriam as condicionantes para o seu projeto e ou fabricaccedilatildeo
Entende-se que um equipamento nacional deveraacute atender agraves normas teacutecnicas
brasileiras assim como deveraacute ndash tanto quanto possiacutevel ndash fazer uso de peccedilas e
equipamentos jaacute disponiacuteveis no mercado brasileiro numa oacutetica de reduccedilatildeo de custos
e busca de parcerias para a sua disseminaccedilatildeo
Este vem a ser o foco do presente trabalho o levantamento destas condicionantes para o projeto e desenvolvimento destas Turbinas de Pequena Queda ou Low Head
Turbine no Brasil
3
2 OBJETIVO
Com base em um projeto tiacutepico de turbina de impulso para baixo valor de queda drsquoaacutegua - Low Head Turbine (Turbina de Pequena Queda) - avaliar quais as normas
brasileiras aplicaacuteveis e qual o melhor entendimento destas para a adequaccedilatildeo dos
padrotildees internacionais para a realidade brasileira assim como identificar elementos
que poderiam ser norteadores no projeto deste tipo de equipamento no Brasil
Para que este objetivo seja atingido eacute necessaacuterio materializar objetivos parciais
1 Identificar as Normas Brasileiras aplicaacuteveis
2 Definir os elementos constituintes do sistema e sua disponibilidade no
mercado brasileiro
3 Com base em uma localizaccedilatildeo tiacutepica analisar seu rendimento e
funcionalidade
4 Finalizar avaliando a viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head
Turbine no Brasil
4
3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
31 Energia Hidreleacutetrica No Brasil a utilizaccedilatildeo de energia hidreleacutetrica no Brasil teve iniacutecio em 1883 com a
instalaccedilatildeo da usina de Ribeiratildeo do Inferno em Diamantina (MG) Jaacute em 1889 entrou
em operaccedilatildeo a usina de Marmelos Zero ndash instalada no rio Paraibuna a 7 km de Juiz
de Fora (MG) ndash foi a primeira com a finalidade de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para o
uso puacuteblico com 250 kW de potecircncia instalada (CACHAPUZ 2006 p15)
A primeira hidreleacutetrica de maior porte comeccedilou a ser construiacuteda no Nordeste (Paulo
Afonso I com potecircncia de 180 MW) pela Companhia Hidreleacutetrica do Satildeo Francisco
(estatal constituiacuteda em 1948) As demais erguidas ao longo dos 60 anos seguintes
concentraram-se nas regiotildees Sul Sudeste e Nordeste (com o aproveitamento
integral do rio Satildeo Francisco) No Norte foram construiacutedas Tucuruiacute no Paraacute e Balbina no Amazonas Nos anos 90 a Usina Serra da Mesa (GO) no rio Tocantins
(Atlas Energia Eleacutetrica no Brasil ANEEL 2008 p57) Todas as construiacutedas ateacute o
momento possuindo capacidade eleacutetrica entre 3984 MW a 8370 MW de acordo
com dados fornecidos pelo Governo Federal Brasileiro
Pacheco (2013 apud TUNDISI 2005) constatou que potencial hidreleacutetrico brasileiro
eacute estimado em cerca de 260 GW dos quais 405 estatildeo localizados na Bacia
Hidrograacutefica do Amazonas a Bacia do Paranaacute responde por 23 a do Tocantins
por 106 e a do Satildeo Francisco por 10 Apenas 63 do potencial foi inventariado
e a Regiatildeo Norte tem um grande potencial ainda por explorar
O estudo sobre energia hidreleacutetrica constante do Plano Nacional de Energia 2030
(PNE) realizado pela Empresa de Pesquisa Energeacutetica (EPE) e o Ministeacuterio de
Minas e Energia (MME) em 2007 relacionou o potencial de aproveitamento ainda
existente em cada uma das bacias hidrograacuteficas do paiacutes A bacia do rio Amazonas eacute
a maior com um potencial de 106000 MW superior agrave potecircncia jaacute instalada no
Brasil em 2008 de 102000 MW A bacia do TocantinsAraguaia possui potencial de 28000 MW dos quais quase 12200 MW jaacute estatildeo aproveitados pelas usinas
5
hidreleacutetricas (UHEs) e o potencial a ser aproveitado 90 poreacutem sofrem alguma
restriccedilatildeo ambiental (EPE 2013)
Outra bacia importante eacute a Tapajoacutes Em 2008 a Aneel estudava viabilidade de trecircs
aproveitamentos no rio Teles Pires Em 2013 o potencial hidraacuteulico do Brasil foi
avaliado como tendo somente 26 de sua totalidade utilizado como indicado na Figura 1 colocando o Brasil como 8ordm paiacutes em termos de menor aproveitamento de
seu potencial hidroeleacutetrico
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE 2013)
32 Turbinas
321 Retrospectiva Desde antes de Cristo os mesopotacircmicos e egiacutepcios jaacute utilizavam as maacutequinas
motrizes hidraacuteulicas sendo que o primeiro mecanismo antecessor a turbina
hidraacuteulica foram as rodas drsquoaacutegua que movimentavam-se por meio da aacutegua que
passava por debaixo da roda
6
No seacuteculo XVIII periacuteodo que teve grande desenvolvimento da ciecircncia hidraacuteulica
Daniel Bernoulli (1700-1782) publicou os fundamentos da hidrodinacircmica onde
continha a equaccedilatildeo de equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo de energia para fluidos No mesmo seacuteculo teve-se algumas tentativas para ocorrer a transiccedilatildeo da roda hidraacuteulica para agrave
turbina
Entretanto somente no seacuteculo XIX o termo turbina apareceu por meio de Claude Burdin (1790-1873) que publicou o trabalho ldquoDas turbinas hidraacuteulicas ou maacutequinas
rotativas de grande velocidaderdquo sobre uma anaacutelise teoacuterica que dava importacircncia a
velocidade de rotaccedilatildeo (JUNIOR 2013 p8)
Por fim seu aluno Benoit Fourneyron (1802-1867) desenhou e construiu rodas que
atingiam velocidades de rotaccedilatildeo de 60 rpm ou mais e que forneciam ateacute 50 CV nas
faacutebricas metaluacutergicas francesas Assim em 1827 construiu um turbina centriacutefuga de 6 CV e 80 de rendimento a primeira turbina industrial (ALVES 2007 apud
MACINTYPE 1983)
322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas As turbinas hidraacuteulicas no geral seguem a mesma loacutegica de funcionamento O
movimento giratoacuterio provocado pelo fluxo drsquoaacutegua faz girar o rotor do gerador eleacutetrico
que estaacute acoplado na turbina fazendo com que o deslocamento do campo magneacutetico
transforme a potecircncia de eixo em potecircncia eleacutetrica
As principais condiccedilotildees para a escolha da turbina ideal satildeo a queda d`aacutegua vazatildeo e
velocidade especiacutefica A altura da queda d`aacutegua eacute medida como a distacircncia vertical
entre a superfiacutecie mais alta e mais baixa da queda deduzido de eventuais perdas tais
como o atrito do tubo A vazatildeo eacute medida pela quantidade total de aacutegua que passa
atraveacutes da turbina
Turbinas em geral podem operar atraveacutes de distintas vazotildees Entretanto a eficiecircncia
da turbina diminui quando a taxa de vazatildeo varia em comparaccedilatildeo com a taxa de
vazatildeo ideal pois com o dimensionamento errocircneo pode-se instalar uma turbina que
em sua eficiecircncia maacutexima natildeo supere o fluxo disponiacutevel quando a vazatildeo eacute maacutexima
7
Assim aleacutem dos fatores citados a anaacutelise detalhada do fluxo ao longo do tempo deve
de ser realizada para que a escolha da turbina supra as necessidades de projeto
Vale ressaltar que atualmente a eficiecircncia das turbinas estaacute em torno de 85 a 95
sem as perdas hidraacuteulicas ou mecacircnicas que possam ocorrer (APPLEGATE INC
2013 p3)
As turbinas satildeo constituiacutedas essencialmente por distribuidor a roda moacutevel ou rotor o
difusor ou tubo de succcedilatildeo e sua carcaccedila O distribuidor conduz a aacutegua agrave roda pela
direccedilatildeo correta e regula a vazatildeo O rotor eacute responsaacutevel por transformar parte da
energia hidraacuteulica em trabalho mecacircnico O difusor recupera a altura entre a saiacuteda da
roda e o niacutevel do canal de fuga e a carcaccedila desacelera o fluxo drsquoaacutegua poacutes-turbina devolvendo-a ao corpo drsquoaacutegua (JUacuteNIOR 2013 p 9)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52)
8
323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines Nas aacutereas urbanas o percentual da populaccedilatildeo com acesso agrave eletricidade eacute elevado
devido ao baixo custo de conexatildeo agrave rede Em aacutereas rurais no entanto o acesso eacute
limitado devido ao alto custo de estender a rede aos centros de baixa densidade
populacional As tecnologias de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em baixa escala satildeo capazes de fornecer a eletricidade onde a extensatildeo da rede eacute muito cara e onde ndash
tradicionalmente haacute uma precariedade de atendimento das concessionarias de
energia e os consumidores tecircm baixo consumo de energia (WILLIAMSON 2012
p43) Com a energia eleacutetrica seria possiacutevel estender as atividades produtivas
aproveitar os recursos naturais aumentar o mercado de trabalho e melhorar sua
situaccedilatildeo econocircmica cultural e social (ALVES 2007 p2)
A tecnologia Low Head Turbine eacute uma tecnologia possiacutevel de ser utilizada nestas
comunidades que vivem em lugares de difiacutecil acesso e aleacutem disso possuem recursos
locais (rios de pequeno porte eou coacuterregos) capazes para produzir sua proacutepria
energia jaacute que dependendo da quantidade de energia gerada natildeo se precisa de retenccedilatildeo de aacutegua e grandes quedas d` aacutegua
As turbinas em questatildeo somente exigem uma queda de menos de 10 metros
(normal muito menos) e um fluxo de aacutegua suficiente (ateacute 5 m3s aprox) para prover
energia adequada pois num primeiro momento estes locais apresentam baixa
demanda de energia (ateacute 500 W) em especial representadas por iluminaccedilatildeo agrave noite e um raacutedio ou televisatildeo para entretenimento
As Low Head Turbines que produzem 200 a 1000 W de potecircncia e satildeo
particularmente populares em aacutereas rurais porque satildeo usadas para gerar
eletricidade para iluminaccedilatildeoTV raacutedio ventilador de mesa refrigeraccedilatildeo alimentaccedilatildeo
de ferramentas agriacutecolas processamento de alimentos e a carga da bateria em
aacutereas rurais (LAHIMER 2012 p 5865)
Em um relatoacuterio do Banco Mundial foi comprovado que a energia hidreleacutetrica em
baixa escala no geral representou a oportunidade mais barata para a geraccedilatildeo de
energia com menos de 5 kW em 2005 e foi projetado para ser de pelo menos 25
9
mais barata do que outras alternativas ainda depois de dez anos (WILLIAMSON
2012 p43)
324 Classificaccedilatildeo das Turbinas As turbinas satildeo divididas em duas categorias de reaccedilatildeo e impulso ou accedilatildeo As turbinas de impulso a energia hidraacuteulica disponiacutevel eacute transformada em energia
cineacutetica para apoacutes incidir nas paacutes do rotor transformar-se em mecacircnica todo o
escoamento ocorre sem variaccedilatildeo de pressatildeo atmosfeacuterica com mesma pressatildeo de
entrada e saiacuteda
Jaacute as de reaccedilatildeo o rotor eacute completamente imerso na aacutegua assim no escoamento ocorre uma queda de pressatildeo e de velocidade entre a entrada e a saiacuteda do rotor A
pressatildeo de saiacuteda eacute inferior agrave entrada e em funccedilatildeo disso satildeo normalmente utilizadas
para meacutedias e baixas quedas
Em baixas velocidades de operaccedilatildeo a eficiecircncia das turbinas de reaccedilatildeo eacute normalmente maior do que as de turbina de impulso Na categoria das turbinas de
reaccedilatildeo ainda tem-se uma subdivisatildeo entre turbinas de escoamento radiais e turbinas
de escoamento axiais No qual as radiais o fluxo eacute perpendicular ao eixo de rotaccedilatildeo
enquanto as axiais o fluxo eacute aproximadamente paralelo ao eixo de rotaccedilatildeo (JUNIOR
2003 p 11)
Tradicionalmente o uso de turbinas hidraacuteulicas tem-se concentrado no tipo Pelton
com um ou mais jatos no caso das maacutequinas de impulso na Francis Heacutelice e
Kaplan no caso do tipo de reaccedilatildeo (SANTOS 2010 p 31)
3241 De Impulso Turbina Pelton eacute utilizada em altas quedas e velocidade de rotaccedilatildeo mais baixa
Alturas superiores a 150 metros podendo chegar ateacute 2000 metros (EISENRING
1991) Com eixo horizontal para o caso de um ou dois jatos e eixo vertical para um
nuacutemero de jatos de trecircs a seis satildeo alcanccediladas potecircncias que podem chegar mais de
10
100 MW por unidade e quedas da ordem de 1900 metros Geralmente a turbina
Pelton possui alta eficiecircncia entre 70-90 NATIONAL RENEWABLE ENERGY
LABORATORY 2011)
Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
A turbina de fluxo cruzado eacute outra turbina que possui destaque nas classificadas
como de impulso Esse tipo de turbina eacute mais utilizado em altas vazotildees e baixas
quedas d`aacutegua do que as turbinas de Pelton e Turgo (GHOSH 2011) A eficiecircncia de
uma turbina de fluxo cruzado depende de seus paracircmetros geomeacutetricos como o
nuacutemero de laminas diacircmetro do rotor arco de entrada do bico e acircngulo de ataque
Turbina Turgo eacute uma maacutequina de impulso similar a turbina Pelton A eficaacutecia na transmissatildeo de energia a partir do jato de aacutegua para o gerador de turbina Turgo depende da velocidade de eixo Assim Cobb e Shar em Impulse (Turgo and Pelton)
turbine performance characteristics and their impact on pico-hydro installations 2007
realizaram um estudo e constaram que o pico de eficiecircncia pode ser conseguido em
uma proporccedilatildeo de baixa velocidade
11
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
3242 De Reaccedilatildeo A turbina Francis escoamento radial eacute a mais usada em grandes usinas hidreleacutetricas
No Brasil a usina hidreleacutetrica mais conhecida Itaipu utiliza este tipo de turbina E de acordo com os dados oficiais da Usina tem-se uma queda liacutequida de projeto de 1184
metros vazatildeo nominal de 690 m3s e uma potecircncia nominal de 715MW Suas
caracteriacutesticas hidraacuteulicas especiais permitem fabricar unidades compactas de alta
velocidade ateacute as potecircncias mais elevadas Para valores inferiores da queda utilizam-
se turbinas de caixa aberta Ela pode ser usada para grandes meacutedias ou pequenas
hidreleacutetricas com quedas entre 1 metro e 900 metros Elbatran et al concluiu que a eficaacutecia de uma turbina Francis depende principalmente do desenvolvimento do seu
voacutertice helicoidal
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
12
O uacuteltimo tipo de turbina de reaccedilatildeo escoamento axial abrange subcategorias em sua
abrangecircncia As turbinas cujas as paacutes do rotor satildeo fixas conhecidas como turbinas
HelicePropeller e as com paacutes do rotor ajustaacuteveis tendo como turbina de referecircncia Kaplan Suas semelhanccedilas satildeo possuir baixa velocidade entre 70 e 350 rpm e
serem utilizadas em baixa queda (ANEEL 2002 p25) Outros tipos de maacutequinas
axiais satildeo as turbinas Tubulares Bulbo e Straflo
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
As mais utilizadas satildeo a de tipo HeacutelicePropeller e Kaplan A turbina Heacutelice veio da
necessidade da obtenccedilatildeo de turbinas com velocidades consideraacuteveis em baixas
quedas e grandes descargas que teve origem em 1908 (RAMOS 2008 Cap8)
Tambeacutem aliam caracteriacutesticas de serem simples e de baixo custo Elas consistem de basicamente de um rotor similar a heacutelice de navio ajustada internamente na
continuaccedilatildeo de um conduto com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a
tubulaccedilatildeo muda de direccedilatildeo (JUNIOR 2011 p15)
Jaacute a turbina Kaplan satildeo adaptadas a baixa altura topograacutefica e grandes descargas
As paacutes satildeo moacuteveis que permitem variar o seu acircngulo de ataque com um mecanismo de orientaccedilatildeo que eacute controlado pelo regulador da turbina isso faz com que a
inclinaccedilatildeo das paacutes se ajuste conforme a variaccedilatildeo da descarga e potecircncia sem
apreciaacutevel variaccedilatildeo do rendimento (GUEDES1994 p 6) A usina hidreleacutetrica de Trecircs
Marias funciona com turbina Kaplan por exemplo
13
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo Turbinas de impulso como o Turgo Pelton e turbinas de Fluxo Cruzado tecircm muitas
vantagens Elas tecircm uma eficiecircncia maior especialmente em condiccedilotildees de fluxo
parcial o que pode fornecer mais do que 90 de eficaacutecia A eficiecircncia tambeacutem eacute
passiacutevel de se manter em valores elevados mesmo variando-se as condiccedilotildees de
trabalho (ex vazatildeo variaacutevel) Satildeo faacuteceis de manter e fabricar os eixos natildeo
necessitam de qualquer selo de pressatildeo tendo uma maior toleracircncia a areia e outras partiacuteculas em aacutegua com pouco efeito sobre o desempenho das turbinas Aleacutem disso
a turbina Pelton e Turgo tecircm projetos simples e satildeo rentaacuteveis em escalas de micro
hidreleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 46)
Contudo a Turgo e Pelton em locais de baixa queda natildeo se mostram rentaacuteveis
14
quando leva-se em conta suas caracteriacutesticas de desempenho e anaacutelise de custo ao
contraacuterio da turbina de Fluxo Cruzado que eacute mais adequado para aplicaccedilotildees de baixa
queda porque a sua eficiecircncia depende basicamente da vazatildeo e os outros dois tipos natildeo Turbinas de impulso tambeacutem tem velocidade especiacutefica menor o que seria
necessaacuterio a instalaccedilatildeo de um sistema que aumentasse a velocidade da aacutegua
(ELBATRAN 2014 p 46)
As de reaccedilatildeo satildeo mais apropriadas para condiccedilotildees de baixa queda por possuiacuterem
maiores velocidades especiacuteficas jaacute que as turbinas estatildeo conectadas diretamente ao
alternador sem a necessidade do sistema de transmissatildeo Consequentemente o
custo de remoccedilatildeo do sistema de acionamento eacute significativamente baixo Estas
turbinas podem tambeacutem ser utilizadas em diferentes quedas a turbina Francis eacute
apropriada para o meacutedias a altas quedas enquanto a Propeller e BFT satildeo mais
adequados para as quedas menores (ELBATRAN 2014 p 46) FONTE
Por outro lado a implantaccedilatildeo de turbinas de reaccedilatildeo eacute mais complicada do que as
turbinas de impulso porque requerem a utilizaccedilatildeo de lacircminas de revestimento isto
pode causar o aumento no custo do orccedilamento inicial Portanto o uso de turbinas de
reaccedilatildeo nos esquemas de micro hidreleacutetricas eacute menos atraente especialmente em
aacutereas com populaccedilatildeo de baixa renda No entanto BFT e Propeller hoje em dia foram melhoradas para serem utilizadas em instalaccedilotildees de micro hidreleacutetricas mas com a
condiccedilatildeo de que os ambientes tenham queda e vazatildeo regulares (ELBATRAN 2014
p46)
Natildeo obstante haacute uma seacuterie de soluccedilotildees em relaccedilatildeo a este assunto tais como
condutas forccediladas de baixo custo tipo de desenvolvimento das turbinas e gerador de
induccedilatildeo tudo para eliminar o custo total dos sistemas e tornaacute-los mais acessiacuteveis nas
aplicaccedilotildees em zonas remotas e montanhosas A reduccedilatildeo do custo da turbina eacute a
maneira mais eficaz de reduzir o orccedilamento inicial de projeto pois eacute a parte mais
onerosa no sistema
Uma seacuterie de opccedilotildees de configuraccedilatildeo de turbina tecircm sido propostas para reduzir o custo do conjunto de microturbinas Bomba centrifuga funcionando como turbina
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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Paulista Botucatu 2007
MELLO A A Turbina de Fluxo Cruzado (Michell ndash Banki) Como Opccedilatildeo Para Centrais Hidraacuteulicas de Pequeno Porte 2000 Universidade de Satildeo Paulo Satildeo
Paulo 2000 Programa Interunidades de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Energia
MANCEBO Elizabeth Wiltgen BRANDAtildeO Pedro da Cunha Avaliaccedilatildeo da viabilidade econocircmica de reativaccedilatildeo de uma central geradora hidreleacutetrica um estudo de caso 2013 100f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em
Engenharia Produccedilatildeo) ndash Universidade Federal do Rio de Janeiro Rio de Janeiro
2013 [Orientador Prof Jose Roberto Ribas] SINGH Punit NESTMANN Franz Exit blade geometry and part-load performance of small axial flow propeller turbines An experimental investigation 2010 Experimental Thermal and Fluid Science Reviews Volume 34
(2010) Paginas 798-811
ENERSUD Energia Limpa Alternadores Disponiacutevel em
lthttpenersud1hospedagemdesiteswspage_id=272gt [acessado em 21012016] MIRANDA Robeto Lobo Regulaccedilatildeo teacutecnica para se obter melhor eficiecircncia na motorizaccedilatildeo de pequenas centrais hidreleacutetricas no Brasil 2009 118f Trabalho
de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em Regulaccedilatildeo da Industria de Energia) ndash
Universidade de Salvador Salvador 2009 [Orientador Prof Dr Maria Olivia de
Souza Ramos]
MEDEIROS Daniel de Macedo VIANA Augusto Nelson Carvalho REZEK Acircngelo Joseacute Junqueira Estudo de geradores de induccedilatildeo na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em microcentrais hidreleacutetricas 2005 Universidade Federal de Itajubaacute Minas
Gerais Revista Ciecircncias Exatas Taubateacute v 11 n 2 p 9-14 2005
51
SANTOS Renan Mesquita Eficiecircncia energeacutetica no serviccedilo auxiliar de uma pequena central hidreleacutetrica 2010 71f Trabalho de Conclusatildeo de Curso
(Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo Paulo Satildeo Carlos 2010 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
MAIA Thales Alexandre Carvalho Projeto e Construccedilatildeo de um Gerador a Iacutematildes Permanentes de Fluxo Axial para Turbina Eoacutelica de Pequena Potecircncia 2011
197f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em Engenharia Eleacutetrica) ndash
Universidade Federal de Minas Gerais Belo Horizonte 2011 [Orientador Prof
Selecircnio Rocha Silva
DATE Abhijit AKBARZADEH Aliakbar Design and cost analysis of low head simple reaction hydro turbine for remote area power supply 2008 Renewable
Energy Volume 34 (Agosto de 2008) Paacuteginas 409-415
LOOTS I VAN DIJK M BARTA B VAN VUUREN SJ BHAGWAN JN A review of low head hydropower technologies and applications in a South African context 2015 Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 50
(Junho de 2015) Paacuteginas 1254-1268
GUITARRARA Gabriel Bozzola Estimativa de vazatildeo para a implantaccedilatildeo de micro-centrais hidreleacutetricas com utilizaccedilatildeo do SIG 2012 44f Trabalho de
Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo
Paulo Satildeo Carlos 2012 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
ALEXANDER KV GIDDENS EP Microhydro Cost-effective modular systems for low heads 2007 Renewable Energy Volume 33 (2008) Paacuteginas 1379-1391
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Radial- and mixed-flow
turbines for low head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume
34 (2009) Paacuteginas 1885-1894
52
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Axial-flow turbines for low
head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume 34 (2009)
Paacuteginas 35-47
ALVES Gilberto Manoel Avaliaccedilatildeo da viabilidade de implantaccedilatildeo de uma microcentral hidreleacutetrica para atender consumidores localizados em regiotildees isoladas 2007 156 Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Doutorado em Agronomia) ndash
Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
II
Ficha Catalograacutefica elaborada pela Biblioteca da Escola de Engenharia e Instituto de Computaccedilatildeo da UFF
S586 Silva Liza Freitas Anaacutelise das condicionantes para o desenvolvimento de uma turbina low head no Brasil Liza Freitas Silva ndash Niteroacutei RJ [sn] 2016 58 f Trabalho (Conclusatildeo de Curso) ndash Departamento de Engenharia Agriacutecola Universidade Federal Fluminense 2016 Orientador Marcos Alexandre Teixeira 1 Turbina 2 Energia hidreleacutetrica I Tiacutetulo CDD 62124
III
LIZA FREITAS SILVA
ANAacuteLISE DAS CONDICIONANTES PARA O DESENVOLVIMENTO DE UMA TURBINA LOW HEAD NO BRASIL
Monografia de graduaccedilatildeo apresentada ao Curso Eng Agriacutecola e Ambiental da Universidade Federal Fluminense como requisito parcial para a obtenccedilatildeo do grau de Engenheiro Agriacutecola e Ambiental
Orientador Marcos Alexandre Teixeira Prof
NITEROacuteI - RJ 2016
IV
V
DEDICATOacuteRIA
Dedico esta dissertaccedilatildeo aos meus pais Marco e Marilene que sempre apoiaram
e incentivaram a minha vida acadecircmica
VI
AGRADECIMENTOS
Primeiramente a Deus por guiar meus passos e acreditar que sempre existe uma
forccedila a maior que nos faz caminhar no caminho destinado
Aos meus pais por me darem sempre apoio incondicional e incentivo em diversos
momentos para que tenha-se tornado possiacutevel meu objetivo Aos amigos pela confianccedila que sempre depositaram em minhas qualidades e
que ajudaram esta jornada ser mais leve
Ao professor Marcos Alexandre Teixeira pelo constante incentivo paciecircncia e
orientaccedilatildeo em todos os ensinamentos principalmente aqueles que se aprendem
sem serem ensinados
A Universidade Federal Fluminense por dispor de professores com alto conteuacutedo acadecircmico e eacutetica profissional
E todas as pessoas que direta e indiretamente auxiliaram na realizaccedilatildeo deste
trabalho
VII
Determinaccedilatildeo coragem e autoconfianccedila satildeo fatores
decisivos para o sucesso Se estamos possuiacutedos por
uma inabalaacutevel determinaccedilatildeo conseguiremos superaacute-
los Independentemente das circunstacircncias devemos
ser sempre humildes recatados e despidos de
orgulho
- Dalai Lama
VIII
RESUMO
A presente dissertaccedilatildeo aborda a viabilidade de implantaccedilatildeo de uma turbina Low Head no Brasil (Turbinas de Pequena Queda) na qual eacute uma turbina que
opera com pequenas quedas drsquoaacutegua (de 05 a 2 m) e natildeo necessita de
reservatoacuterio (represamento) Uma tecnologia especialmente aplicaacutevel para populaccedilotildees rurais do interior ou ribeirinhas que ainda natildeo estatildeo proacuteximas do
Sistema Nacional Interligado para fornecimento de energia eleacutetrica podendo
entatildeo utilizar desta tecnologia para melhorar suas condiccedilotildees de vida Com os
valores de vazatildeo entre 0024 ଷs e 0061 ଷs e queda drsquoaacutegua de 1 a 2 metros eacute
possiacutevel a instalaccedilatildeo deste equipamento na faixa de 100 a 500 W O estudo encontrou fabricantes brasileiros que possuem peccedilas e equipamentos que tecircm o
potencial que atendem agrave demanda de projeto de uma Low Head e que poderiam
ser incorporados para um possiacutevel desenvolvimento desta tecnologia no Brasil
neste caso em especial geradores de eletricidade derivados de turbina eoacutelicas de
pequeno porte e heacutelices de motor de popa (de 9 a 10 pol de diacircmetro)
PALAVRAS ndash CHAVE Turbina de pequena queda Energia Hidreleacutetrica
Viabilidade teacutecnica
IX
ABSTRACT
This viability to develop the concept of a so called Low Head Turbine in Brazil is
discussed that is a turbine that requires small head (0 5 to 2 m) and do not need
a dam for flow regulation Which have been considered a sustainable technology
for remote rural areas far away from the National Grid and this technology have
the potential to improve their livelihood conditions Flow values from 0024 ଷs to
0061 ଷs and heads between 1 and 2 meters is possible to install such
equipment on power from 100 up to 500 W The study found that Brazilian
manufacturers have pieces and equipment that could be incorporated within the design of a Low Head Turbine in this case electrical generators from small
windmills and propellers for outboard motor (from 9 to 10 inches diameter)
KEY WORDS Low Head Turbine Hydropower Energy technical viability
X
LISTA DE ILUSTRACcedilOtildeES
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE
2013)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina
de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52) Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado (PANISH 2002)
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA
NAUTICA 2013)
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante
EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1)
Figura 11 Motor YAMAHA 15 GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelog Yamaha 15GMHS 2015 p
27)
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine que atendem as demandas de
projeto (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26)
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso
14042016)
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016) Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa
ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
XI
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa
ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
XII
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Analise de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse
(PANISH 2002)
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
XIII
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AIE IEA - Agecircncia Internacional de Energia (International Energy Agency)
MME - Ministeacuterio de Minas e Energia
SIPOT - Potencial Hidreleacutetrico Brasileiro
BFT - Bomba Centrifuga Funcionando como turbina
CONMETRO - Conselho Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade
Industrial
IEV - Vocabulaacuterio Eletroteacutecnico Internacional EPE - Empresa de Pesquisa Energeacutetica
UHEs - Usinas Hidreleacutetricas
PNE - Plano Decenal de Expansatildeo de Energia
ANEEL - Agencia Nacional De Energia Eleacutetrica
ELETROBRAS - Centrais Eleacutetricas Brasileiras SA
ABNT- Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas
ISSO - International Organization for Standardization
IEC - International Electrotechnical Commission
NBR - Normas Teacutecnicas Brasileiras LHT ndash Low Head turbine
UFF ndash Universidade Federal Fluminense Cobei - Comitecirc Brasileiro de Eletricidade Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e
Telecomunicaccedilotildees
CB-03 - Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
CA - Corrente Alternada
CC - Corrente Contiacutenua
DNAEE - Departamento Nacional de Aacuteguas e Energia Eleacutetrica
XIV
LISTA DE EQUACcedilOtildeES
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
LISTA DE SIacuteMBOLOS
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
XV
SUMAacuteRIO 1 INTRODUCcedilAtildeO 1 2 OBJETIVO 3 3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA 4
31 Energia Hidreleacutetrica 4 32 Turbinas 5
321 Retrospectiva 5 322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas 6 323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines 8 324 Classificaccedilatildeo das Turbinas 9
3241 De Impulso 9 3242 De Reaccedilatildeo 11
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo 13 33 Geradores 15
4 MATERIAL E MEacuteTODO 17 41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 17 42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis 17 43 Elementos constituintes preferenciais 18 44 Analise de rendimento e funcionalidade 19 45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 20
5 RESULTADOS 21 51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 21 52 Normas aplicaacuteveis 23
521 Normas de Maior Relevacircncia 26 53 Elementos constituintes preferenciais 28
531 Heacutelice ou Propeller 28 5311 Fornecedores 30
532 Gerador 33 54 Analise de rendimento e funcionalidade 38 55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 40
6 DISCUSSOtildeES 42 7 CONCLUSAtildeO 44 8 BIBLIOGRAFIA 46 9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016 53
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
A eletricidade se tornou a principal fonte de luz calor e forccedila utilizada no mundo
moderno Atividades cotidianas como assistir agrave televisatildeo ou navegar na internet satildeo
possiacuteveis porque a energia eleacutetrica chega ateacute a sua casa Shoppings supermercados
e fabricas por exemplo precisam dela para funcionar Grande parte dos avanccedilos
tecnoloacutegicos alcanccedilados se deve agrave energia eleacutetrica
Ao contraacuterio de outras fontes de energia eleacutetrica a energia hidraacuteulica jaacute possui uma
presenccedila relevante na matriz energeacutetica mundial e aleacutem de possuir tecnologias
consolidadas sendo a segunda maior fonte de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no
mundo com uma participaccedilatildeo de aproximadamente 18 (Atlas Energia Eleacutetrica no
Brasil ANEEL 2002 p25)
Em termos absolutos os cinco maiores produtores de energia hidreleacutetrica no mundo
satildeo China Canadaacute Brasil Estados Unidos e Ruacutessia Em 2001 esses paiacuteses foram
responsaacuteveis por quase 50 de toda a produccedilatildeo mundial de energia hidreleacutetrica
(AIE 2008)
Especificamente o Brasil deteacutem aproximadamente 12 da aacutegua doce superficial do
planeta e condiccedilotildees adequadas para exploraccedilatildeo Com um potencial hidreleacutetrico de
260 GW segundo o Plano 2015 da Eletrobraacutes - segundo uacuteltimo inventaacuterio produzido
no paiacutes em 1992 ndash ainda existe um grande espaccedilo para crescer entretanto as
usinas hidreleacutetricas causam grande impacto ambiental devido agrave aacuterea alagada represada pela barragem causando tambeacutem a perda de solos agricultaacuteveis
florestas fauna e a retirada de populaccedilotildees ribeirinhas
De acordo com a Agecircncia Internacional de Energia (AIE) cerca de 13 bilhatildeo de
pessoas 18 da populaccedilatildeo mundial ainda natildeo tecircm acesso agrave eletricidade Este
nuacutemero poderaacute dobrar no futuro a natildeo ser que se tenha uma soluccedilatildeo eficaz e que seja adaptaacutevel particularmente para paiacuteses perifeacutericos Soluccedilotildees como a Low Head
Turbine (Turbinas de Pequena Queda) estatildeo tornando-se uma perspectiva atraente
2
para satisfazer as necessidades baacutesicas de eletricidade de comunidades remotas
(LAHIMER 2012 p 5862)
Este meacutetodo de produccedilatildeo de energia eleacutetrica jaacute presente em alguns lugares do mundo poreacutem ainda natildeo implantado no Brasil O conceito de Low Head Turbine jaacute eacute
utilizado em paiacuteses como Camarotildees China Colocircmbia Filipinas Indoneacutesia Nepal
Sri Lanka e Vietnatilde (LAHIMER 2012) Um sistema de geraccedilatildeo de energia que natildeo
necessita grandes quedas d`aacuteguas nem intervenccedilotildees draacutesticas aleacutem de ter um custo
acessiacutevel
Aleacutem disso a produccedilatildeo de energia eleacutetrica em pequena escala eacute uma das
tecnologias de energia mais rentaacuteveis a ser considerado para a eletrificaccedilatildeo rural
nos paiacuteses menos desenvolvidos Eacute tambeacutem uma tecnologia chave para regiotildees que
jaacute possuem domiacutenio da produccedilatildeo de energia hidreleacutetrica poreacutem natildeo possuem mais espaccedilo geograacutefico para implantar uma hidreleacutetrica de grande porte ou os locais de
possiacutevel alocaccedilatildeo satildeo inviaacuteveis ambientalmente (PAISH 2002 p537) Provando ser
uma boa opccedilatildeo para distintas utilizaccedilotildees
Neste sentido se pergunta por que esta tecnologia ainda natildeo estaacute presente no
Brasil e se esta viesse a ser desenvolvida quais seriam as condicionantes para o seu projeto e ou fabricaccedilatildeo
Entende-se que um equipamento nacional deveraacute atender agraves normas teacutecnicas
brasileiras assim como deveraacute ndash tanto quanto possiacutevel ndash fazer uso de peccedilas e
equipamentos jaacute disponiacuteveis no mercado brasileiro numa oacutetica de reduccedilatildeo de custos
e busca de parcerias para a sua disseminaccedilatildeo
Este vem a ser o foco do presente trabalho o levantamento destas condicionantes para o projeto e desenvolvimento destas Turbinas de Pequena Queda ou Low Head
Turbine no Brasil
3
2 OBJETIVO
Com base em um projeto tiacutepico de turbina de impulso para baixo valor de queda drsquoaacutegua - Low Head Turbine (Turbina de Pequena Queda) - avaliar quais as normas
brasileiras aplicaacuteveis e qual o melhor entendimento destas para a adequaccedilatildeo dos
padrotildees internacionais para a realidade brasileira assim como identificar elementos
que poderiam ser norteadores no projeto deste tipo de equipamento no Brasil
Para que este objetivo seja atingido eacute necessaacuterio materializar objetivos parciais
1 Identificar as Normas Brasileiras aplicaacuteveis
2 Definir os elementos constituintes do sistema e sua disponibilidade no
mercado brasileiro
3 Com base em uma localizaccedilatildeo tiacutepica analisar seu rendimento e
funcionalidade
4 Finalizar avaliando a viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head
Turbine no Brasil
4
3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
31 Energia Hidreleacutetrica No Brasil a utilizaccedilatildeo de energia hidreleacutetrica no Brasil teve iniacutecio em 1883 com a
instalaccedilatildeo da usina de Ribeiratildeo do Inferno em Diamantina (MG) Jaacute em 1889 entrou
em operaccedilatildeo a usina de Marmelos Zero ndash instalada no rio Paraibuna a 7 km de Juiz
de Fora (MG) ndash foi a primeira com a finalidade de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para o
uso puacuteblico com 250 kW de potecircncia instalada (CACHAPUZ 2006 p15)
A primeira hidreleacutetrica de maior porte comeccedilou a ser construiacuteda no Nordeste (Paulo
Afonso I com potecircncia de 180 MW) pela Companhia Hidreleacutetrica do Satildeo Francisco
(estatal constituiacuteda em 1948) As demais erguidas ao longo dos 60 anos seguintes
concentraram-se nas regiotildees Sul Sudeste e Nordeste (com o aproveitamento
integral do rio Satildeo Francisco) No Norte foram construiacutedas Tucuruiacute no Paraacute e Balbina no Amazonas Nos anos 90 a Usina Serra da Mesa (GO) no rio Tocantins
(Atlas Energia Eleacutetrica no Brasil ANEEL 2008 p57) Todas as construiacutedas ateacute o
momento possuindo capacidade eleacutetrica entre 3984 MW a 8370 MW de acordo
com dados fornecidos pelo Governo Federal Brasileiro
Pacheco (2013 apud TUNDISI 2005) constatou que potencial hidreleacutetrico brasileiro
eacute estimado em cerca de 260 GW dos quais 405 estatildeo localizados na Bacia
Hidrograacutefica do Amazonas a Bacia do Paranaacute responde por 23 a do Tocantins
por 106 e a do Satildeo Francisco por 10 Apenas 63 do potencial foi inventariado
e a Regiatildeo Norte tem um grande potencial ainda por explorar
O estudo sobre energia hidreleacutetrica constante do Plano Nacional de Energia 2030
(PNE) realizado pela Empresa de Pesquisa Energeacutetica (EPE) e o Ministeacuterio de
Minas e Energia (MME) em 2007 relacionou o potencial de aproveitamento ainda
existente em cada uma das bacias hidrograacuteficas do paiacutes A bacia do rio Amazonas eacute
a maior com um potencial de 106000 MW superior agrave potecircncia jaacute instalada no
Brasil em 2008 de 102000 MW A bacia do TocantinsAraguaia possui potencial de 28000 MW dos quais quase 12200 MW jaacute estatildeo aproveitados pelas usinas
5
hidreleacutetricas (UHEs) e o potencial a ser aproveitado 90 poreacutem sofrem alguma
restriccedilatildeo ambiental (EPE 2013)
Outra bacia importante eacute a Tapajoacutes Em 2008 a Aneel estudava viabilidade de trecircs
aproveitamentos no rio Teles Pires Em 2013 o potencial hidraacuteulico do Brasil foi
avaliado como tendo somente 26 de sua totalidade utilizado como indicado na Figura 1 colocando o Brasil como 8ordm paiacutes em termos de menor aproveitamento de
seu potencial hidroeleacutetrico
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE 2013)
32 Turbinas
321 Retrospectiva Desde antes de Cristo os mesopotacircmicos e egiacutepcios jaacute utilizavam as maacutequinas
motrizes hidraacuteulicas sendo que o primeiro mecanismo antecessor a turbina
hidraacuteulica foram as rodas drsquoaacutegua que movimentavam-se por meio da aacutegua que
passava por debaixo da roda
6
No seacuteculo XVIII periacuteodo que teve grande desenvolvimento da ciecircncia hidraacuteulica
Daniel Bernoulli (1700-1782) publicou os fundamentos da hidrodinacircmica onde
continha a equaccedilatildeo de equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo de energia para fluidos No mesmo seacuteculo teve-se algumas tentativas para ocorrer a transiccedilatildeo da roda hidraacuteulica para agrave
turbina
Entretanto somente no seacuteculo XIX o termo turbina apareceu por meio de Claude Burdin (1790-1873) que publicou o trabalho ldquoDas turbinas hidraacuteulicas ou maacutequinas
rotativas de grande velocidaderdquo sobre uma anaacutelise teoacuterica que dava importacircncia a
velocidade de rotaccedilatildeo (JUNIOR 2013 p8)
Por fim seu aluno Benoit Fourneyron (1802-1867) desenhou e construiu rodas que
atingiam velocidades de rotaccedilatildeo de 60 rpm ou mais e que forneciam ateacute 50 CV nas
faacutebricas metaluacutergicas francesas Assim em 1827 construiu um turbina centriacutefuga de 6 CV e 80 de rendimento a primeira turbina industrial (ALVES 2007 apud
MACINTYPE 1983)
322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas As turbinas hidraacuteulicas no geral seguem a mesma loacutegica de funcionamento O
movimento giratoacuterio provocado pelo fluxo drsquoaacutegua faz girar o rotor do gerador eleacutetrico
que estaacute acoplado na turbina fazendo com que o deslocamento do campo magneacutetico
transforme a potecircncia de eixo em potecircncia eleacutetrica
As principais condiccedilotildees para a escolha da turbina ideal satildeo a queda d`aacutegua vazatildeo e
velocidade especiacutefica A altura da queda d`aacutegua eacute medida como a distacircncia vertical
entre a superfiacutecie mais alta e mais baixa da queda deduzido de eventuais perdas tais
como o atrito do tubo A vazatildeo eacute medida pela quantidade total de aacutegua que passa
atraveacutes da turbina
Turbinas em geral podem operar atraveacutes de distintas vazotildees Entretanto a eficiecircncia
da turbina diminui quando a taxa de vazatildeo varia em comparaccedilatildeo com a taxa de
vazatildeo ideal pois com o dimensionamento errocircneo pode-se instalar uma turbina que
em sua eficiecircncia maacutexima natildeo supere o fluxo disponiacutevel quando a vazatildeo eacute maacutexima
7
Assim aleacutem dos fatores citados a anaacutelise detalhada do fluxo ao longo do tempo deve
de ser realizada para que a escolha da turbina supra as necessidades de projeto
Vale ressaltar que atualmente a eficiecircncia das turbinas estaacute em torno de 85 a 95
sem as perdas hidraacuteulicas ou mecacircnicas que possam ocorrer (APPLEGATE INC
2013 p3)
As turbinas satildeo constituiacutedas essencialmente por distribuidor a roda moacutevel ou rotor o
difusor ou tubo de succcedilatildeo e sua carcaccedila O distribuidor conduz a aacutegua agrave roda pela
direccedilatildeo correta e regula a vazatildeo O rotor eacute responsaacutevel por transformar parte da
energia hidraacuteulica em trabalho mecacircnico O difusor recupera a altura entre a saiacuteda da
roda e o niacutevel do canal de fuga e a carcaccedila desacelera o fluxo drsquoaacutegua poacutes-turbina devolvendo-a ao corpo drsquoaacutegua (JUacuteNIOR 2013 p 9)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52)
8
323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines Nas aacutereas urbanas o percentual da populaccedilatildeo com acesso agrave eletricidade eacute elevado
devido ao baixo custo de conexatildeo agrave rede Em aacutereas rurais no entanto o acesso eacute
limitado devido ao alto custo de estender a rede aos centros de baixa densidade
populacional As tecnologias de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em baixa escala satildeo capazes de fornecer a eletricidade onde a extensatildeo da rede eacute muito cara e onde ndash
tradicionalmente haacute uma precariedade de atendimento das concessionarias de
energia e os consumidores tecircm baixo consumo de energia (WILLIAMSON 2012
p43) Com a energia eleacutetrica seria possiacutevel estender as atividades produtivas
aproveitar os recursos naturais aumentar o mercado de trabalho e melhorar sua
situaccedilatildeo econocircmica cultural e social (ALVES 2007 p2)
A tecnologia Low Head Turbine eacute uma tecnologia possiacutevel de ser utilizada nestas
comunidades que vivem em lugares de difiacutecil acesso e aleacutem disso possuem recursos
locais (rios de pequeno porte eou coacuterregos) capazes para produzir sua proacutepria
energia jaacute que dependendo da quantidade de energia gerada natildeo se precisa de retenccedilatildeo de aacutegua e grandes quedas d` aacutegua
As turbinas em questatildeo somente exigem uma queda de menos de 10 metros
(normal muito menos) e um fluxo de aacutegua suficiente (ateacute 5 m3s aprox) para prover
energia adequada pois num primeiro momento estes locais apresentam baixa
demanda de energia (ateacute 500 W) em especial representadas por iluminaccedilatildeo agrave noite e um raacutedio ou televisatildeo para entretenimento
As Low Head Turbines que produzem 200 a 1000 W de potecircncia e satildeo
particularmente populares em aacutereas rurais porque satildeo usadas para gerar
eletricidade para iluminaccedilatildeoTV raacutedio ventilador de mesa refrigeraccedilatildeo alimentaccedilatildeo
de ferramentas agriacutecolas processamento de alimentos e a carga da bateria em
aacutereas rurais (LAHIMER 2012 p 5865)
Em um relatoacuterio do Banco Mundial foi comprovado que a energia hidreleacutetrica em
baixa escala no geral representou a oportunidade mais barata para a geraccedilatildeo de
energia com menos de 5 kW em 2005 e foi projetado para ser de pelo menos 25
9
mais barata do que outras alternativas ainda depois de dez anos (WILLIAMSON
2012 p43)
324 Classificaccedilatildeo das Turbinas As turbinas satildeo divididas em duas categorias de reaccedilatildeo e impulso ou accedilatildeo As turbinas de impulso a energia hidraacuteulica disponiacutevel eacute transformada em energia
cineacutetica para apoacutes incidir nas paacutes do rotor transformar-se em mecacircnica todo o
escoamento ocorre sem variaccedilatildeo de pressatildeo atmosfeacuterica com mesma pressatildeo de
entrada e saiacuteda
Jaacute as de reaccedilatildeo o rotor eacute completamente imerso na aacutegua assim no escoamento ocorre uma queda de pressatildeo e de velocidade entre a entrada e a saiacuteda do rotor A
pressatildeo de saiacuteda eacute inferior agrave entrada e em funccedilatildeo disso satildeo normalmente utilizadas
para meacutedias e baixas quedas
Em baixas velocidades de operaccedilatildeo a eficiecircncia das turbinas de reaccedilatildeo eacute normalmente maior do que as de turbina de impulso Na categoria das turbinas de
reaccedilatildeo ainda tem-se uma subdivisatildeo entre turbinas de escoamento radiais e turbinas
de escoamento axiais No qual as radiais o fluxo eacute perpendicular ao eixo de rotaccedilatildeo
enquanto as axiais o fluxo eacute aproximadamente paralelo ao eixo de rotaccedilatildeo (JUNIOR
2003 p 11)
Tradicionalmente o uso de turbinas hidraacuteulicas tem-se concentrado no tipo Pelton
com um ou mais jatos no caso das maacutequinas de impulso na Francis Heacutelice e
Kaplan no caso do tipo de reaccedilatildeo (SANTOS 2010 p 31)
3241 De Impulso Turbina Pelton eacute utilizada em altas quedas e velocidade de rotaccedilatildeo mais baixa
Alturas superiores a 150 metros podendo chegar ateacute 2000 metros (EISENRING
1991) Com eixo horizontal para o caso de um ou dois jatos e eixo vertical para um
nuacutemero de jatos de trecircs a seis satildeo alcanccediladas potecircncias que podem chegar mais de
10
100 MW por unidade e quedas da ordem de 1900 metros Geralmente a turbina
Pelton possui alta eficiecircncia entre 70-90 NATIONAL RENEWABLE ENERGY
LABORATORY 2011)
Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
A turbina de fluxo cruzado eacute outra turbina que possui destaque nas classificadas
como de impulso Esse tipo de turbina eacute mais utilizado em altas vazotildees e baixas
quedas d`aacutegua do que as turbinas de Pelton e Turgo (GHOSH 2011) A eficiecircncia de
uma turbina de fluxo cruzado depende de seus paracircmetros geomeacutetricos como o
nuacutemero de laminas diacircmetro do rotor arco de entrada do bico e acircngulo de ataque
Turbina Turgo eacute uma maacutequina de impulso similar a turbina Pelton A eficaacutecia na transmissatildeo de energia a partir do jato de aacutegua para o gerador de turbina Turgo depende da velocidade de eixo Assim Cobb e Shar em Impulse (Turgo and Pelton)
turbine performance characteristics and their impact on pico-hydro installations 2007
realizaram um estudo e constaram que o pico de eficiecircncia pode ser conseguido em
uma proporccedilatildeo de baixa velocidade
11
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
3242 De Reaccedilatildeo A turbina Francis escoamento radial eacute a mais usada em grandes usinas hidreleacutetricas
No Brasil a usina hidreleacutetrica mais conhecida Itaipu utiliza este tipo de turbina E de acordo com os dados oficiais da Usina tem-se uma queda liacutequida de projeto de 1184
metros vazatildeo nominal de 690 m3s e uma potecircncia nominal de 715MW Suas
caracteriacutesticas hidraacuteulicas especiais permitem fabricar unidades compactas de alta
velocidade ateacute as potecircncias mais elevadas Para valores inferiores da queda utilizam-
se turbinas de caixa aberta Ela pode ser usada para grandes meacutedias ou pequenas
hidreleacutetricas com quedas entre 1 metro e 900 metros Elbatran et al concluiu que a eficaacutecia de uma turbina Francis depende principalmente do desenvolvimento do seu
voacutertice helicoidal
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
12
O uacuteltimo tipo de turbina de reaccedilatildeo escoamento axial abrange subcategorias em sua
abrangecircncia As turbinas cujas as paacutes do rotor satildeo fixas conhecidas como turbinas
HelicePropeller e as com paacutes do rotor ajustaacuteveis tendo como turbina de referecircncia Kaplan Suas semelhanccedilas satildeo possuir baixa velocidade entre 70 e 350 rpm e
serem utilizadas em baixa queda (ANEEL 2002 p25) Outros tipos de maacutequinas
axiais satildeo as turbinas Tubulares Bulbo e Straflo
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
As mais utilizadas satildeo a de tipo HeacutelicePropeller e Kaplan A turbina Heacutelice veio da
necessidade da obtenccedilatildeo de turbinas com velocidades consideraacuteveis em baixas
quedas e grandes descargas que teve origem em 1908 (RAMOS 2008 Cap8)
Tambeacutem aliam caracteriacutesticas de serem simples e de baixo custo Elas consistem de basicamente de um rotor similar a heacutelice de navio ajustada internamente na
continuaccedilatildeo de um conduto com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a
tubulaccedilatildeo muda de direccedilatildeo (JUNIOR 2011 p15)
Jaacute a turbina Kaplan satildeo adaptadas a baixa altura topograacutefica e grandes descargas
As paacutes satildeo moacuteveis que permitem variar o seu acircngulo de ataque com um mecanismo de orientaccedilatildeo que eacute controlado pelo regulador da turbina isso faz com que a
inclinaccedilatildeo das paacutes se ajuste conforme a variaccedilatildeo da descarga e potecircncia sem
apreciaacutevel variaccedilatildeo do rendimento (GUEDES1994 p 6) A usina hidreleacutetrica de Trecircs
Marias funciona com turbina Kaplan por exemplo
13
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo Turbinas de impulso como o Turgo Pelton e turbinas de Fluxo Cruzado tecircm muitas
vantagens Elas tecircm uma eficiecircncia maior especialmente em condiccedilotildees de fluxo
parcial o que pode fornecer mais do que 90 de eficaacutecia A eficiecircncia tambeacutem eacute
passiacutevel de se manter em valores elevados mesmo variando-se as condiccedilotildees de
trabalho (ex vazatildeo variaacutevel) Satildeo faacuteceis de manter e fabricar os eixos natildeo
necessitam de qualquer selo de pressatildeo tendo uma maior toleracircncia a areia e outras partiacuteculas em aacutegua com pouco efeito sobre o desempenho das turbinas Aleacutem disso
a turbina Pelton e Turgo tecircm projetos simples e satildeo rentaacuteveis em escalas de micro
hidreleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 46)
Contudo a Turgo e Pelton em locais de baixa queda natildeo se mostram rentaacuteveis
14
quando leva-se em conta suas caracteriacutesticas de desempenho e anaacutelise de custo ao
contraacuterio da turbina de Fluxo Cruzado que eacute mais adequado para aplicaccedilotildees de baixa
queda porque a sua eficiecircncia depende basicamente da vazatildeo e os outros dois tipos natildeo Turbinas de impulso tambeacutem tem velocidade especiacutefica menor o que seria
necessaacuterio a instalaccedilatildeo de um sistema que aumentasse a velocidade da aacutegua
(ELBATRAN 2014 p 46)
As de reaccedilatildeo satildeo mais apropriadas para condiccedilotildees de baixa queda por possuiacuterem
maiores velocidades especiacuteficas jaacute que as turbinas estatildeo conectadas diretamente ao
alternador sem a necessidade do sistema de transmissatildeo Consequentemente o
custo de remoccedilatildeo do sistema de acionamento eacute significativamente baixo Estas
turbinas podem tambeacutem ser utilizadas em diferentes quedas a turbina Francis eacute
apropriada para o meacutedias a altas quedas enquanto a Propeller e BFT satildeo mais
adequados para as quedas menores (ELBATRAN 2014 p 46) FONTE
Por outro lado a implantaccedilatildeo de turbinas de reaccedilatildeo eacute mais complicada do que as
turbinas de impulso porque requerem a utilizaccedilatildeo de lacircminas de revestimento isto
pode causar o aumento no custo do orccedilamento inicial Portanto o uso de turbinas de
reaccedilatildeo nos esquemas de micro hidreleacutetricas eacute menos atraente especialmente em
aacutereas com populaccedilatildeo de baixa renda No entanto BFT e Propeller hoje em dia foram melhoradas para serem utilizadas em instalaccedilotildees de micro hidreleacutetricas mas com a
condiccedilatildeo de que os ambientes tenham queda e vazatildeo regulares (ELBATRAN 2014
p46)
Natildeo obstante haacute uma seacuterie de soluccedilotildees em relaccedilatildeo a este assunto tais como
condutas forccediladas de baixo custo tipo de desenvolvimento das turbinas e gerador de
induccedilatildeo tudo para eliminar o custo total dos sistemas e tornaacute-los mais acessiacuteveis nas
aplicaccedilotildees em zonas remotas e montanhosas A reduccedilatildeo do custo da turbina eacute a
maneira mais eficaz de reduzir o orccedilamento inicial de projeto pois eacute a parte mais
onerosa no sistema
Uma seacuterie de opccedilotildees de configuraccedilatildeo de turbina tecircm sido propostas para reduzir o custo do conjunto de microturbinas Bomba centrifuga funcionando como turbina
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
8 BIBLIOGRAFIA CACHAPUZ Paulo Brandi de Barros Usinas da Cemig 1952-2005 A histoacuteria da eletricidade em Minas e no Brasil Rio de Janeiro Centro da Memoacuteria da
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Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
III
LIZA FREITAS SILVA
ANAacuteLISE DAS CONDICIONANTES PARA O DESENVOLVIMENTO DE UMA TURBINA LOW HEAD NO BRASIL
Monografia de graduaccedilatildeo apresentada ao Curso Eng Agriacutecola e Ambiental da Universidade Federal Fluminense como requisito parcial para a obtenccedilatildeo do grau de Engenheiro Agriacutecola e Ambiental
Orientador Marcos Alexandre Teixeira Prof
NITEROacuteI - RJ 2016
IV
V
DEDICATOacuteRIA
Dedico esta dissertaccedilatildeo aos meus pais Marco e Marilene que sempre apoiaram
e incentivaram a minha vida acadecircmica
VI
AGRADECIMENTOS
Primeiramente a Deus por guiar meus passos e acreditar que sempre existe uma
forccedila a maior que nos faz caminhar no caminho destinado
Aos meus pais por me darem sempre apoio incondicional e incentivo em diversos
momentos para que tenha-se tornado possiacutevel meu objetivo Aos amigos pela confianccedila que sempre depositaram em minhas qualidades e
que ajudaram esta jornada ser mais leve
Ao professor Marcos Alexandre Teixeira pelo constante incentivo paciecircncia e
orientaccedilatildeo em todos os ensinamentos principalmente aqueles que se aprendem
sem serem ensinados
A Universidade Federal Fluminense por dispor de professores com alto conteuacutedo acadecircmico e eacutetica profissional
E todas as pessoas que direta e indiretamente auxiliaram na realizaccedilatildeo deste
trabalho
VII
Determinaccedilatildeo coragem e autoconfianccedila satildeo fatores
decisivos para o sucesso Se estamos possuiacutedos por
uma inabalaacutevel determinaccedilatildeo conseguiremos superaacute-
los Independentemente das circunstacircncias devemos
ser sempre humildes recatados e despidos de
orgulho
- Dalai Lama
VIII
RESUMO
A presente dissertaccedilatildeo aborda a viabilidade de implantaccedilatildeo de uma turbina Low Head no Brasil (Turbinas de Pequena Queda) na qual eacute uma turbina que
opera com pequenas quedas drsquoaacutegua (de 05 a 2 m) e natildeo necessita de
reservatoacuterio (represamento) Uma tecnologia especialmente aplicaacutevel para populaccedilotildees rurais do interior ou ribeirinhas que ainda natildeo estatildeo proacuteximas do
Sistema Nacional Interligado para fornecimento de energia eleacutetrica podendo
entatildeo utilizar desta tecnologia para melhorar suas condiccedilotildees de vida Com os
valores de vazatildeo entre 0024 ଷs e 0061 ଷs e queda drsquoaacutegua de 1 a 2 metros eacute
possiacutevel a instalaccedilatildeo deste equipamento na faixa de 100 a 500 W O estudo encontrou fabricantes brasileiros que possuem peccedilas e equipamentos que tecircm o
potencial que atendem agrave demanda de projeto de uma Low Head e que poderiam
ser incorporados para um possiacutevel desenvolvimento desta tecnologia no Brasil
neste caso em especial geradores de eletricidade derivados de turbina eoacutelicas de
pequeno porte e heacutelices de motor de popa (de 9 a 10 pol de diacircmetro)
PALAVRAS ndash CHAVE Turbina de pequena queda Energia Hidreleacutetrica
Viabilidade teacutecnica
IX
ABSTRACT
This viability to develop the concept of a so called Low Head Turbine in Brazil is
discussed that is a turbine that requires small head (0 5 to 2 m) and do not need
a dam for flow regulation Which have been considered a sustainable technology
for remote rural areas far away from the National Grid and this technology have
the potential to improve their livelihood conditions Flow values from 0024 ଷs to
0061 ଷs and heads between 1 and 2 meters is possible to install such
equipment on power from 100 up to 500 W The study found that Brazilian
manufacturers have pieces and equipment that could be incorporated within the design of a Low Head Turbine in this case electrical generators from small
windmills and propellers for outboard motor (from 9 to 10 inches diameter)
KEY WORDS Low Head Turbine Hydropower Energy technical viability
X
LISTA DE ILUSTRACcedilOtildeES
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE
2013)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina
de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52) Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado (PANISH 2002)
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA
NAUTICA 2013)
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante
EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1)
Figura 11 Motor YAMAHA 15 GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelog Yamaha 15GMHS 2015 p
27)
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine que atendem as demandas de
projeto (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26)
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso
14042016)
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016) Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa
ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
XI
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa
ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
XII
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Analise de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse
(PANISH 2002)
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
XIII
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AIE IEA - Agecircncia Internacional de Energia (International Energy Agency)
MME - Ministeacuterio de Minas e Energia
SIPOT - Potencial Hidreleacutetrico Brasileiro
BFT - Bomba Centrifuga Funcionando como turbina
CONMETRO - Conselho Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade
Industrial
IEV - Vocabulaacuterio Eletroteacutecnico Internacional EPE - Empresa de Pesquisa Energeacutetica
UHEs - Usinas Hidreleacutetricas
PNE - Plano Decenal de Expansatildeo de Energia
ANEEL - Agencia Nacional De Energia Eleacutetrica
ELETROBRAS - Centrais Eleacutetricas Brasileiras SA
ABNT- Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas
ISSO - International Organization for Standardization
IEC - International Electrotechnical Commission
NBR - Normas Teacutecnicas Brasileiras LHT ndash Low Head turbine
UFF ndash Universidade Federal Fluminense Cobei - Comitecirc Brasileiro de Eletricidade Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e
Telecomunicaccedilotildees
CB-03 - Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
CA - Corrente Alternada
CC - Corrente Contiacutenua
DNAEE - Departamento Nacional de Aacuteguas e Energia Eleacutetrica
XIV
LISTA DE EQUACcedilOtildeES
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
LISTA DE SIacuteMBOLOS
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
XV
SUMAacuteRIO 1 INTRODUCcedilAtildeO 1 2 OBJETIVO 3 3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA 4
31 Energia Hidreleacutetrica 4 32 Turbinas 5
321 Retrospectiva 5 322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas 6 323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines 8 324 Classificaccedilatildeo das Turbinas 9
3241 De Impulso 9 3242 De Reaccedilatildeo 11
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo 13 33 Geradores 15
4 MATERIAL E MEacuteTODO 17 41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 17 42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis 17 43 Elementos constituintes preferenciais 18 44 Analise de rendimento e funcionalidade 19 45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 20
5 RESULTADOS 21 51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 21 52 Normas aplicaacuteveis 23
521 Normas de Maior Relevacircncia 26 53 Elementos constituintes preferenciais 28
531 Heacutelice ou Propeller 28 5311 Fornecedores 30
532 Gerador 33 54 Analise de rendimento e funcionalidade 38 55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 40
6 DISCUSSOtildeES 42 7 CONCLUSAtildeO 44 8 BIBLIOGRAFIA 46 9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016 53
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
A eletricidade se tornou a principal fonte de luz calor e forccedila utilizada no mundo
moderno Atividades cotidianas como assistir agrave televisatildeo ou navegar na internet satildeo
possiacuteveis porque a energia eleacutetrica chega ateacute a sua casa Shoppings supermercados
e fabricas por exemplo precisam dela para funcionar Grande parte dos avanccedilos
tecnoloacutegicos alcanccedilados se deve agrave energia eleacutetrica
Ao contraacuterio de outras fontes de energia eleacutetrica a energia hidraacuteulica jaacute possui uma
presenccedila relevante na matriz energeacutetica mundial e aleacutem de possuir tecnologias
consolidadas sendo a segunda maior fonte de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no
mundo com uma participaccedilatildeo de aproximadamente 18 (Atlas Energia Eleacutetrica no
Brasil ANEEL 2002 p25)
Em termos absolutos os cinco maiores produtores de energia hidreleacutetrica no mundo
satildeo China Canadaacute Brasil Estados Unidos e Ruacutessia Em 2001 esses paiacuteses foram
responsaacuteveis por quase 50 de toda a produccedilatildeo mundial de energia hidreleacutetrica
(AIE 2008)
Especificamente o Brasil deteacutem aproximadamente 12 da aacutegua doce superficial do
planeta e condiccedilotildees adequadas para exploraccedilatildeo Com um potencial hidreleacutetrico de
260 GW segundo o Plano 2015 da Eletrobraacutes - segundo uacuteltimo inventaacuterio produzido
no paiacutes em 1992 ndash ainda existe um grande espaccedilo para crescer entretanto as
usinas hidreleacutetricas causam grande impacto ambiental devido agrave aacuterea alagada represada pela barragem causando tambeacutem a perda de solos agricultaacuteveis
florestas fauna e a retirada de populaccedilotildees ribeirinhas
De acordo com a Agecircncia Internacional de Energia (AIE) cerca de 13 bilhatildeo de
pessoas 18 da populaccedilatildeo mundial ainda natildeo tecircm acesso agrave eletricidade Este
nuacutemero poderaacute dobrar no futuro a natildeo ser que se tenha uma soluccedilatildeo eficaz e que seja adaptaacutevel particularmente para paiacuteses perifeacutericos Soluccedilotildees como a Low Head
Turbine (Turbinas de Pequena Queda) estatildeo tornando-se uma perspectiva atraente
2
para satisfazer as necessidades baacutesicas de eletricidade de comunidades remotas
(LAHIMER 2012 p 5862)
Este meacutetodo de produccedilatildeo de energia eleacutetrica jaacute presente em alguns lugares do mundo poreacutem ainda natildeo implantado no Brasil O conceito de Low Head Turbine jaacute eacute
utilizado em paiacuteses como Camarotildees China Colocircmbia Filipinas Indoneacutesia Nepal
Sri Lanka e Vietnatilde (LAHIMER 2012) Um sistema de geraccedilatildeo de energia que natildeo
necessita grandes quedas d`aacuteguas nem intervenccedilotildees draacutesticas aleacutem de ter um custo
acessiacutevel
Aleacutem disso a produccedilatildeo de energia eleacutetrica em pequena escala eacute uma das
tecnologias de energia mais rentaacuteveis a ser considerado para a eletrificaccedilatildeo rural
nos paiacuteses menos desenvolvidos Eacute tambeacutem uma tecnologia chave para regiotildees que
jaacute possuem domiacutenio da produccedilatildeo de energia hidreleacutetrica poreacutem natildeo possuem mais espaccedilo geograacutefico para implantar uma hidreleacutetrica de grande porte ou os locais de
possiacutevel alocaccedilatildeo satildeo inviaacuteveis ambientalmente (PAISH 2002 p537) Provando ser
uma boa opccedilatildeo para distintas utilizaccedilotildees
Neste sentido se pergunta por que esta tecnologia ainda natildeo estaacute presente no
Brasil e se esta viesse a ser desenvolvida quais seriam as condicionantes para o seu projeto e ou fabricaccedilatildeo
Entende-se que um equipamento nacional deveraacute atender agraves normas teacutecnicas
brasileiras assim como deveraacute ndash tanto quanto possiacutevel ndash fazer uso de peccedilas e
equipamentos jaacute disponiacuteveis no mercado brasileiro numa oacutetica de reduccedilatildeo de custos
e busca de parcerias para a sua disseminaccedilatildeo
Este vem a ser o foco do presente trabalho o levantamento destas condicionantes para o projeto e desenvolvimento destas Turbinas de Pequena Queda ou Low Head
Turbine no Brasil
3
2 OBJETIVO
Com base em um projeto tiacutepico de turbina de impulso para baixo valor de queda drsquoaacutegua - Low Head Turbine (Turbina de Pequena Queda) - avaliar quais as normas
brasileiras aplicaacuteveis e qual o melhor entendimento destas para a adequaccedilatildeo dos
padrotildees internacionais para a realidade brasileira assim como identificar elementos
que poderiam ser norteadores no projeto deste tipo de equipamento no Brasil
Para que este objetivo seja atingido eacute necessaacuterio materializar objetivos parciais
1 Identificar as Normas Brasileiras aplicaacuteveis
2 Definir os elementos constituintes do sistema e sua disponibilidade no
mercado brasileiro
3 Com base em uma localizaccedilatildeo tiacutepica analisar seu rendimento e
funcionalidade
4 Finalizar avaliando a viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head
Turbine no Brasil
4
3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
31 Energia Hidreleacutetrica No Brasil a utilizaccedilatildeo de energia hidreleacutetrica no Brasil teve iniacutecio em 1883 com a
instalaccedilatildeo da usina de Ribeiratildeo do Inferno em Diamantina (MG) Jaacute em 1889 entrou
em operaccedilatildeo a usina de Marmelos Zero ndash instalada no rio Paraibuna a 7 km de Juiz
de Fora (MG) ndash foi a primeira com a finalidade de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para o
uso puacuteblico com 250 kW de potecircncia instalada (CACHAPUZ 2006 p15)
A primeira hidreleacutetrica de maior porte comeccedilou a ser construiacuteda no Nordeste (Paulo
Afonso I com potecircncia de 180 MW) pela Companhia Hidreleacutetrica do Satildeo Francisco
(estatal constituiacuteda em 1948) As demais erguidas ao longo dos 60 anos seguintes
concentraram-se nas regiotildees Sul Sudeste e Nordeste (com o aproveitamento
integral do rio Satildeo Francisco) No Norte foram construiacutedas Tucuruiacute no Paraacute e Balbina no Amazonas Nos anos 90 a Usina Serra da Mesa (GO) no rio Tocantins
(Atlas Energia Eleacutetrica no Brasil ANEEL 2008 p57) Todas as construiacutedas ateacute o
momento possuindo capacidade eleacutetrica entre 3984 MW a 8370 MW de acordo
com dados fornecidos pelo Governo Federal Brasileiro
Pacheco (2013 apud TUNDISI 2005) constatou que potencial hidreleacutetrico brasileiro
eacute estimado em cerca de 260 GW dos quais 405 estatildeo localizados na Bacia
Hidrograacutefica do Amazonas a Bacia do Paranaacute responde por 23 a do Tocantins
por 106 e a do Satildeo Francisco por 10 Apenas 63 do potencial foi inventariado
e a Regiatildeo Norte tem um grande potencial ainda por explorar
O estudo sobre energia hidreleacutetrica constante do Plano Nacional de Energia 2030
(PNE) realizado pela Empresa de Pesquisa Energeacutetica (EPE) e o Ministeacuterio de
Minas e Energia (MME) em 2007 relacionou o potencial de aproveitamento ainda
existente em cada uma das bacias hidrograacuteficas do paiacutes A bacia do rio Amazonas eacute
a maior com um potencial de 106000 MW superior agrave potecircncia jaacute instalada no
Brasil em 2008 de 102000 MW A bacia do TocantinsAraguaia possui potencial de 28000 MW dos quais quase 12200 MW jaacute estatildeo aproveitados pelas usinas
5
hidreleacutetricas (UHEs) e o potencial a ser aproveitado 90 poreacutem sofrem alguma
restriccedilatildeo ambiental (EPE 2013)
Outra bacia importante eacute a Tapajoacutes Em 2008 a Aneel estudava viabilidade de trecircs
aproveitamentos no rio Teles Pires Em 2013 o potencial hidraacuteulico do Brasil foi
avaliado como tendo somente 26 de sua totalidade utilizado como indicado na Figura 1 colocando o Brasil como 8ordm paiacutes em termos de menor aproveitamento de
seu potencial hidroeleacutetrico
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE 2013)
32 Turbinas
321 Retrospectiva Desde antes de Cristo os mesopotacircmicos e egiacutepcios jaacute utilizavam as maacutequinas
motrizes hidraacuteulicas sendo que o primeiro mecanismo antecessor a turbina
hidraacuteulica foram as rodas drsquoaacutegua que movimentavam-se por meio da aacutegua que
passava por debaixo da roda
6
No seacuteculo XVIII periacuteodo que teve grande desenvolvimento da ciecircncia hidraacuteulica
Daniel Bernoulli (1700-1782) publicou os fundamentos da hidrodinacircmica onde
continha a equaccedilatildeo de equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo de energia para fluidos No mesmo seacuteculo teve-se algumas tentativas para ocorrer a transiccedilatildeo da roda hidraacuteulica para agrave
turbina
Entretanto somente no seacuteculo XIX o termo turbina apareceu por meio de Claude Burdin (1790-1873) que publicou o trabalho ldquoDas turbinas hidraacuteulicas ou maacutequinas
rotativas de grande velocidaderdquo sobre uma anaacutelise teoacuterica que dava importacircncia a
velocidade de rotaccedilatildeo (JUNIOR 2013 p8)
Por fim seu aluno Benoit Fourneyron (1802-1867) desenhou e construiu rodas que
atingiam velocidades de rotaccedilatildeo de 60 rpm ou mais e que forneciam ateacute 50 CV nas
faacutebricas metaluacutergicas francesas Assim em 1827 construiu um turbina centriacutefuga de 6 CV e 80 de rendimento a primeira turbina industrial (ALVES 2007 apud
MACINTYPE 1983)
322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas As turbinas hidraacuteulicas no geral seguem a mesma loacutegica de funcionamento O
movimento giratoacuterio provocado pelo fluxo drsquoaacutegua faz girar o rotor do gerador eleacutetrico
que estaacute acoplado na turbina fazendo com que o deslocamento do campo magneacutetico
transforme a potecircncia de eixo em potecircncia eleacutetrica
As principais condiccedilotildees para a escolha da turbina ideal satildeo a queda d`aacutegua vazatildeo e
velocidade especiacutefica A altura da queda d`aacutegua eacute medida como a distacircncia vertical
entre a superfiacutecie mais alta e mais baixa da queda deduzido de eventuais perdas tais
como o atrito do tubo A vazatildeo eacute medida pela quantidade total de aacutegua que passa
atraveacutes da turbina
Turbinas em geral podem operar atraveacutes de distintas vazotildees Entretanto a eficiecircncia
da turbina diminui quando a taxa de vazatildeo varia em comparaccedilatildeo com a taxa de
vazatildeo ideal pois com o dimensionamento errocircneo pode-se instalar uma turbina que
em sua eficiecircncia maacutexima natildeo supere o fluxo disponiacutevel quando a vazatildeo eacute maacutexima
7
Assim aleacutem dos fatores citados a anaacutelise detalhada do fluxo ao longo do tempo deve
de ser realizada para que a escolha da turbina supra as necessidades de projeto
Vale ressaltar que atualmente a eficiecircncia das turbinas estaacute em torno de 85 a 95
sem as perdas hidraacuteulicas ou mecacircnicas que possam ocorrer (APPLEGATE INC
2013 p3)
As turbinas satildeo constituiacutedas essencialmente por distribuidor a roda moacutevel ou rotor o
difusor ou tubo de succcedilatildeo e sua carcaccedila O distribuidor conduz a aacutegua agrave roda pela
direccedilatildeo correta e regula a vazatildeo O rotor eacute responsaacutevel por transformar parte da
energia hidraacuteulica em trabalho mecacircnico O difusor recupera a altura entre a saiacuteda da
roda e o niacutevel do canal de fuga e a carcaccedila desacelera o fluxo drsquoaacutegua poacutes-turbina devolvendo-a ao corpo drsquoaacutegua (JUacuteNIOR 2013 p 9)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52)
8
323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines Nas aacutereas urbanas o percentual da populaccedilatildeo com acesso agrave eletricidade eacute elevado
devido ao baixo custo de conexatildeo agrave rede Em aacutereas rurais no entanto o acesso eacute
limitado devido ao alto custo de estender a rede aos centros de baixa densidade
populacional As tecnologias de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em baixa escala satildeo capazes de fornecer a eletricidade onde a extensatildeo da rede eacute muito cara e onde ndash
tradicionalmente haacute uma precariedade de atendimento das concessionarias de
energia e os consumidores tecircm baixo consumo de energia (WILLIAMSON 2012
p43) Com a energia eleacutetrica seria possiacutevel estender as atividades produtivas
aproveitar os recursos naturais aumentar o mercado de trabalho e melhorar sua
situaccedilatildeo econocircmica cultural e social (ALVES 2007 p2)
A tecnologia Low Head Turbine eacute uma tecnologia possiacutevel de ser utilizada nestas
comunidades que vivem em lugares de difiacutecil acesso e aleacutem disso possuem recursos
locais (rios de pequeno porte eou coacuterregos) capazes para produzir sua proacutepria
energia jaacute que dependendo da quantidade de energia gerada natildeo se precisa de retenccedilatildeo de aacutegua e grandes quedas d` aacutegua
As turbinas em questatildeo somente exigem uma queda de menos de 10 metros
(normal muito menos) e um fluxo de aacutegua suficiente (ateacute 5 m3s aprox) para prover
energia adequada pois num primeiro momento estes locais apresentam baixa
demanda de energia (ateacute 500 W) em especial representadas por iluminaccedilatildeo agrave noite e um raacutedio ou televisatildeo para entretenimento
As Low Head Turbines que produzem 200 a 1000 W de potecircncia e satildeo
particularmente populares em aacutereas rurais porque satildeo usadas para gerar
eletricidade para iluminaccedilatildeoTV raacutedio ventilador de mesa refrigeraccedilatildeo alimentaccedilatildeo
de ferramentas agriacutecolas processamento de alimentos e a carga da bateria em
aacutereas rurais (LAHIMER 2012 p 5865)
Em um relatoacuterio do Banco Mundial foi comprovado que a energia hidreleacutetrica em
baixa escala no geral representou a oportunidade mais barata para a geraccedilatildeo de
energia com menos de 5 kW em 2005 e foi projetado para ser de pelo menos 25
9
mais barata do que outras alternativas ainda depois de dez anos (WILLIAMSON
2012 p43)
324 Classificaccedilatildeo das Turbinas As turbinas satildeo divididas em duas categorias de reaccedilatildeo e impulso ou accedilatildeo As turbinas de impulso a energia hidraacuteulica disponiacutevel eacute transformada em energia
cineacutetica para apoacutes incidir nas paacutes do rotor transformar-se em mecacircnica todo o
escoamento ocorre sem variaccedilatildeo de pressatildeo atmosfeacuterica com mesma pressatildeo de
entrada e saiacuteda
Jaacute as de reaccedilatildeo o rotor eacute completamente imerso na aacutegua assim no escoamento ocorre uma queda de pressatildeo e de velocidade entre a entrada e a saiacuteda do rotor A
pressatildeo de saiacuteda eacute inferior agrave entrada e em funccedilatildeo disso satildeo normalmente utilizadas
para meacutedias e baixas quedas
Em baixas velocidades de operaccedilatildeo a eficiecircncia das turbinas de reaccedilatildeo eacute normalmente maior do que as de turbina de impulso Na categoria das turbinas de
reaccedilatildeo ainda tem-se uma subdivisatildeo entre turbinas de escoamento radiais e turbinas
de escoamento axiais No qual as radiais o fluxo eacute perpendicular ao eixo de rotaccedilatildeo
enquanto as axiais o fluxo eacute aproximadamente paralelo ao eixo de rotaccedilatildeo (JUNIOR
2003 p 11)
Tradicionalmente o uso de turbinas hidraacuteulicas tem-se concentrado no tipo Pelton
com um ou mais jatos no caso das maacutequinas de impulso na Francis Heacutelice e
Kaplan no caso do tipo de reaccedilatildeo (SANTOS 2010 p 31)
3241 De Impulso Turbina Pelton eacute utilizada em altas quedas e velocidade de rotaccedilatildeo mais baixa
Alturas superiores a 150 metros podendo chegar ateacute 2000 metros (EISENRING
1991) Com eixo horizontal para o caso de um ou dois jatos e eixo vertical para um
nuacutemero de jatos de trecircs a seis satildeo alcanccediladas potecircncias que podem chegar mais de
10
100 MW por unidade e quedas da ordem de 1900 metros Geralmente a turbina
Pelton possui alta eficiecircncia entre 70-90 NATIONAL RENEWABLE ENERGY
LABORATORY 2011)
Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
A turbina de fluxo cruzado eacute outra turbina que possui destaque nas classificadas
como de impulso Esse tipo de turbina eacute mais utilizado em altas vazotildees e baixas
quedas d`aacutegua do que as turbinas de Pelton e Turgo (GHOSH 2011) A eficiecircncia de
uma turbina de fluxo cruzado depende de seus paracircmetros geomeacutetricos como o
nuacutemero de laminas diacircmetro do rotor arco de entrada do bico e acircngulo de ataque
Turbina Turgo eacute uma maacutequina de impulso similar a turbina Pelton A eficaacutecia na transmissatildeo de energia a partir do jato de aacutegua para o gerador de turbina Turgo depende da velocidade de eixo Assim Cobb e Shar em Impulse (Turgo and Pelton)
turbine performance characteristics and their impact on pico-hydro installations 2007
realizaram um estudo e constaram que o pico de eficiecircncia pode ser conseguido em
uma proporccedilatildeo de baixa velocidade
11
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
3242 De Reaccedilatildeo A turbina Francis escoamento radial eacute a mais usada em grandes usinas hidreleacutetricas
No Brasil a usina hidreleacutetrica mais conhecida Itaipu utiliza este tipo de turbina E de acordo com os dados oficiais da Usina tem-se uma queda liacutequida de projeto de 1184
metros vazatildeo nominal de 690 m3s e uma potecircncia nominal de 715MW Suas
caracteriacutesticas hidraacuteulicas especiais permitem fabricar unidades compactas de alta
velocidade ateacute as potecircncias mais elevadas Para valores inferiores da queda utilizam-
se turbinas de caixa aberta Ela pode ser usada para grandes meacutedias ou pequenas
hidreleacutetricas com quedas entre 1 metro e 900 metros Elbatran et al concluiu que a eficaacutecia de uma turbina Francis depende principalmente do desenvolvimento do seu
voacutertice helicoidal
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
12
O uacuteltimo tipo de turbina de reaccedilatildeo escoamento axial abrange subcategorias em sua
abrangecircncia As turbinas cujas as paacutes do rotor satildeo fixas conhecidas como turbinas
HelicePropeller e as com paacutes do rotor ajustaacuteveis tendo como turbina de referecircncia Kaplan Suas semelhanccedilas satildeo possuir baixa velocidade entre 70 e 350 rpm e
serem utilizadas em baixa queda (ANEEL 2002 p25) Outros tipos de maacutequinas
axiais satildeo as turbinas Tubulares Bulbo e Straflo
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
As mais utilizadas satildeo a de tipo HeacutelicePropeller e Kaplan A turbina Heacutelice veio da
necessidade da obtenccedilatildeo de turbinas com velocidades consideraacuteveis em baixas
quedas e grandes descargas que teve origem em 1908 (RAMOS 2008 Cap8)
Tambeacutem aliam caracteriacutesticas de serem simples e de baixo custo Elas consistem de basicamente de um rotor similar a heacutelice de navio ajustada internamente na
continuaccedilatildeo de um conduto com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a
tubulaccedilatildeo muda de direccedilatildeo (JUNIOR 2011 p15)
Jaacute a turbina Kaplan satildeo adaptadas a baixa altura topograacutefica e grandes descargas
As paacutes satildeo moacuteveis que permitem variar o seu acircngulo de ataque com um mecanismo de orientaccedilatildeo que eacute controlado pelo regulador da turbina isso faz com que a
inclinaccedilatildeo das paacutes se ajuste conforme a variaccedilatildeo da descarga e potecircncia sem
apreciaacutevel variaccedilatildeo do rendimento (GUEDES1994 p 6) A usina hidreleacutetrica de Trecircs
Marias funciona com turbina Kaplan por exemplo
13
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo Turbinas de impulso como o Turgo Pelton e turbinas de Fluxo Cruzado tecircm muitas
vantagens Elas tecircm uma eficiecircncia maior especialmente em condiccedilotildees de fluxo
parcial o que pode fornecer mais do que 90 de eficaacutecia A eficiecircncia tambeacutem eacute
passiacutevel de se manter em valores elevados mesmo variando-se as condiccedilotildees de
trabalho (ex vazatildeo variaacutevel) Satildeo faacuteceis de manter e fabricar os eixos natildeo
necessitam de qualquer selo de pressatildeo tendo uma maior toleracircncia a areia e outras partiacuteculas em aacutegua com pouco efeito sobre o desempenho das turbinas Aleacutem disso
a turbina Pelton e Turgo tecircm projetos simples e satildeo rentaacuteveis em escalas de micro
hidreleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 46)
Contudo a Turgo e Pelton em locais de baixa queda natildeo se mostram rentaacuteveis
14
quando leva-se em conta suas caracteriacutesticas de desempenho e anaacutelise de custo ao
contraacuterio da turbina de Fluxo Cruzado que eacute mais adequado para aplicaccedilotildees de baixa
queda porque a sua eficiecircncia depende basicamente da vazatildeo e os outros dois tipos natildeo Turbinas de impulso tambeacutem tem velocidade especiacutefica menor o que seria
necessaacuterio a instalaccedilatildeo de um sistema que aumentasse a velocidade da aacutegua
(ELBATRAN 2014 p 46)
As de reaccedilatildeo satildeo mais apropriadas para condiccedilotildees de baixa queda por possuiacuterem
maiores velocidades especiacuteficas jaacute que as turbinas estatildeo conectadas diretamente ao
alternador sem a necessidade do sistema de transmissatildeo Consequentemente o
custo de remoccedilatildeo do sistema de acionamento eacute significativamente baixo Estas
turbinas podem tambeacutem ser utilizadas em diferentes quedas a turbina Francis eacute
apropriada para o meacutedias a altas quedas enquanto a Propeller e BFT satildeo mais
adequados para as quedas menores (ELBATRAN 2014 p 46) FONTE
Por outro lado a implantaccedilatildeo de turbinas de reaccedilatildeo eacute mais complicada do que as
turbinas de impulso porque requerem a utilizaccedilatildeo de lacircminas de revestimento isto
pode causar o aumento no custo do orccedilamento inicial Portanto o uso de turbinas de
reaccedilatildeo nos esquemas de micro hidreleacutetricas eacute menos atraente especialmente em
aacutereas com populaccedilatildeo de baixa renda No entanto BFT e Propeller hoje em dia foram melhoradas para serem utilizadas em instalaccedilotildees de micro hidreleacutetricas mas com a
condiccedilatildeo de que os ambientes tenham queda e vazatildeo regulares (ELBATRAN 2014
p46)
Natildeo obstante haacute uma seacuterie de soluccedilotildees em relaccedilatildeo a este assunto tais como
condutas forccediladas de baixo custo tipo de desenvolvimento das turbinas e gerador de
induccedilatildeo tudo para eliminar o custo total dos sistemas e tornaacute-los mais acessiacuteveis nas
aplicaccedilotildees em zonas remotas e montanhosas A reduccedilatildeo do custo da turbina eacute a
maneira mais eficaz de reduzir o orccedilamento inicial de projeto pois eacute a parte mais
onerosa no sistema
Uma seacuterie de opccedilotildees de configuraccedilatildeo de turbina tecircm sido propostas para reduzir o custo do conjunto de microturbinas Bomba centrifuga funcionando como turbina
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
IV
V
DEDICATOacuteRIA
Dedico esta dissertaccedilatildeo aos meus pais Marco e Marilene que sempre apoiaram
e incentivaram a minha vida acadecircmica
VI
AGRADECIMENTOS
Primeiramente a Deus por guiar meus passos e acreditar que sempre existe uma
forccedila a maior que nos faz caminhar no caminho destinado
Aos meus pais por me darem sempre apoio incondicional e incentivo em diversos
momentos para que tenha-se tornado possiacutevel meu objetivo Aos amigos pela confianccedila que sempre depositaram em minhas qualidades e
que ajudaram esta jornada ser mais leve
Ao professor Marcos Alexandre Teixeira pelo constante incentivo paciecircncia e
orientaccedilatildeo em todos os ensinamentos principalmente aqueles que se aprendem
sem serem ensinados
A Universidade Federal Fluminense por dispor de professores com alto conteuacutedo acadecircmico e eacutetica profissional
E todas as pessoas que direta e indiretamente auxiliaram na realizaccedilatildeo deste
trabalho
VII
Determinaccedilatildeo coragem e autoconfianccedila satildeo fatores
decisivos para o sucesso Se estamos possuiacutedos por
uma inabalaacutevel determinaccedilatildeo conseguiremos superaacute-
los Independentemente das circunstacircncias devemos
ser sempre humildes recatados e despidos de
orgulho
- Dalai Lama
VIII
RESUMO
A presente dissertaccedilatildeo aborda a viabilidade de implantaccedilatildeo de uma turbina Low Head no Brasil (Turbinas de Pequena Queda) na qual eacute uma turbina que
opera com pequenas quedas drsquoaacutegua (de 05 a 2 m) e natildeo necessita de
reservatoacuterio (represamento) Uma tecnologia especialmente aplicaacutevel para populaccedilotildees rurais do interior ou ribeirinhas que ainda natildeo estatildeo proacuteximas do
Sistema Nacional Interligado para fornecimento de energia eleacutetrica podendo
entatildeo utilizar desta tecnologia para melhorar suas condiccedilotildees de vida Com os
valores de vazatildeo entre 0024 ଷs e 0061 ଷs e queda drsquoaacutegua de 1 a 2 metros eacute
possiacutevel a instalaccedilatildeo deste equipamento na faixa de 100 a 500 W O estudo encontrou fabricantes brasileiros que possuem peccedilas e equipamentos que tecircm o
potencial que atendem agrave demanda de projeto de uma Low Head e que poderiam
ser incorporados para um possiacutevel desenvolvimento desta tecnologia no Brasil
neste caso em especial geradores de eletricidade derivados de turbina eoacutelicas de
pequeno porte e heacutelices de motor de popa (de 9 a 10 pol de diacircmetro)
PALAVRAS ndash CHAVE Turbina de pequena queda Energia Hidreleacutetrica
Viabilidade teacutecnica
IX
ABSTRACT
This viability to develop the concept of a so called Low Head Turbine in Brazil is
discussed that is a turbine that requires small head (0 5 to 2 m) and do not need
a dam for flow regulation Which have been considered a sustainable technology
for remote rural areas far away from the National Grid and this technology have
the potential to improve their livelihood conditions Flow values from 0024 ଷs to
0061 ଷs and heads between 1 and 2 meters is possible to install such
equipment on power from 100 up to 500 W The study found that Brazilian
manufacturers have pieces and equipment that could be incorporated within the design of a Low Head Turbine in this case electrical generators from small
windmills and propellers for outboard motor (from 9 to 10 inches diameter)
KEY WORDS Low Head Turbine Hydropower Energy technical viability
X
LISTA DE ILUSTRACcedilOtildeES
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE
2013)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina
de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52) Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado (PANISH 2002)
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA
NAUTICA 2013)
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante
EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1)
Figura 11 Motor YAMAHA 15 GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelog Yamaha 15GMHS 2015 p
27)
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine que atendem as demandas de
projeto (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26)
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso
14042016)
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016) Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa
ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
XI
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa
ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
XII
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Analise de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse
(PANISH 2002)
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
XIII
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AIE IEA - Agecircncia Internacional de Energia (International Energy Agency)
MME - Ministeacuterio de Minas e Energia
SIPOT - Potencial Hidreleacutetrico Brasileiro
BFT - Bomba Centrifuga Funcionando como turbina
CONMETRO - Conselho Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade
Industrial
IEV - Vocabulaacuterio Eletroteacutecnico Internacional EPE - Empresa de Pesquisa Energeacutetica
UHEs - Usinas Hidreleacutetricas
PNE - Plano Decenal de Expansatildeo de Energia
ANEEL - Agencia Nacional De Energia Eleacutetrica
ELETROBRAS - Centrais Eleacutetricas Brasileiras SA
ABNT- Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas
ISSO - International Organization for Standardization
IEC - International Electrotechnical Commission
NBR - Normas Teacutecnicas Brasileiras LHT ndash Low Head turbine
UFF ndash Universidade Federal Fluminense Cobei - Comitecirc Brasileiro de Eletricidade Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e
Telecomunicaccedilotildees
CB-03 - Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
CA - Corrente Alternada
CC - Corrente Contiacutenua
DNAEE - Departamento Nacional de Aacuteguas e Energia Eleacutetrica
XIV
LISTA DE EQUACcedilOtildeES
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
LISTA DE SIacuteMBOLOS
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
XV
SUMAacuteRIO 1 INTRODUCcedilAtildeO 1 2 OBJETIVO 3 3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA 4
31 Energia Hidreleacutetrica 4 32 Turbinas 5
321 Retrospectiva 5 322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas 6 323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines 8 324 Classificaccedilatildeo das Turbinas 9
3241 De Impulso 9 3242 De Reaccedilatildeo 11
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo 13 33 Geradores 15
4 MATERIAL E MEacuteTODO 17 41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 17 42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis 17 43 Elementos constituintes preferenciais 18 44 Analise de rendimento e funcionalidade 19 45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 20
5 RESULTADOS 21 51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 21 52 Normas aplicaacuteveis 23
521 Normas de Maior Relevacircncia 26 53 Elementos constituintes preferenciais 28
531 Heacutelice ou Propeller 28 5311 Fornecedores 30
532 Gerador 33 54 Analise de rendimento e funcionalidade 38 55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 40
6 DISCUSSOtildeES 42 7 CONCLUSAtildeO 44 8 BIBLIOGRAFIA 46 9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016 53
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
A eletricidade se tornou a principal fonte de luz calor e forccedila utilizada no mundo
moderno Atividades cotidianas como assistir agrave televisatildeo ou navegar na internet satildeo
possiacuteveis porque a energia eleacutetrica chega ateacute a sua casa Shoppings supermercados
e fabricas por exemplo precisam dela para funcionar Grande parte dos avanccedilos
tecnoloacutegicos alcanccedilados se deve agrave energia eleacutetrica
Ao contraacuterio de outras fontes de energia eleacutetrica a energia hidraacuteulica jaacute possui uma
presenccedila relevante na matriz energeacutetica mundial e aleacutem de possuir tecnologias
consolidadas sendo a segunda maior fonte de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no
mundo com uma participaccedilatildeo de aproximadamente 18 (Atlas Energia Eleacutetrica no
Brasil ANEEL 2002 p25)
Em termos absolutos os cinco maiores produtores de energia hidreleacutetrica no mundo
satildeo China Canadaacute Brasil Estados Unidos e Ruacutessia Em 2001 esses paiacuteses foram
responsaacuteveis por quase 50 de toda a produccedilatildeo mundial de energia hidreleacutetrica
(AIE 2008)
Especificamente o Brasil deteacutem aproximadamente 12 da aacutegua doce superficial do
planeta e condiccedilotildees adequadas para exploraccedilatildeo Com um potencial hidreleacutetrico de
260 GW segundo o Plano 2015 da Eletrobraacutes - segundo uacuteltimo inventaacuterio produzido
no paiacutes em 1992 ndash ainda existe um grande espaccedilo para crescer entretanto as
usinas hidreleacutetricas causam grande impacto ambiental devido agrave aacuterea alagada represada pela barragem causando tambeacutem a perda de solos agricultaacuteveis
florestas fauna e a retirada de populaccedilotildees ribeirinhas
De acordo com a Agecircncia Internacional de Energia (AIE) cerca de 13 bilhatildeo de
pessoas 18 da populaccedilatildeo mundial ainda natildeo tecircm acesso agrave eletricidade Este
nuacutemero poderaacute dobrar no futuro a natildeo ser que se tenha uma soluccedilatildeo eficaz e que seja adaptaacutevel particularmente para paiacuteses perifeacutericos Soluccedilotildees como a Low Head
Turbine (Turbinas de Pequena Queda) estatildeo tornando-se uma perspectiva atraente
2
para satisfazer as necessidades baacutesicas de eletricidade de comunidades remotas
(LAHIMER 2012 p 5862)
Este meacutetodo de produccedilatildeo de energia eleacutetrica jaacute presente em alguns lugares do mundo poreacutem ainda natildeo implantado no Brasil O conceito de Low Head Turbine jaacute eacute
utilizado em paiacuteses como Camarotildees China Colocircmbia Filipinas Indoneacutesia Nepal
Sri Lanka e Vietnatilde (LAHIMER 2012) Um sistema de geraccedilatildeo de energia que natildeo
necessita grandes quedas d`aacuteguas nem intervenccedilotildees draacutesticas aleacutem de ter um custo
acessiacutevel
Aleacutem disso a produccedilatildeo de energia eleacutetrica em pequena escala eacute uma das
tecnologias de energia mais rentaacuteveis a ser considerado para a eletrificaccedilatildeo rural
nos paiacuteses menos desenvolvidos Eacute tambeacutem uma tecnologia chave para regiotildees que
jaacute possuem domiacutenio da produccedilatildeo de energia hidreleacutetrica poreacutem natildeo possuem mais espaccedilo geograacutefico para implantar uma hidreleacutetrica de grande porte ou os locais de
possiacutevel alocaccedilatildeo satildeo inviaacuteveis ambientalmente (PAISH 2002 p537) Provando ser
uma boa opccedilatildeo para distintas utilizaccedilotildees
Neste sentido se pergunta por que esta tecnologia ainda natildeo estaacute presente no
Brasil e se esta viesse a ser desenvolvida quais seriam as condicionantes para o seu projeto e ou fabricaccedilatildeo
Entende-se que um equipamento nacional deveraacute atender agraves normas teacutecnicas
brasileiras assim como deveraacute ndash tanto quanto possiacutevel ndash fazer uso de peccedilas e
equipamentos jaacute disponiacuteveis no mercado brasileiro numa oacutetica de reduccedilatildeo de custos
e busca de parcerias para a sua disseminaccedilatildeo
Este vem a ser o foco do presente trabalho o levantamento destas condicionantes para o projeto e desenvolvimento destas Turbinas de Pequena Queda ou Low Head
Turbine no Brasil
3
2 OBJETIVO
Com base em um projeto tiacutepico de turbina de impulso para baixo valor de queda drsquoaacutegua - Low Head Turbine (Turbina de Pequena Queda) - avaliar quais as normas
brasileiras aplicaacuteveis e qual o melhor entendimento destas para a adequaccedilatildeo dos
padrotildees internacionais para a realidade brasileira assim como identificar elementos
que poderiam ser norteadores no projeto deste tipo de equipamento no Brasil
Para que este objetivo seja atingido eacute necessaacuterio materializar objetivos parciais
1 Identificar as Normas Brasileiras aplicaacuteveis
2 Definir os elementos constituintes do sistema e sua disponibilidade no
mercado brasileiro
3 Com base em uma localizaccedilatildeo tiacutepica analisar seu rendimento e
funcionalidade
4 Finalizar avaliando a viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head
Turbine no Brasil
4
3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
31 Energia Hidreleacutetrica No Brasil a utilizaccedilatildeo de energia hidreleacutetrica no Brasil teve iniacutecio em 1883 com a
instalaccedilatildeo da usina de Ribeiratildeo do Inferno em Diamantina (MG) Jaacute em 1889 entrou
em operaccedilatildeo a usina de Marmelos Zero ndash instalada no rio Paraibuna a 7 km de Juiz
de Fora (MG) ndash foi a primeira com a finalidade de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para o
uso puacuteblico com 250 kW de potecircncia instalada (CACHAPUZ 2006 p15)
A primeira hidreleacutetrica de maior porte comeccedilou a ser construiacuteda no Nordeste (Paulo
Afonso I com potecircncia de 180 MW) pela Companhia Hidreleacutetrica do Satildeo Francisco
(estatal constituiacuteda em 1948) As demais erguidas ao longo dos 60 anos seguintes
concentraram-se nas regiotildees Sul Sudeste e Nordeste (com o aproveitamento
integral do rio Satildeo Francisco) No Norte foram construiacutedas Tucuruiacute no Paraacute e Balbina no Amazonas Nos anos 90 a Usina Serra da Mesa (GO) no rio Tocantins
(Atlas Energia Eleacutetrica no Brasil ANEEL 2008 p57) Todas as construiacutedas ateacute o
momento possuindo capacidade eleacutetrica entre 3984 MW a 8370 MW de acordo
com dados fornecidos pelo Governo Federal Brasileiro
Pacheco (2013 apud TUNDISI 2005) constatou que potencial hidreleacutetrico brasileiro
eacute estimado em cerca de 260 GW dos quais 405 estatildeo localizados na Bacia
Hidrograacutefica do Amazonas a Bacia do Paranaacute responde por 23 a do Tocantins
por 106 e a do Satildeo Francisco por 10 Apenas 63 do potencial foi inventariado
e a Regiatildeo Norte tem um grande potencial ainda por explorar
O estudo sobre energia hidreleacutetrica constante do Plano Nacional de Energia 2030
(PNE) realizado pela Empresa de Pesquisa Energeacutetica (EPE) e o Ministeacuterio de
Minas e Energia (MME) em 2007 relacionou o potencial de aproveitamento ainda
existente em cada uma das bacias hidrograacuteficas do paiacutes A bacia do rio Amazonas eacute
a maior com um potencial de 106000 MW superior agrave potecircncia jaacute instalada no
Brasil em 2008 de 102000 MW A bacia do TocantinsAraguaia possui potencial de 28000 MW dos quais quase 12200 MW jaacute estatildeo aproveitados pelas usinas
5
hidreleacutetricas (UHEs) e o potencial a ser aproveitado 90 poreacutem sofrem alguma
restriccedilatildeo ambiental (EPE 2013)
Outra bacia importante eacute a Tapajoacutes Em 2008 a Aneel estudava viabilidade de trecircs
aproveitamentos no rio Teles Pires Em 2013 o potencial hidraacuteulico do Brasil foi
avaliado como tendo somente 26 de sua totalidade utilizado como indicado na Figura 1 colocando o Brasil como 8ordm paiacutes em termos de menor aproveitamento de
seu potencial hidroeleacutetrico
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE 2013)
32 Turbinas
321 Retrospectiva Desde antes de Cristo os mesopotacircmicos e egiacutepcios jaacute utilizavam as maacutequinas
motrizes hidraacuteulicas sendo que o primeiro mecanismo antecessor a turbina
hidraacuteulica foram as rodas drsquoaacutegua que movimentavam-se por meio da aacutegua que
passava por debaixo da roda
6
No seacuteculo XVIII periacuteodo que teve grande desenvolvimento da ciecircncia hidraacuteulica
Daniel Bernoulli (1700-1782) publicou os fundamentos da hidrodinacircmica onde
continha a equaccedilatildeo de equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo de energia para fluidos No mesmo seacuteculo teve-se algumas tentativas para ocorrer a transiccedilatildeo da roda hidraacuteulica para agrave
turbina
Entretanto somente no seacuteculo XIX o termo turbina apareceu por meio de Claude Burdin (1790-1873) que publicou o trabalho ldquoDas turbinas hidraacuteulicas ou maacutequinas
rotativas de grande velocidaderdquo sobre uma anaacutelise teoacuterica que dava importacircncia a
velocidade de rotaccedilatildeo (JUNIOR 2013 p8)
Por fim seu aluno Benoit Fourneyron (1802-1867) desenhou e construiu rodas que
atingiam velocidades de rotaccedilatildeo de 60 rpm ou mais e que forneciam ateacute 50 CV nas
faacutebricas metaluacutergicas francesas Assim em 1827 construiu um turbina centriacutefuga de 6 CV e 80 de rendimento a primeira turbina industrial (ALVES 2007 apud
MACINTYPE 1983)
322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas As turbinas hidraacuteulicas no geral seguem a mesma loacutegica de funcionamento O
movimento giratoacuterio provocado pelo fluxo drsquoaacutegua faz girar o rotor do gerador eleacutetrico
que estaacute acoplado na turbina fazendo com que o deslocamento do campo magneacutetico
transforme a potecircncia de eixo em potecircncia eleacutetrica
As principais condiccedilotildees para a escolha da turbina ideal satildeo a queda d`aacutegua vazatildeo e
velocidade especiacutefica A altura da queda d`aacutegua eacute medida como a distacircncia vertical
entre a superfiacutecie mais alta e mais baixa da queda deduzido de eventuais perdas tais
como o atrito do tubo A vazatildeo eacute medida pela quantidade total de aacutegua que passa
atraveacutes da turbina
Turbinas em geral podem operar atraveacutes de distintas vazotildees Entretanto a eficiecircncia
da turbina diminui quando a taxa de vazatildeo varia em comparaccedilatildeo com a taxa de
vazatildeo ideal pois com o dimensionamento errocircneo pode-se instalar uma turbina que
em sua eficiecircncia maacutexima natildeo supere o fluxo disponiacutevel quando a vazatildeo eacute maacutexima
7
Assim aleacutem dos fatores citados a anaacutelise detalhada do fluxo ao longo do tempo deve
de ser realizada para que a escolha da turbina supra as necessidades de projeto
Vale ressaltar que atualmente a eficiecircncia das turbinas estaacute em torno de 85 a 95
sem as perdas hidraacuteulicas ou mecacircnicas que possam ocorrer (APPLEGATE INC
2013 p3)
As turbinas satildeo constituiacutedas essencialmente por distribuidor a roda moacutevel ou rotor o
difusor ou tubo de succcedilatildeo e sua carcaccedila O distribuidor conduz a aacutegua agrave roda pela
direccedilatildeo correta e regula a vazatildeo O rotor eacute responsaacutevel por transformar parte da
energia hidraacuteulica em trabalho mecacircnico O difusor recupera a altura entre a saiacuteda da
roda e o niacutevel do canal de fuga e a carcaccedila desacelera o fluxo drsquoaacutegua poacutes-turbina devolvendo-a ao corpo drsquoaacutegua (JUacuteNIOR 2013 p 9)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52)
8
323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines Nas aacutereas urbanas o percentual da populaccedilatildeo com acesso agrave eletricidade eacute elevado
devido ao baixo custo de conexatildeo agrave rede Em aacutereas rurais no entanto o acesso eacute
limitado devido ao alto custo de estender a rede aos centros de baixa densidade
populacional As tecnologias de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em baixa escala satildeo capazes de fornecer a eletricidade onde a extensatildeo da rede eacute muito cara e onde ndash
tradicionalmente haacute uma precariedade de atendimento das concessionarias de
energia e os consumidores tecircm baixo consumo de energia (WILLIAMSON 2012
p43) Com a energia eleacutetrica seria possiacutevel estender as atividades produtivas
aproveitar os recursos naturais aumentar o mercado de trabalho e melhorar sua
situaccedilatildeo econocircmica cultural e social (ALVES 2007 p2)
A tecnologia Low Head Turbine eacute uma tecnologia possiacutevel de ser utilizada nestas
comunidades que vivem em lugares de difiacutecil acesso e aleacutem disso possuem recursos
locais (rios de pequeno porte eou coacuterregos) capazes para produzir sua proacutepria
energia jaacute que dependendo da quantidade de energia gerada natildeo se precisa de retenccedilatildeo de aacutegua e grandes quedas d` aacutegua
As turbinas em questatildeo somente exigem uma queda de menos de 10 metros
(normal muito menos) e um fluxo de aacutegua suficiente (ateacute 5 m3s aprox) para prover
energia adequada pois num primeiro momento estes locais apresentam baixa
demanda de energia (ateacute 500 W) em especial representadas por iluminaccedilatildeo agrave noite e um raacutedio ou televisatildeo para entretenimento
As Low Head Turbines que produzem 200 a 1000 W de potecircncia e satildeo
particularmente populares em aacutereas rurais porque satildeo usadas para gerar
eletricidade para iluminaccedilatildeoTV raacutedio ventilador de mesa refrigeraccedilatildeo alimentaccedilatildeo
de ferramentas agriacutecolas processamento de alimentos e a carga da bateria em
aacutereas rurais (LAHIMER 2012 p 5865)
Em um relatoacuterio do Banco Mundial foi comprovado que a energia hidreleacutetrica em
baixa escala no geral representou a oportunidade mais barata para a geraccedilatildeo de
energia com menos de 5 kW em 2005 e foi projetado para ser de pelo menos 25
9
mais barata do que outras alternativas ainda depois de dez anos (WILLIAMSON
2012 p43)
324 Classificaccedilatildeo das Turbinas As turbinas satildeo divididas em duas categorias de reaccedilatildeo e impulso ou accedilatildeo As turbinas de impulso a energia hidraacuteulica disponiacutevel eacute transformada em energia
cineacutetica para apoacutes incidir nas paacutes do rotor transformar-se em mecacircnica todo o
escoamento ocorre sem variaccedilatildeo de pressatildeo atmosfeacuterica com mesma pressatildeo de
entrada e saiacuteda
Jaacute as de reaccedilatildeo o rotor eacute completamente imerso na aacutegua assim no escoamento ocorre uma queda de pressatildeo e de velocidade entre a entrada e a saiacuteda do rotor A
pressatildeo de saiacuteda eacute inferior agrave entrada e em funccedilatildeo disso satildeo normalmente utilizadas
para meacutedias e baixas quedas
Em baixas velocidades de operaccedilatildeo a eficiecircncia das turbinas de reaccedilatildeo eacute normalmente maior do que as de turbina de impulso Na categoria das turbinas de
reaccedilatildeo ainda tem-se uma subdivisatildeo entre turbinas de escoamento radiais e turbinas
de escoamento axiais No qual as radiais o fluxo eacute perpendicular ao eixo de rotaccedilatildeo
enquanto as axiais o fluxo eacute aproximadamente paralelo ao eixo de rotaccedilatildeo (JUNIOR
2003 p 11)
Tradicionalmente o uso de turbinas hidraacuteulicas tem-se concentrado no tipo Pelton
com um ou mais jatos no caso das maacutequinas de impulso na Francis Heacutelice e
Kaplan no caso do tipo de reaccedilatildeo (SANTOS 2010 p 31)
3241 De Impulso Turbina Pelton eacute utilizada em altas quedas e velocidade de rotaccedilatildeo mais baixa
Alturas superiores a 150 metros podendo chegar ateacute 2000 metros (EISENRING
1991) Com eixo horizontal para o caso de um ou dois jatos e eixo vertical para um
nuacutemero de jatos de trecircs a seis satildeo alcanccediladas potecircncias que podem chegar mais de
10
100 MW por unidade e quedas da ordem de 1900 metros Geralmente a turbina
Pelton possui alta eficiecircncia entre 70-90 NATIONAL RENEWABLE ENERGY
LABORATORY 2011)
Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
A turbina de fluxo cruzado eacute outra turbina que possui destaque nas classificadas
como de impulso Esse tipo de turbina eacute mais utilizado em altas vazotildees e baixas
quedas d`aacutegua do que as turbinas de Pelton e Turgo (GHOSH 2011) A eficiecircncia de
uma turbina de fluxo cruzado depende de seus paracircmetros geomeacutetricos como o
nuacutemero de laminas diacircmetro do rotor arco de entrada do bico e acircngulo de ataque
Turbina Turgo eacute uma maacutequina de impulso similar a turbina Pelton A eficaacutecia na transmissatildeo de energia a partir do jato de aacutegua para o gerador de turbina Turgo depende da velocidade de eixo Assim Cobb e Shar em Impulse (Turgo and Pelton)
turbine performance characteristics and their impact on pico-hydro installations 2007
realizaram um estudo e constaram que o pico de eficiecircncia pode ser conseguido em
uma proporccedilatildeo de baixa velocidade
11
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
3242 De Reaccedilatildeo A turbina Francis escoamento radial eacute a mais usada em grandes usinas hidreleacutetricas
No Brasil a usina hidreleacutetrica mais conhecida Itaipu utiliza este tipo de turbina E de acordo com os dados oficiais da Usina tem-se uma queda liacutequida de projeto de 1184
metros vazatildeo nominal de 690 m3s e uma potecircncia nominal de 715MW Suas
caracteriacutesticas hidraacuteulicas especiais permitem fabricar unidades compactas de alta
velocidade ateacute as potecircncias mais elevadas Para valores inferiores da queda utilizam-
se turbinas de caixa aberta Ela pode ser usada para grandes meacutedias ou pequenas
hidreleacutetricas com quedas entre 1 metro e 900 metros Elbatran et al concluiu que a eficaacutecia de uma turbina Francis depende principalmente do desenvolvimento do seu
voacutertice helicoidal
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
12
O uacuteltimo tipo de turbina de reaccedilatildeo escoamento axial abrange subcategorias em sua
abrangecircncia As turbinas cujas as paacutes do rotor satildeo fixas conhecidas como turbinas
HelicePropeller e as com paacutes do rotor ajustaacuteveis tendo como turbina de referecircncia Kaplan Suas semelhanccedilas satildeo possuir baixa velocidade entre 70 e 350 rpm e
serem utilizadas em baixa queda (ANEEL 2002 p25) Outros tipos de maacutequinas
axiais satildeo as turbinas Tubulares Bulbo e Straflo
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
As mais utilizadas satildeo a de tipo HeacutelicePropeller e Kaplan A turbina Heacutelice veio da
necessidade da obtenccedilatildeo de turbinas com velocidades consideraacuteveis em baixas
quedas e grandes descargas que teve origem em 1908 (RAMOS 2008 Cap8)
Tambeacutem aliam caracteriacutesticas de serem simples e de baixo custo Elas consistem de basicamente de um rotor similar a heacutelice de navio ajustada internamente na
continuaccedilatildeo de um conduto com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a
tubulaccedilatildeo muda de direccedilatildeo (JUNIOR 2011 p15)
Jaacute a turbina Kaplan satildeo adaptadas a baixa altura topograacutefica e grandes descargas
As paacutes satildeo moacuteveis que permitem variar o seu acircngulo de ataque com um mecanismo de orientaccedilatildeo que eacute controlado pelo regulador da turbina isso faz com que a
inclinaccedilatildeo das paacutes se ajuste conforme a variaccedilatildeo da descarga e potecircncia sem
apreciaacutevel variaccedilatildeo do rendimento (GUEDES1994 p 6) A usina hidreleacutetrica de Trecircs
Marias funciona com turbina Kaplan por exemplo
13
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo Turbinas de impulso como o Turgo Pelton e turbinas de Fluxo Cruzado tecircm muitas
vantagens Elas tecircm uma eficiecircncia maior especialmente em condiccedilotildees de fluxo
parcial o que pode fornecer mais do que 90 de eficaacutecia A eficiecircncia tambeacutem eacute
passiacutevel de se manter em valores elevados mesmo variando-se as condiccedilotildees de
trabalho (ex vazatildeo variaacutevel) Satildeo faacuteceis de manter e fabricar os eixos natildeo
necessitam de qualquer selo de pressatildeo tendo uma maior toleracircncia a areia e outras partiacuteculas em aacutegua com pouco efeito sobre o desempenho das turbinas Aleacutem disso
a turbina Pelton e Turgo tecircm projetos simples e satildeo rentaacuteveis em escalas de micro
hidreleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 46)
Contudo a Turgo e Pelton em locais de baixa queda natildeo se mostram rentaacuteveis
14
quando leva-se em conta suas caracteriacutesticas de desempenho e anaacutelise de custo ao
contraacuterio da turbina de Fluxo Cruzado que eacute mais adequado para aplicaccedilotildees de baixa
queda porque a sua eficiecircncia depende basicamente da vazatildeo e os outros dois tipos natildeo Turbinas de impulso tambeacutem tem velocidade especiacutefica menor o que seria
necessaacuterio a instalaccedilatildeo de um sistema que aumentasse a velocidade da aacutegua
(ELBATRAN 2014 p 46)
As de reaccedilatildeo satildeo mais apropriadas para condiccedilotildees de baixa queda por possuiacuterem
maiores velocidades especiacuteficas jaacute que as turbinas estatildeo conectadas diretamente ao
alternador sem a necessidade do sistema de transmissatildeo Consequentemente o
custo de remoccedilatildeo do sistema de acionamento eacute significativamente baixo Estas
turbinas podem tambeacutem ser utilizadas em diferentes quedas a turbina Francis eacute
apropriada para o meacutedias a altas quedas enquanto a Propeller e BFT satildeo mais
adequados para as quedas menores (ELBATRAN 2014 p 46) FONTE
Por outro lado a implantaccedilatildeo de turbinas de reaccedilatildeo eacute mais complicada do que as
turbinas de impulso porque requerem a utilizaccedilatildeo de lacircminas de revestimento isto
pode causar o aumento no custo do orccedilamento inicial Portanto o uso de turbinas de
reaccedilatildeo nos esquemas de micro hidreleacutetricas eacute menos atraente especialmente em
aacutereas com populaccedilatildeo de baixa renda No entanto BFT e Propeller hoje em dia foram melhoradas para serem utilizadas em instalaccedilotildees de micro hidreleacutetricas mas com a
condiccedilatildeo de que os ambientes tenham queda e vazatildeo regulares (ELBATRAN 2014
p46)
Natildeo obstante haacute uma seacuterie de soluccedilotildees em relaccedilatildeo a este assunto tais como
condutas forccediladas de baixo custo tipo de desenvolvimento das turbinas e gerador de
induccedilatildeo tudo para eliminar o custo total dos sistemas e tornaacute-los mais acessiacuteveis nas
aplicaccedilotildees em zonas remotas e montanhosas A reduccedilatildeo do custo da turbina eacute a
maneira mais eficaz de reduzir o orccedilamento inicial de projeto pois eacute a parte mais
onerosa no sistema
Uma seacuterie de opccedilotildees de configuraccedilatildeo de turbina tecircm sido propostas para reduzir o custo do conjunto de microturbinas Bomba centrifuga funcionando como turbina
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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Engenharia Produccedilatildeo) ndash Universidade Federal do Rio de Janeiro Rio de Janeiro
2013 [Orientador Prof Jose Roberto Ribas] SINGH Punit NESTMANN Franz Exit blade geometry and part-load performance of small axial flow propeller turbines An experimental investigation 2010 Experimental Thermal and Fluid Science Reviews Volume 34
(2010) Paginas 798-811
ENERSUD Energia Limpa Alternadores Disponiacutevel em
lthttpenersud1hospedagemdesiteswspage_id=272gt [acessado em 21012016] MIRANDA Robeto Lobo Regulaccedilatildeo teacutecnica para se obter melhor eficiecircncia na motorizaccedilatildeo de pequenas centrais hidreleacutetricas no Brasil 2009 118f Trabalho
de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em Regulaccedilatildeo da Industria de Energia) ndash
Universidade de Salvador Salvador 2009 [Orientador Prof Dr Maria Olivia de
Souza Ramos]
MEDEIROS Daniel de Macedo VIANA Augusto Nelson Carvalho REZEK Acircngelo Joseacute Junqueira Estudo de geradores de induccedilatildeo na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em microcentrais hidreleacutetricas 2005 Universidade Federal de Itajubaacute Minas
Gerais Revista Ciecircncias Exatas Taubateacute v 11 n 2 p 9-14 2005
51
SANTOS Renan Mesquita Eficiecircncia energeacutetica no serviccedilo auxiliar de uma pequena central hidreleacutetrica 2010 71f Trabalho de Conclusatildeo de Curso
(Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo Paulo Satildeo Carlos 2010 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
MAIA Thales Alexandre Carvalho Projeto e Construccedilatildeo de um Gerador a Iacutematildes Permanentes de Fluxo Axial para Turbina Eoacutelica de Pequena Potecircncia 2011
197f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em Engenharia Eleacutetrica) ndash
Universidade Federal de Minas Gerais Belo Horizonte 2011 [Orientador Prof
Selecircnio Rocha Silva
DATE Abhijit AKBARZADEH Aliakbar Design and cost analysis of low head simple reaction hydro turbine for remote area power supply 2008 Renewable
Energy Volume 34 (Agosto de 2008) Paacuteginas 409-415
LOOTS I VAN DIJK M BARTA B VAN VUUREN SJ BHAGWAN JN A review of low head hydropower technologies and applications in a South African context 2015 Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 50
(Junho de 2015) Paacuteginas 1254-1268
GUITARRARA Gabriel Bozzola Estimativa de vazatildeo para a implantaccedilatildeo de micro-centrais hidreleacutetricas com utilizaccedilatildeo do SIG 2012 44f Trabalho de
Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo
Paulo Satildeo Carlos 2012 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
ALEXANDER KV GIDDENS EP Microhydro Cost-effective modular systems for low heads 2007 Renewable Energy Volume 33 (2008) Paacuteginas 1379-1391
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Radial- and mixed-flow
turbines for low head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume
34 (2009) Paacuteginas 1885-1894
52
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Axial-flow turbines for low
head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume 34 (2009)
Paacuteginas 35-47
ALVES Gilberto Manoel Avaliaccedilatildeo da viabilidade de implantaccedilatildeo de uma microcentral hidreleacutetrica para atender consumidores localizados em regiotildees isoladas 2007 156 Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Doutorado em Agronomia) ndash
Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
V
DEDICATOacuteRIA
Dedico esta dissertaccedilatildeo aos meus pais Marco e Marilene que sempre apoiaram
e incentivaram a minha vida acadecircmica
VI
AGRADECIMENTOS
Primeiramente a Deus por guiar meus passos e acreditar que sempre existe uma
forccedila a maior que nos faz caminhar no caminho destinado
Aos meus pais por me darem sempre apoio incondicional e incentivo em diversos
momentos para que tenha-se tornado possiacutevel meu objetivo Aos amigos pela confianccedila que sempre depositaram em minhas qualidades e
que ajudaram esta jornada ser mais leve
Ao professor Marcos Alexandre Teixeira pelo constante incentivo paciecircncia e
orientaccedilatildeo em todos os ensinamentos principalmente aqueles que se aprendem
sem serem ensinados
A Universidade Federal Fluminense por dispor de professores com alto conteuacutedo acadecircmico e eacutetica profissional
E todas as pessoas que direta e indiretamente auxiliaram na realizaccedilatildeo deste
trabalho
VII
Determinaccedilatildeo coragem e autoconfianccedila satildeo fatores
decisivos para o sucesso Se estamos possuiacutedos por
uma inabalaacutevel determinaccedilatildeo conseguiremos superaacute-
los Independentemente das circunstacircncias devemos
ser sempre humildes recatados e despidos de
orgulho
- Dalai Lama
VIII
RESUMO
A presente dissertaccedilatildeo aborda a viabilidade de implantaccedilatildeo de uma turbina Low Head no Brasil (Turbinas de Pequena Queda) na qual eacute uma turbina que
opera com pequenas quedas drsquoaacutegua (de 05 a 2 m) e natildeo necessita de
reservatoacuterio (represamento) Uma tecnologia especialmente aplicaacutevel para populaccedilotildees rurais do interior ou ribeirinhas que ainda natildeo estatildeo proacuteximas do
Sistema Nacional Interligado para fornecimento de energia eleacutetrica podendo
entatildeo utilizar desta tecnologia para melhorar suas condiccedilotildees de vida Com os
valores de vazatildeo entre 0024 ଷs e 0061 ଷs e queda drsquoaacutegua de 1 a 2 metros eacute
possiacutevel a instalaccedilatildeo deste equipamento na faixa de 100 a 500 W O estudo encontrou fabricantes brasileiros que possuem peccedilas e equipamentos que tecircm o
potencial que atendem agrave demanda de projeto de uma Low Head e que poderiam
ser incorporados para um possiacutevel desenvolvimento desta tecnologia no Brasil
neste caso em especial geradores de eletricidade derivados de turbina eoacutelicas de
pequeno porte e heacutelices de motor de popa (de 9 a 10 pol de diacircmetro)
PALAVRAS ndash CHAVE Turbina de pequena queda Energia Hidreleacutetrica
Viabilidade teacutecnica
IX
ABSTRACT
This viability to develop the concept of a so called Low Head Turbine in Brazil is
discussed that is a turbine that requires small head (0 5 to 2 m) and do not need
a dam for flow regulation Which have been considered a sustainable technology
for remote rural areas far away from the National Grid and this technology have
the potential to improve their livelihood conditions Flow values from 0024 ଷs to
0061 ଷs and heads between 1 and 2 meters is possible to install such
equipment on power from 100 up to 500 W The study found that Brazilian
manufacturers have pieces and equipment that could be incorporated within the design of a Low Head Turbine in this case electrical generators from small
windmills and propellers for outboard motor (from 9 to 10 inches diameter)
KEY WORDS Low Head Turbine Hydropower Energy technical viability
X
LISTA DE ILUSTRACcedilOtildeES
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE
2013)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina
de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52) Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado (PANISH 2002)
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA
NAUTICA 2013)
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante
EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1)
Figura 11 Motor YAMAHA 15 GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelog Yamaha 15GMHS 2015 p
27)
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine que atendem as demandas de
projeto (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26)
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso
14042016)
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016) Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa
ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
XI
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa
ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
XII
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Analise de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse
(PANISH 2002)
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
XIII
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AIE IEA - Agecircncia Internacional de Energia (International Energy Agency)
MME - Ministeacuterio de Minas e Energia
SIPOT - Potencial Hidreleacutetrico Brasileiro
BFT - Bomba Centrifuga Funcionando como turbina
CONMETRO - Conselho Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade
Industrial
IEV - Vocabulaacuterio Eletroteacutecnico Internacional EPE - Empresa de Pesquisa Energeacutetica
UHEs - Usinas Hidreleacutetricas
PNE - Plano Decenal de Expansatildeo de Energia
ANEEL - Agencia Nacional De Energia Eleacutetrica
ELETROBRAS - Centrais Eleacutetricas Brasileiras SA
ABNT- Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas
ISSO - International Organization for Standardization
IEC - International Electrotechnical Commission
NBR - Normas Teacutecnicas Brasileiras LHT ndash Low Head turbine
UFF ndash Universidade Federal Fluminense Cobei - Comitecirc Brasileiro de Eletricidade Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e
Telecomunicaccedilotildees
CB-03 - Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
CA - Corrente Alternada
CC - Corrente Contiacutenua
DNAEE - Departamento Nacional de Aacuteguas e Energia Eleacutetrica
XIV
LISTA DE EQUACcedilOtildeES
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
LISTA DE SIacuteMBOLOS
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
XV
SUMAacuteRIO 1 INTRODUCcedilAtildeO 1 2 OBJETIVO 3 3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA 4
31 Energia Hidreleacutetrica 4 32 Turbinas 5
321 Retrospectiva 5 322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas 6 323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines 8 324 Classificaccedilatildeo das Turbinas 9
3241 De Impulso 9 3242 De Reaccedilatildeo 11
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo 13 33 Geradores 15
4 MATERIAL E MEacuteTODO 17 41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 17 42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis 17 43 Elementos constituintes preferenciais 18 44 Analise de rendimento e funcionalidade 19 45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 20
5 RESULTADOS 21 51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 21 52 Normas aplicaacuteveis 23
521 Normas de Maior Relevacircncia 26 53 Elementos constituintes preferenciais 28
531 Heacutelice ou Propeller 28 5311 Fornecedores 30
532 Gerador 33 54 Analise de rendimento e funcionalidade 38 55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 40
6 DISCUSSOtildeES 42 7 CONCLUSAtildeO 44 8 BIBLIOGRAFIA 46 9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016 53
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
A eletricidade se tornou a principal fonte de luz calor e forccedila utilizada no mundo
moderno Atividades cotidianas como assistir agrave televisatildeo ou navegar na internet satildeo
possiacuteveis porque a energia eleacutetrica chega ateacute a sua casa Shoppings supermercados
e fabricas por exemplo precisam dela para funcionar Grande parte dos avanccedilos
tecnoloacutegicos alcanccedilados se deve agrave energia eleacutetrica
Ao contraacuterio de outras fontes de energia eleacutetrica a energia hidraacuteulica jaacute possui uma
presenccedila relevante na matriz energeacutetica mundial e aleacutem de possuir tecnologias
consolidadas sendo a segunda maior fonte de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no
mundo com uma participaccedilatildeo de aproximadamente 18 (Atlas Energia Eleacutetrica no
Brasil ANEEL 2002 p25)
Em termos absolutos os cinco maiores produtores de energia hidreleacutetrica no mundo
satildeo China Canadaacute Brasil Estados Unidos e Ruacutessia Em 2001 esses paiacuteses foram
responsaacuteveis por quase 50 de toda a produccedilatildeo mundial de energia hidreleacutetrica
(AIE 2008)
Especificamente o Brasil deteacutem aproximadamente 12 da aacutegua doce superficial do
planeta e condiccedilotildees adequadas para exploraccedilatildeo Com um potencial hidreleacutetrico de
260 GW segundo o Plano 2015 da Eletrobraacutes - segundo uacuteltimo inventaacuterio produzido
no paiacutes em 1992 ndash ainda existe um grande espaccedilo para crescer entretanto as
usinas hidreleacutetricas causam grande impacto ambiental devido agrave aacuterea alagada represada pela barragem causando tambeacutem a perda de solos agricultaacuteveis
florestas fauna e a retirada de populaccedilotildees ribeirinhas
De acordo com a Agecircncia Internacional de Energia (AIE) cerca de 13 bilhatildeo de
pessoas 18 da populaccedilatildeo mundial ainda natildeo tecircm acesso agrave eletricidade Este
nuacutemero poderaacute dobrar no futuro a natildeo ser que se tenha uma soluccedilatildeo eficaz e que seja adaptaacutevel particularmente para paiacuteses perifeacutericos Soluccedilotildees como a Low Head
Turbine (Turbinas de Pequena Queda) estatildeo tornando-se uma perspectiva atraente
2
para satisfazer as necessidades baacutesicas de eletricidade de comunidades remotas
(LAHIMER 2012 p 5862)
Este meacutetodo de produccedilatildeo de energia eleacutetrica jaacute presente em alguns lugares do mundo poreacutem ainda natildeo implantado no Brasil O conceito de Low Head Turbine jaacute eacute
utilizado em paiacuteses como Camarotildees China Colocircmbia Filipinas Indoneacutesia Nepal
Sri Lanka e Vietnatilde (LAHIMER 2012) Um sistema de geraccedilatildeo de energia que natildeo
necessita grandes quedas d`aacuteguas nem intervenccedilotildees draacutesticas aleacutem de ter um custo
acessiacutevel
Aleacutem disso a produccedilatildeo de energia eleacutetrica em pequena escala eacute uma das
tecnologias de energia mais rentaacuteveis a ser considerado para a eletrificaccedilatildeo rural
nos paiacuteses menos desenvolvidos Eacute tambeacutem uma tecnologia chave para regiotildees que
jaacute possuem domiacutenio da produccedilatildeo de energia hidreleacutetrica poreacutem natildeo possuem mais espaccedilo geograacutefico para implantar uma hidreleacutetrica de grande porte ou os locais de
possiacutevel alocaccedilatildeo satildeo inviaacuteveis ambientalmente (PAISH 2002 p537) Provando ser
uma boa opccedilatildeo para distintas utilizaccedilotildees
Neste sentido se pergunta por que esta tecnologia ainda natildeo estaacute presente no
Brasil e se esta viesse a ser desenvolvida quais seriam as condicionantes para o seu projeto e ou fabricaccedilatildeo
Entende-se que um equipamento nacional deveraacute atender agraves normas teacutecnicas
brasileiras assim como deveraacute ndash tanto quanto possiacutevel ndash fazer uso de peccedilas e
equipamentos jaacute disponiacuteveis no mercado brasileiro numa oacutetica de reduccedilatildeo de custos
e busca de parcerias para a sua disseminaccedilatildeo
Este vem a ser o foco do presente trabalho o levantamento destas condicionantes para o projeto e desenvolvimento destas Turbinas de Pequena Queda ou Low Head
Turbine no Brasil
3
2 OBJETIVO
Com base em um projeto tiacutepico de turbina de impulso para baixo valor de queda drsquoaacutegua - Low Head Turbine (Turbina de Pequena Queda) - avaliar quais as normas
brasileiras aplicaacuteveis e qual o melhor entendimento destas para a adequaccedilatildeo dos
padrotildees internacionais para a realidade brasileira assim como identificar elementos
que poderiam ser norteadores no projeto deste tipo de equipamento no Brasil
Para que este objetivo seja atingido eacute necessaacuterio materializar objetivos parciais
1 Identificar as Normas Brasileiras aplicaacuteveis
2 Definir os elementos constituintes do sistema e sua disponibilidade no
mercado brasileiro
3 Com base em uma localizaccedilatildeo tiacutepica analisar seu rendimento e
funcionalidade
4 Finalizar avaliando a viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head
Turbine no Brasil
4
3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
31 Energia Hidreleacutetrica No Brasil a utilizaccedilatildeo de energia hidreleacutetrica no Brasil teve iniacutecio em 1883 com a
instalaccedilatildeo da usina de Ribeiratildeo do Inferno em Diamantina (MG) Jaacute em 1889 entrou
em operaccedilatildeo a usina de Marmelos Zero ndash instalada no rio Paraibuna a 7 km de Juiz
de Fora (MG) ndash foi a primeira com a finalidade de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para o
uso puacuteblico com 250 kW de potecircncia instalada (CACHAPUZ 2006 p15)
A primeira hidreleacutetrica de maior porte comeccedilou a ser construiacuteda no Nordeste (Paulo
Afonso I com potecircncia de 180 MW) pela Companhia Hidreleacutetrica do Satildeo Francisco
(estatal constituiacuteda em 1948) As demais erguidas ao longo dos 60 anos seguintes
concentraram-se nas regiotildees Sul Sudeste e Nordeste (com o aproveitamento
integral do rio Satildeo Francisco) No Norte foram construiacutedas Tucuruiacute no Paraacute e Balbina no Amazonas Nos anos 90 a Usina Serra da Mesa (GO) no rio Tocantins
(Atlas Energia Eleacutetrica no Brasil ANEEL 2008 p57) Todas as construiacutedas ateacute o
momento possuindo capacidade eleacutetrica entre 3984 MW a 8370 MW de acordo
com dados fornecidos pelo Governo Federal Brasileiro
Pacheco (2013 apud TUNDISI 2005) constatou que potencial hidreleacutetrico brasileiro
eacute estimado em cerca de 260 GW dos quais 405 estatildeo localizados na Bacia
Hidrograacutefica do Amazonas a Bacia do Paranaacute responde por 23 a do Tocantins
por 106 e a do Satildeo Francisco por 10 Apenas 63 do potencial foi inventariado
e a Regiatildeo Norte tem um grande potencial ainda por explorar
O estudo sobre energia hidreleacutetrica constante do Plano Nacional de Energia 2030
(PNE) realizado pela Empresa de Pesquisa Energeacutetica (EPE) e o Ministeacuterio de
Minas e Energia (MME) em 2007 relacionou o potencial de aproveitamento ainda
existente em cada uma das bacias hidrograacuteficas do paiacutes A bacia do rio Amazonas eacute
a maior com um potencial de 106000 MW superior agrave potecircncia jaacute instalada no
Brasil em 2008 de 102000 MW A bacia do TocantinsAraguaia possui potencial de 28000 MW dos quais quase 12200 MW jaacute estatildeo aproveitados pelas usinas
5
hidreleacutetricas (UHEs) e o potencial a ser aproveitado 90 poreacutem sofrem alguma
restriccedilatildeo ambiental (EPE 2013)
Outra bacia importante eacute a Tapajoacutes Em 2008 a Aneel estudava viabilidade de trecircs
aproveitamentos no rio Teles Pires Em 2013 o potencial hidraacuteulico do Brasil foi
avaliado como tendo somente 26 de sua totalidade utilizado como indicado na Figura 1 colocando o Brasil como 8ordm paiacutes em termos de menor aproveitamento de
seu potencial hidroeleacutetrico
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE 2013)
32 Turbinas
321 Retrospectiva Desde antes de Cristo os mesopotacircmicos e egiacutepcios jaacute utilizavam as maacutequinas
motrizes hidraacuteulicas sendo que o primeiro mecanismo antecessor a turbina
hidraacuteulica foram as rodas drsquoaacutegua que movimentavam-se por meio da aacutegua que
passava por debaixo da roda
6
No seacuteculo XVIII periacuteodo que teve grande desenvolvimento da ciecircncia hidraacuteulica
Daniel Bernoulli (1700-1782) publicou os fundamentos da hidrodinacircmica onde
continha a equaccedilatildeo de equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo de energia para fluidos No mesmo seacuteculo teve-se algumas tentativas para ocorrer a transiccedilatildeo da roda hidraacuteulica para agrave
turbina
Entretanto somente no seacuteculo XIX o termo turbina apareceu por meio de Claude Burdin (1790-1873) que publicou o trabalho ldquoDas turbinas hidraacuteulicas ou maacutequinas
rotativas de grande velocidaderdquo sobre uma anaacutelise teoacuterica que dava importacircncia a
velocidade de rotaccedilatildeo (JUNIOR 2013 p8)
Por fim seu aluno Benoit Fourneyron (1802-1867) desenhou e construiu rodas que
atingiam velocidades de rotaccedilatildeo de 60 rpm ou mais e que forneciam ateacute 50 CV nas
faacutebricas metaluacutergicas francesas Assim em 1827 construiu um turbina centriacutefuga de 6 CV e 80 de rendimento a primeira turbina industrial (ALVES 2007 apud
MACINTYPE 1983)
322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas As turbinas hidraacuteulicas no geral seguem a mesma loacutegica de funcionamento O
movimento giratoacuterio provocado pelo fluxo drsquoaacutegua faz girar o rotor do gerador eleacutetrico
que estaacute acoplado na turbina fazendo com que o deslocamento do campo magneacutetico
transforme a potecircncia de eixo em potecircncia eleacutetrica
As principais condiccedilotildees para a escolha da turbina ideal satildeo a queda d`aacutegua vazatildeo e
velocidade especiacutefica A altura da queda d`aacutegua eacute medida como a distacircncia vertical
entre a superfiacutecie mais alta e mais baixa da queda deduzido de eventuais perdas tais
como o atrito do tubo A vazatildeo eacute medida pela quantidade total de aacutegua que passa
atraveacutes da turbina
Turbinas em geral podem operar atraveacutes de distintas vazotildees Entretanto a eficiecircncia
da turbina diminui quando a taxa de vazatildeo varia em comparaccedilatildeo com a taxa de
vazatildeo ideal pois com o dimensionamento errocircneo pode-se instalar uma turbina que
em sua eficiecircncia maacutexima natildeo supere o fluxo disponiacutevel quando a vazatildeo eacute maacutexima
7
Assim aleacutem dos fatores citados a anaacutelise detalhada do fluxo ao longo do tempo deve
de ser realizada para que a escolha da turbina supra as necessidades de projeto
Vale ressaltar que atualmente a eficiecircncia das turbinas estaacute em torno de 85 a 95
sem as perdas hidraacuteulicas ou mecacircnicas que possam ocorrer (APPLEGATE INC
2013 p3)
As turbinas satildeo constituiacutedas essencialmente por distribuidor a roda moacutevel ou rotor o
difusor ou tubo de succcedilatildeo e sua carcaccedila O distribuidor conduz a aacutegua agrave roda pela
direccedilatildeo correta e regula a vazatildeo O rotor eacute responsaacutevel por transformar parte da
energia hidraacuteulica em trabalho mecacircnico O difusor recupera a altura entre a saiacuteda da
roda e o niacutevel do canal de fuga e a carcaccedila desacelera o fluxo drsquoaacutegua poacutes-turbina devolvendo-a ao corpo drsquoaacutegua (JUacuteNIOR 2013 p 9)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52)
8
323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines Nas aacutereas urbanas o percentual da populaccedilatildeo com acesso agrave eletricidade eacute elevado
devido ao baixo custo de conexatildeo agrave rede Em aacutereas rurais no entanto o acesso eacute
limitado devido ao alto custo de estender a rede aos centros de baixa densidade
populacional As tecnologias de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em baixa escala satildeo capazes de fornecer a eletricidade onde a extensatildeo da rede eacute muito cara e onde ndash
tradicionalmente haacute uma precariedade de atendimento das concessionarias de
energia e os consumidores tecircm baixo consumo de energia (WILLIAMSON 2012
p43) Com a energia eleacutetrica seria possiacutevel estender as atividades produtivas
aproveitar os recursos naturais aumentar o mercado de trabalho e melhorar sua
situaccedilatildeo econocircmica cultural e social (ALVES 2007 p2)
A tecnologia Low Head Turbine eacute uma tecnologia possiacutevel de ser utilizada nestas
comunidades que vivem em lugares de difiacutecil acesso e aleacutem disso possuem recursos
locais (rios de pequeno porte eou coacuterregos) capazes para produzir sua proacutepria
energia jaacute que dependendo da quantidade de energia gerada natildeo se precisa de retenccedilatildeo de aacutegua e grandes quedas d` aacutegua
As turbinas em questatildeo somente exigem uma queda de menos de 10 metros
(normal muito menos) e um fluxo de aacutegua suficiente (ateacute 5 m3s aprox) para prover
energia adequada pois num primeiro momento estes locais apresentam baixa
demanda de energia (ateacute 500 W) em especial representadas por iluminaccedilatildeo agrave noite e um raacutedio ou televisatildeo para entretenimento
As Low Head Turbines que produzem 200 a 1000 W de potecircncia e satildeo
particularmente populares em aacutereas rurais porque satildeo usadas para gerar
eletricidade para iluminaccedilatildeoTV raacutedio ventilador de mesa refrigeraccedilatildeo alimentaccedilatildeo
de ferramentas agriacutecolas processamento de alimentos e a carga da bateria em
aacutereas rurais (LAHIMER 2012 p 5865)
Em um relatoacuterio do Banco Mundial foi comprovado que a energia hidreleacutetrica em
baixa escala no geral representou a oportunidade mais barata para a geraccedilatildeo de
energia com menos de 5 kW em 2005 e foi projetado para ser de pelo menos 25
9
mais barata do que outras alternativas ainda depois de dez anos (WILLIAMSON
2012 p43)
324 Classificaccedilatildeo das Turbinas As turbinas satildeo divididas em duas categorias de reaccedilatildeo e impulso ou accedilatildeo As turbinas de impulso a energia hidraacuteulica disponiacutevel eacute transformada em energia
cineacutetica para apoacutes incidir nas paacutes do rotor transformar-se em mecacircnica todo o
escoamento ocorre sem variaccedilatildeo de pressatildeo atmosfeacuterica com mesma pressatildeo de
entrada e saiacuteda
Jaacute as de reaccedilatildeo o rotor eacute completamente imerso na aacutegua assim no escoamento ocorre uma queda de pressatildeo e de velocidade entre a entrada e a saiacuteda do rotor A
pressatildeo de saiacuteda eacute inferior agrave entrada e em funccedilatildeo disso satildeo normalmente utilizadas
para meacutedias e baixas quedas
Em baixas velocidades de operaccedilatildeo a eficiecircncia das turbinas de reaccedilatildeo eacute normalmente maior do que as de turbina de impulso Na categoria das turbinas de
reaccedilatildeo ainda tem-se uma subdivisatildeo entre turbinas de escoamento radiais e turbinas
de escoamento axiais No qual as radiais o fluxo eacute perpendicular ao eixo de rotaccedilatildeo
enquanto as axiais o fluxo eacute aproximadamente paralelo ao eixo de rotaccedilatildeo (JUNIOR
2003 p 11)
Tradicionalmente o uso de turbinas hidraacuteulicas tem-se concentrado no tipo Pelton
com um ou mais jatos no caso das maacutequinas de impulso na Francis Heacutelice e
Kaplan no caso do tipo de reaccedilatildeo (SANTOS 2010 p 31)
3241 De Impulso Turbina Pelton eacute utilizada em altas quedas e velocidade de rotaccedilatildeo mais baixa
Alturas superiores a 150 metros podendo chegar ateacute 2000 metros (EISENRING
1991) Com eixo horizontal para o caso de um ou dois jatos e eixo vertical para um
nuacutemero de jatos de trecircs a seis satildeo alcanccediladas potecircncias que podem chegar mais de
10
100 MW por unidade e quedas da ordem de 1900 metros Geralmente a turbina
Pelton possui alta eficiecircncia entre 70-90 NATIONAL RENEWABLE ENERGY
LABORATORY 2011)
Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
A turbina de fluxo cruzado eacute outra turbina que possui destaque nas classificadas
como de impulso Esse tipo de turbina eacute mais utilizado em altas vazotildees e baixas
quedas d`aacutegua do que as turbinas de Pelton e Turgo (GHOSH 2011) A eficiecircncia de
uma turbina de fluxo cruzado depende de seus paracircmetros geomeacutetricos como o
nuacutemero de laminas diacircmetro do rotor arco de entrada do bico e acircngulo de ataque
Turbina Turgo eacute uma maacutequina de impulso similar a turbina Pelton A eficaacutecia na transmissatildeo de energia a partir do jato de aacutegua para o gerador de turbina Turgo depende da velocidade de eixo Assim Cobb e Shar em Impulse (Turgo and Pelton)
turbine performance characteristics and their impact on pico-hydro installations 2007
realizaram um estudo e constaram que o pico de eficiecircncia pode ser conseguido em
uma proporccedilatildeo de baixa velocidade
11
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
3242 De Reaccedilatildeo A turbina Francis escoamento radial eacute a mais usada em grandes usinas hidreleacutetricas
No Brasil a usina hidreleacutetrica mais conhecida Itaipu utiliza este tipo de turbina E de acordo com os dados oficiais da Usina tem-se uma queda liacutequida de projeto de 1184
metros vazatildeo nominal de 690 m3s e uma potecircncia nominal de 715MW Suas
caracteriacutesticas hidraacuteulicas especiais permitem fabricar unidades compactas de alta
velocidade ateacute as potecircncias mais elevadas Para valores inferiores da queda utilizam-
se turbinas de caixa aberta Ela pode ser usada para grandes meacutedias ou pequenas
hidreleacutetricas com quedas entre 1 metro e 900 metros Elbatran et al concluiu que a eficaacutecia de uma turbina Francis depende principalmente do desenvolvimento do seu
voacutertice helicoidal
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
12
O uacuteltimo tipo de turbina de reaccedilatildeo escoamento axial abrange subcategorias em sua
abrangecircncia As turbinas cujas as paacutes do rotor satildeo fixas conhecidas como turbinas
HelicePropeller e as com paacutes do rotor ajustaacuteveis tendo como turbina de referecircncia Kaplan Suas semelhanccedilas satildeo possuir baixa velocidade entre 70 e 350 rpm e
serem utilizadas em baixa queda (ANEEL 2002 p25) Outros tipos de maacutequinas
axiais satildeo as turbinas Tubulares Bulbo e Straflo
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
As mais utilizadas satildeo a de tipo HeacutelicePropeller e Kaplan A turbina Heacutelice veio da
necessidade da obtenccedilatildeo de turbinas com velocidades consideraacuteveis em baixas
quedas e grandes descargas que teve origem em 1908 (RAMOS 2008 Cap8)
Tambeacutem aliam caracteriacutesticas de serem simples e de baixo custo Elas consistem de basicamente de um rotor similar a heacutelice de navio ajustada internamente na
continuaccedilatildeo de um conduto com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a
tubulaccedilatildeo muda de direccedilatildeo (JUNIOR 2011 p15)
Jaacute a turbina Kaplan satildeo adaptadas a baixa altura topograacutefica e grandes descargas
As paacutes satildeo moacuteveis que permitem variar o seu acircngulo de ataque com um mecanismo de orientaccedilatildeo que eacute controlado pelo regulador da turbina isso faz com que a
inclinaccedilatildeo das paacutes se ajuste conforme a variaccedilatildeo da descarga e potecircncia sem
apreciaacutevel variaccedilatildeo do rendimento (GUEDES1994 p 6) A usina hidreleacutetrica de Trecircs
Marias funciona com turbina Kaplan por exemplo
13
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo Turbinas de impulso como o Turgo Pelton e turbinas de Fluxo Cruzado tecircm muitas
vantagens Elas tecircm uma eficiecircncia maior especialmente em condiccedilotildees de fluxo
parcial o que pode fornecer mais do que 90 de eficaacutecia A eficiecircncia tambeacutem eacute
passiacutevel de se manter em valores elevados mesmo variando-se as condiccedilotildees de
trabalho (ex vazatildeo variaacutevel) Satildeo faacuteceis de manter e fabricar os eixos natildeo
necessitam de qualquer selo de pressatildeo tendo uma maior toleracircncia a areia e outras partiacuteculas em aacutegua com pouco efeito sobre o desempenho das turbinas Aleacutem disso
a turbina Pelton e Turgo tecircm projetos simples e satildeo rentaacuteveis em escalas de micro
hidreleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 46)
Contudo a Turgo e Pelton em locais de baixa queda natildeo se mostram rentaacuteveis
14
quando leva-se em conta suas caracteriacutesticas de desempenho e anaacutelise de custo ao
contraacuterio da turbina de Fluxo Cruzado que eacute mais adequado para aplicaccedilotildees de baixa
queda porque a sua eficiecircncia depende basicamente da vazatildeo e os outros dois tipos natildeo Turbinas de impulso tambeacutem tem velocidade especiacutefica menor o que seria
necessaacuterio a instalaccedilatildeo de um sistema que aumentasse a velocidade da aacutegua
(ELBATRAN 2014 p 46)
As de reaccedilatildeo satildeo mais apropriadas para condiccedilotildees de baixa queda por possuiacuterem
maiores velocidades especiacuteficas jaacute que as turbinas estatildeo conectadas diretamente ao
alternador sem a necessidade do sistema de transmissatildeo Consequentemente o
custo de remoccedilatildeo do sistema de acionamento eacute significativamente baixo Estas
turbinas podem tambeacutem ser utilizadas em diferentes quedas a turbina Francis eacute
apropriada para o meacutedias a altas quedas enquanto a Propeller e BFT satildeo mais
adequados para as quedas menores (ELBATRAN 2014 p 46) FONTE
Por outro lado a implantaccedilatildeo de turbinas de reaccedilatildeo eacute mais complicada do que as
turbinas de impulso porque requerem a utilizaccedilatildeo de lacircminas de revestimento isto
pode causar o aumento no custo do orccedilamento inicial Portanto o uso de turbinas de
reaccedilatildeo nos esquemas de micro hidreleacutetricas eacute menos atraente especialmente em
aacutereas com populaccedilatildeo de baixa renda No entanto BFT e Propeller hoje em dia foram melhoradas para serem utilizadas em instalaccedilotildees de micro hidreleacutetricas mas com a
condiccedilatildeo de que os ambientes tenham queda e vazatildeo regulares (ELBATRAN 2014
p46)
Natildeo obstante haacute uma seacuterie de soluccedilotildees em relaccedilatildeo a este assunto tais como
condutas forccediladas de baixo custo tipo de desenvolvimento das turbinas e gerador de
induccedilatildeo tudo para eliminar o custo total dos sistemas e tornaacute-los mais acessiacuteveis nas
aplicaccedilotildees em zonas remotas e montanhosas A reduccedilatildeo do custo da turbina eacute a
maneira mais eficaz de reduzir o orccedilamento inicial de projeto pois eacute a parte mais
onerosa no sistema
Uma seacuterie de opccedilotildees de configuraccedilatildeo de turbina tecircm sido propostas para reduzir o custo do conjunto de microturbinas Bomba centrifuga funcionando como turbina
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
8 BIBLIOGRAFIA CACHAPUZ Paulo Brandi de Barros Usinas da Cemig 1952-2005 A histoacuteria da eletricidade em Minas e no Brasil Rio de Janeiro Centro da Memoacuteria da
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Paulo 2000 Programa Interunidades de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Energia
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Engenharia Produccedilatildeo) ndash Universidade Federal do Rio de Janeiro Rio de Janeiro
2013 [Orientador Prof Jose Roberto Ribas] SINGH Punit NESTMANN Franz Exit blade geometry and part-load performance of small axial flow propeller turbines An experimental investigation 2010 Experimental Thermal and Fluid Science Reviews Volume 34
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Universidade de Salvador Salvador 2009 [Orientador Prof Dr Maria Olivia de
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(Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo Paulo Satildeo Carlos 2010 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
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Universidade Federal de Minas Gerais Belo Horizonte 2011 [Orientador Prof
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Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
VI
AGRADECIMENTOS
Primeiramente a Deus por guiar meus passos e acreditar que sempre existe uma
forccedila a maior que nos faz caminhar no caminho destinado
Aos meus pais por me darem sempre apoio incondicional e incentivo em diversos
momentos para que tenha-se tornado possiacutevel meu objetivo Aos amigos pela confianccedila que sempre depositaram em minhas qualidades e
que ajudaram esta jornada ser mais leve
Ao professor Marcos Alexandre Teixeira pelo constante incentivo paciecircncia e
orientaccedilatildeo em todos os ensinamentos principalmente aqueles que se aprendem
sem serem ensinados
A Universidade Federal Fluminense por dispor de professores com alto conteuacutedo acadecircmico e eacutetica profissional
E todas as pessoas que direta e indiretamente auxiliaram na realizaccedilatildeo deste
trabalho
VII
Determinaccedilatildeo coragem e autoconfianccedila satildeo fatores
decisivos para o sucesso Se estamos possuiacutedos por
uma inabalaacutevel determinaccedilatildeo conseguiremos superaacute-
los Independentemente das circunstacircncias devemos
ser sempre humildes recatados e despidos de
orgulho
- Dalai Lama
VIII
RESUMO
A presente dissertaccedilatildeo aborda a viabilidade de implantaccedilatildeo de uma turbina Low Head no Brasil (Turbinas de Pequena Queda) na qual eacute uma turbina que
opera com pequenas quedas drsquoaacutegua (de 05 a 2 m) e natildeo necessita de
reservatoacuterio (represamento) Uma tecnologia especialmente aplicaacutevel para populaccedilotildees rurais do interior ou ribeirinhas que ainda natildeo estatildeo proacuteximas do
Sistema Nacional Interligado para fornecimento de energia eleacutetrica podendo
entatildeo utilizar desta tecnologia para melhorar suas condiccedilotildees de vida Com os
valores de vazatildeo entre 0024 ଷs e 0061 ଷs e queda drsquoaacutegua de 1 a 2 metros eacute
possiacutevel a instalaccedilatildeo deste equipamento na faixa de 100 a 500 W O estudo encontrou fabricantes brasileiros que possuem peccedilas e equipamentos que tecircm o
potencial que atendem agrave demanda de projeto de uma Low Head e que poderiam
ser incorporados para um possiacutevel desenvolvimento desta tecnologia no Brasil
neste caso em especial geradores de eletricidade derivados de turbina eoacutelicas de
pequeno porte e heacutelices de motor de popa (de 9 a 10 pol de diacircmetro)
PALAVRAS ndash CHAVE Turbina de pequena queda Energia Hidreleacutetrica
Viabilidade teacutecnica
IX
ABSTRACT
This viability to develop the concept of a so called Low Head Turbine in Brazil is
discussed that is a turbine that requires small head (0 5 to 2 m) and do not need
a dam for flow regulation Which have been considered a sustainable technology
for remote rural areas far away from the National Grid and this technology have
the potential to improve their livelihood conditions Flow values from 0024 ଷs to
0061 ଷs and heads between 1 and 2 meters is possible to install such
equipment on power from 100 up to 500 W The study found that Brazilian
manufacturers have pieces and equipment that could be incorporated within the design of a Low Head Turbine in this case electrical generators from small
windmills and propellers for outboard motor (from 9 to 10 inches diameter)
KEY WORDS Low Head Turbine Hydropower Energy technical viability
X
LISTA DE ILUSTRACcedilOtildeES
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE
2013)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina
de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52) Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado (PANISH 2002)
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA
NAUTICA 2013)
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante
EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1)
Figura 11 Motor YAMAHA 15 GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelog Yamaha 15GMHS 2015 p
27)
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine que atendem as demandas de
projeto (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26)
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso
14042016)
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016) Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa
ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
XI
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa
ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
XII
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Analise de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse
(PANISH 2002)
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
XIII
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AIE IEA - Agecircncia Internacional de Energia (International Energy Agency)
MME - Ministeacuterio de Minas e Energia
SIPOT - Potencial Hidreleacutetrico Brasileiro
BFT - Bomba Centrifuga Funcionando como turbina
CONMETRO - Conselho Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade
Industrial
IEV - Vocabulaacuterio Eletroteacutecnico Internacional EPE - Empresa de Pesquisa Energeacutetica
UHEs - Usinas Hidreleacutetricas
PNE - Plano Decenal de Expansatildeo de Energia
ANEEL - Agencia Nacional De Energia Eleacutetrica
ELETROBRAS - Centrais Eleacutetricas Brasileiras SA
ABNT- Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas
ISSO - International Organization for Standardization
IEC - International Electrotechnical Commission
NBR - Normas Teacutecnicas Brasileiras LHT ndash Low Head turbine
UFF ndash Universidade Federal Fluminense Cobei - Comitecirc Brasileiro de Eletricidade Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e
Telecomunicaccedilotildees
CB-03 - Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
CA - Corrente Alternada
CC - Corrente Contiacutenua
DNAEE - Departamento Nacional de Aacuteguas e Energia Eleacutetrica
XIV
LISTA DE EQUACcedilOtildeES
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
LISTA DE SIacuteMBOLOS
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
XV
SUMAacuteRIO 1 INTRODUCcedilAtildeO 1 2 OBJETIVO 3 3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA 4
31 Energia Hidreleacutetrica 4 32 Turbinas 5
321 Retrospectiva 5 322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas 6 323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines 8 324 Classificaccedilatildeo das Turbinas 9
3241 De Impulso 9 3242 De Reaccedilatildeo 11
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo 13 33 Geradores 15
4 MATERIAL E MEacuteTODO 17 41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 17 42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis 17 43 Elementos constituintes preferenciais 18 44 Analise de rendimento e funcionalidade 19 45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 20
5 RESULTADOS 21 51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 21 52 Normas aplicaacuteveis 23
521 Normas de Maior Relevacircncia 26 53 Elementos constituintes preferenciais 28
531 Heacutelice ou Propeller 28 5311 Fornecedores 30
532 Gerador 33 54 Analise de rendimento e funcionalidade 38 55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 40
6 DISCUSSOtildeES 42 7 CONCLUSAtildeO 44 8 BIBLIOGRAFIA 46 9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016 53
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
A eletricidade se tornou a principal fonte de luz calor e forccedila utilizada no mundo
moderno Atividades cotidianas como assistir agrave televisatildeo ou navegar na internet satildeo
possiacuteveis porque a energia eleacutetrica chega ateacute a sua casa Shoppings supermercados
e fabricas por exemplo precisam dela para funcionar Grande parte dos avanccedilos
tecnoloacutegicos alcanccedilados se deve agrave energia eleacutetrica
Ao contraacuterio de outras fontes de energia eleacutetrica a energia hidraacuteulica jaacute possui uma
presenccedila relevante na matriz energeacutetica mundial e aleacutem de possuir tecnologias
consolidadas sendo a segunda maior fonte de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no
mundo com uma participaccedilatildeo de aproximadamente 18 (Atlas Energia Eleacutetrica no
Brasil ANEEL 2002 p25)
Em termos absolutos os cinco maiores produtores de energia hidreleacutetrica no mundo
satildeo China Canadaacute Brasil Estados Unidos e Ruacutessia Em 2001 esses paiacuteses foram
responsaacuteveis por quase 50 de toda a produccedilatildeo mundial de energia hidreleacutetrica
(AIE 2008)
Especificamente o Brasil deteacutem aproximadamente 12 da aacutegua doce superficial do
planeta e condiccedilotildees adequadas para exploraccedilatildeo Com um potencial hidreleacutetrico de
260 GW segundo o Plano 2015 da Eletrobraacutes - segundo uacuteltimo inventaacuterio produzido
no paiacutes em 1992 ndash ainda existe um grande espaccedilo para crescer entretanto as
usinas hidreleacutetricas causam grande impacto ambiental devido agrave aacuterea alagada represada pela barragem causando tambeacutem a perda de solos agricultaacuteveis
florestas fauna e a retirada de populaccedilotildees ribeirinhas
De acordo com a Agecircncia Internacional de Energia (AIE) cerca de 13 bilhatildeo de
pessoas 18 da populaccedilatildeo mundial ainda natildeo tecircm acesso agrave eletricidade Este
nuacutemero poderaacute dobrar no futuro a natildeo ser que se tenha uma soluccedilatildeo eficaz e que seja adaptaacutevel particularmente para paiacuteses perifeacutericos Soluccedilotildees como a Low Head
Turbine (Turbinas de Pequena Queda) estatildeo tornando-se uma perspectiva atraente
2
para satisfazer as necessidades baacutesicas de eletricidade de comunidades remotas
(LAHIMER 2012 p 5862)
Este meacutetodo de produccedilatildeo de energia eleacutetrica jaacute presente em alguns lugares do mundo poreacutem ainda natildeo implantado no Brasil O conceito de Low Head Turbine jaacute eacute
utilizado em paiacuteses como Camarotildees China Colocircmbia Filipinas Indoneacutesia Nepal
Sri Lanka e Vietnatilde (LAHIMER 2012) Um sistema de geraccedilatildeo de energia que natildeo
necessita grandes quedas d`aacuteguas nem intervenccedilotildees draacutesticas aleacutem de ter um custo
acessiacutevel
Aleacutem disso a produccedilatildeo de energia eleacutetrica em pequena escala eacute uma das
tecnologias de energia mais rentaacuteveis a ser considerado para a eletrificaccedilatildeo rural
nos paiacuteses menos desenvolvidos Eacute tambeacutem uma tecnologia chave para regiotildees que
jaacute possuem domiacutenio da produccedilatildeo de energia hidreleacutetrica poreacutem natildeo possuem mais espaccedilo geograacutefico para implantar uma hidreleacutetrica de grande porte ou os locais de
possiacutevel alocaccedilatildeo satildeo inviaacuteveis ambientalmente (PAISH 2002 p537) Provando ser
uma boa opccedilatildeo para distintas utilizaccedilotildees
Neste sentido se pergunta por que esta tecnologia ainda natildeo estaacute presente no
Brasil e se esta viesse a ser desenvolvida quais seriam as condicionantes para o seu projeto e ou fabricaccedilatildeo
Entende-se que um equipamento nacional deveraacute atender agraves normas teacutecnicas
brasileiras assim como deveraacute ndash tanto quanto possiacutevel ndash fazer uso de peccedilas e
equipamentos jaacute disponiacuteveis no mercado brasileiro numa oacutetica de reduccedilatildeo de custos
e busca de parcerias para a sua disseminaccedilatildeo
Este vem a ser o foco do presente trabalho o levantamento destas condicionantes para o projeto e desenvolvimento destas Turbinas de Pequena Queda ou Low Head
Turbine no Brasil
3
2 OBJETIVO
Com base em um projeto tiacutepico de turbina de impulso para baixo valor de queda drsquoaacutegua - Low Head Turbine (Turbina de Pequena Queda) - avaliar quais as normas
brasileiras aplicaacuteveis e qual o melhor entendimento destas para a adequaccedilatildeo dos
padrotildees internacionais para a realidade brasileira assim como identificar elementos
que poderiam ser norteadores no projeto deste tipo de equipamento no Brasil
Para que este objetivo seja atingido eacute necessaacuterio materializar objetivos parciais
1 Identificar as Normas Brasileiras aplicaacuteveis
2 Definir os elementos constituintes do sistema e sua disponibilidade no
mercado brasileiro
3 Com base em uma localizaccedilatildeo tiacutepica analisar seu rendimento e
funcionalidade
4 Finalizar avaliando a viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head
Turbine no Brasil
4
3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
31 Energia Hidreleacutetrica No Brasil a utilizaccedilatildeo de energia hidreleacutetrica no Brasil teve iniacutecio em 1883 com a
instalaccedilatildeo da usina de Ribeiratildeo do Inferno em Diamantina (MG) Jaacute em 1889 entrou
em operaccedilatildeo a usina de Marmelos Zero ndash instalada no rio Paraibuna a 7 km de Juiz
de Fora (MG) ndash foi a primeira com a finalidade de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para o
uso puacuteblico com 250 kW de potecircncia instalada (CACHAPUZ 2006 p15)
A primeira hidreleacutetrica de maior porte comeccedilou a ser construiacuteda no Nordeste (Paulo
Afonso I com potecircncia de 180 MW) pela Companhia Hidreleacutetrica do Satildeo Francisco
(estatal constituiacuteda em 1948) As demais erguidas ao longo dos 60 anos seguintes
concentraram-se nas regiotildees Sul Sudeste e Nordeste (com o aproveitamento
integral do rio Satildeo Francisco) No Norte foram construiacutedas Tucuruiacute no Paraacute e Balbina no Amazonas Nos anos 90 a Usina Serra da Mesa (GO) no rio Tocantins
(Atlas Energia Eleacutetrica no Brasil ANEEL 2008 p57) Todas as construiacutedas ateacute o
momento possuindo capacidade eleacutetrica entre 3984 MW a 8370 MW de acordo
com dados fornecidos pelo Governo Federal Brasileiro
Pacheco (2013 apud TUNDISI 2005) constatou que potencial hidreleacutetrico brasileiro
eacute estimado em cerca de 260 GW dos quais 405 estatildeo localizados na Bacia
Hidrograacutefica do Amazonas a Bacia do Paranaacute responde por 23 a do Tocantins
por 106 e a do Satildeo Francisco por 10 Apenas 63 do potencial foi inventariado
e a Regiatildeo Norte tem um grande potencial ainda por explorar
O estudo sobre energia hidreleacutetrica constante do Plano Nacional de Energia 2030
(PNE) realizado pela Empresa de Pesquisa Energeacutetica (EPE) e o Ministeacuterio de
Minas e Energia (MME) em 2007 relacionou o potencial de aproveitamento ainda
existente em cada uma das bacias hidrograacuteficas do paiacutes A bacia do rio Amazonas eacute
a maior com um potencial de 106000 MW superior agrave potecircncia jaacute instalada no
Brasil em 2008 de 102000 MW A bacia do TocantinsAraguaia possui potencial de 28000 MW dos quais quase 12200 MW jaacute estatildeo aproveitados pelas usinas
5
hidreleacutetricas (UHEs) e o potencial a ser aproveitado 90 poreacutem sofrem alguma
restriccedilatildeo ambiental (EPE 2013)
Outra bacia importante eacute a Tapajoacutes Em 2008 a Aneel estudava viabilidade de trecircs
aproveitamentos no rio Teles Pires Em 2013 o potencial hidraacuteulico do Brasil foi
avaliado como tendo somente 26 de sua totalidade utilizado como indicado na Figura 1 colocando o Brasil como 8ordm paiacutes em termos de menor aproveitamento de
seu potencial hidroeleacutetrico
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE 2013)
32 Turbinas
321 Retrospectiva Desde antes de Cristo os mesopotacircmicos e egiacutepcios jaacute utilizavam as maacutequinas
motrizes hidraacuteulicas sendo que o primeiro mecanismo antecessor a turbina
hidraacuteulica foram as rodas drsquoaacutegua que movimentavam-se por meio da aacutegua que
passava por debaixo da roda
6
No seacuteculo XVIII periacuteodo que teve grande desenvolvimento da ciecircncia hidraacuteulica
Daniel Bernoulli (1700-1782) publicou os fundamentos da hidrodinacircmica onde
continha a equaccedilatildeo de equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo de energia para fluidos No mesmo seacuteculo teve-se algumas tentativas para ocorrer a transiccedilatildeo da roda hidraacuteulica para agrave
turbina
Entretanto somente no seacuteculo XIX o termo turbina apareceu por meio de Claude Burdin (1790-1873) que publicou o trabalho ldquoDas turbinas hidraacuteulicas ou maacutequinas
rotativas de grande velocidaderdquo sobre uma anaacutelise teoacuterica que dava importacircncia a
velocidade de rotaccedilatildeo (JUNIOR 2013 p8)
Por fim seu aluno Benoit Fourneyron (1802-1867) desenhou e construiu rodas que
atingiam velocidades de rotaccedilatildeo de 60 rpm ou mais e que forneciam ateacute 50 CV nas
faacutebricas metaluacutergicas francesas Assim em 1827 construiu um turbina centriacutefuga de 6 CV e 80 de rendimento a primeira turbina industrial (ALVES 2007 apud
MACINTYPE 1983)
322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas As turbinas hidraacuteulicas no geral seguem a mesma loacutegica de funcionamento O
movimento giratoacuterio provocado pelo fluxo drsquoaacutegua faz girar o rotor do gerador eleacutetrico
que estaacute acoplado na turbina fazendo com que o deslocamento do campo magneacutetico
transforme a potecircncia de eixo em potecircncia eleacutetrica
As principais condiccedilotildees para a escolha da turbina ideal satildeo a queda d`aacutegua vazatildeo e
velocidade especiacutefica A altura da queda d`aacutegua eacute medida como a distacircncia vertical
entre a superfiacutecie mais alta e mais baixa da queda deduzido de eventuais perdas tais
como o atrito do tubo A vazatildeo eacute medida pela quantidade total de aacutegua que passa
atraveacutes da turbina
Turbinas em geral podem operar atraveacutes de distintas vazotildees Entretanto a eficiecircncia
da turbina diminui quando a taxa de vazatildeo varia em comparaccedilatildeo com a taxa de
vazatildeo ideal pois com o dimensionamento errocircneo pode-se instalar uma turbina que
em sua eficiecircncia maacutexima natildeo supere o fluxo disponiacutevel quando a vazatildeo eacute maacutexima
7
Assim aleacutem dos fatores citados a anaacutelise detalhada do fluxo ao longo do tempo deve
de ser realizada para que a escolha da turbina supra as necessidades de projeto
Vale ressaltar que atualmente a eficiecircncia das turbinas estaacute em torno de 85 a 95
sem as perdas hidraacuteulicas ou mecacircnicas que possam ocorrer (APPLEGATE INC
2013 p3)
As turbinas satildeo constituiacutedas essencialmente por distribuidor a roda moacutevel ou rotor o
difusor ou tubo de succcedilatildeo e sua carcaccedila O distribuidor conduz a aacutegua agrave roda pela
direccedilatildeo correta e regula a vazatildeo O rotor eacute responsaacutevel por transformar parte da
energia hidraacuteulica em trabalho mecacircnico O difusor recupera a altura entre a saiacuteda da
roda e o niacutevel do canal de fuga e a carcaccedila desacelera o fluxo drsquoaacutegua poacutes-turbina devolvendo-a ao corpo drsquoaacutegua (JUacuteNIOR 2013 p 9)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52)
8
323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines Nas aacutereas urbanas o percentual da populaccedilatildeo com acesso agrave eletricidade eacute elevado
devido ao baixo custo de conexatildeo agrave rede Em aacutereas rurais no entanto o acesso eacute
limitado devido ao alto custo de estender a rede aos centros de baixa densidade
populacional As tecnologias de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em baixa escala satildeo capazes de fornecer a eletricidade onde a extensatildeo da rede eacute muito cara e onde ndash
tradicionalmente haacute uma precariedade de atendimento das concessionarias de
energia e os consumidores tecircm baixo consumo de energia (WILLIAMSON 2012
p43) Com a energia eleacutetrica seria possiacutevel estender as atividades produtivas
aproveitar os recursos naturais aumentar o mercado de trabalho e melhorar sua
situaccedilatildeo econocircmica cultural e social (ALVES 2007 p2)
A tecnologia Low Head Turbine eacute uma tecnologia possiacutevel de ser utilizada nestas
comunidades que vivem em lugares de difiacutecil acesso e aleacutem disso possuem recursos
locais (rios de pequeno porte eou coacuterregos) capazes para produzir sua proacutepria
energia jaacute que dependendo da quantidade de energia gerada natildeo se precisa de retenccedilatildeo de aacutegua e grandes quedas d` aacutegua
As turbinas em questatildeo somente exigem uma queda de menos de 10 metros
(normal muito menos) e um fluxo de aacutegua suficiente (ateacute 5 m3s aprox) para prover
energia adequada pois num primeiro momento estes locais apresentam baixa
demanda de energia (ateacute 500 W) em especial representadas por iluminaccedilatildeo agrave noite e um raacutedio ou televisatildeo para entretenimento
As Low Head Turbines que produzem 200 a 1000 W de potecircncia e satildeo
particularmente populares em aacutereas rurais porque satildeo usadas para gerar
eletricidade para iluminaccedilatildeoTV raacutedio ventilador de mesa refrigeraccedilatildeo alimentaccedilatildeo
de ferramentas agriacutecolas processamento de alimentos e a carga da bateria em
aacutereas rurais (LAHIMER 2012 p 5865)
Em um relatoacuterio do Banco Mundial foi comprovado que a energia hidreleacutetrica em
baixa escala no geral representou a oportunidade mais barata para a geraccedilatildeo de
energia com menos de 5 kW em 2005 e foi projetado para ser de pelo menos 25
9
mais barata do que outras alternativas ainda depois de dez anos (WILLIAMSON
2012 p43)
324 Classificaccedilatildeo das Turbinas As turbinas satildeo divididas em duas categorias de reaccedilatildeo e impulso ou accedilatildeo As turbinas de impulso a energia hidraacuteulica disponiacutevel eacute transformada em energia
cineacutetica para apoacutes incidir nas paacutes do rotor transformar-se em mecacircnica todo o
escoamento ocorre sem variaccedilatildeo de pressatildeo atmosfeacuterica com mesma pressatildeo de
entrada e saiacuteda
Jaacute as de reaccedilatildeo o rotor eacute completamente imerso na aacutegua assim no escoamento ocorre uma queda de pressatildeo e de velocidade entre a entrada e a saiacuteda do rotor A
pressatildeo de saiacuteda eacute inferior agrave entrada e em funccedilatildeo disso satildeo normalmente utilizadas
para meacutedias e baixas quedas
Em baixas velocidades de operaccedilatildeo a eficiecircncia das turbinas de reaccedilatildeo eacute normalmente maior do que as de turbina de impulso Na categoria das turbinas de
reaccedilatildeo ainda tem-se uma subdivisatildeo entre turbinas de escoamento radiais e turbinas
de escoamento axiais No qual as radiais o fluxo eacute perpendicular ao eixo de rotaccedilatildeo
enquanto as axiais o fluxo eacute aproximadamente paralelo ao eixo de rotaccedilatildeo (JUNIOR
2003 p 11)
Tradicionalmente o uso de turbinas hidraacuteulicas tem-se concentrado no tipo Pelton
com um ou mais jatos no caso das maacutequinas de impulso na Francis Heacutelice e
Kaplan no caso do tipo de reaccedilatildeo (SANTOS 2010 p 31)
3241 De Impulso Turbina Pelton eacute utilizada em altas quedas e velocidade de rotaccedilatildeo mais baixa
Alturas superiores a 150 metros podendo chegar ateacute 2000 metros (EISENRING
1991) Com eixo horizontal para o caso de um ou dois jatos e eixo vertical para um
nuacutemero de jatos de trecircs a seis satildeo alcanccediladas potecircncias que podem chegar mais de
10
100 MW por unidade e quedas da ordem de 1900 metros Geralmente a turbina
Pelton possui alta eficiecircncia entre 70-90 NATIONAL RENEWABLE ENERGY
LABORATORY 2011)
Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
A turbina de fluxo cruzado eacute outra turbina que possui destaque nas classificadas
como de impulso Esse tipo de turbina eacute mais utilizado em altas vazotildees e baixas
quedas d`aacutegua do que as turbinas de Pelton e Turgo (GHOSH 2011) A eficiecircncia de
uma turbina de fluxo cruzado depende de seus paracircmetros geomeacutetricos como o
nuacutemero de laminas diacircmetro do rotor arco de entrada do bico e acircngulo de ataque
Turbina Turgo eacute uma maacutequina de impulso similar a turbina Pelton A eficaacutecia na transmissatildeo de energia a partir do jato de aacutegua para o gerador de turbina Turgo depende da velocidade de eixo Assim Cobb e Shar em Impulse (Turgo and Pelton)
turbine performance characteristics and their impact on pico-hydro installations 2007
realizaram um estudo e constaram que o pico de eficiecircncia pode ser conseguido em
uma proporccedilatildeo de baixa velocidade
11
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
3242 De Reaccedilatildeo A turbina Francis escoamento radial eacute a mais usada em grandes usinas hidreleacutetricas
No Brasil a usina hidreleacutetrica mais conhecida Itaipu utiliza este tipo de turbina E de acordo com os dados oficiais da Usina tem-se uma queda liacutequida de projeto de 1184
metros vazatildeo nominal de 690 m3s e uma potecircncia nominal de 715MW Suas
caracteriacutesticas hidraacuteulicas especiais permitem fabricar unidades compactas de alta
velocidade ateacute as potecircncias mais elevadas Para valores inferiores da queda utilizam-
se turbinas de caixa aberta Ela pode ser usada para grandes meacutedias ou pequenas
hidreleacutetricas com quedas entre 1 metro e 900 metros Elbatran et al concluiu que a eficaacutecia de uma turbina Francis depende principalmente do desenvolvimento do seu
voacutertice helicoidal
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
12
O uacuteltimo tipo de turbina de reaccedilatildeo escoamento axial abrange subcategorias em sua
abrangecircncia As turbinas cujas as paacutes do rotor satildeo fixas conhecidas como turbinas
HelicePropeller e as com paacutes do rotor ajustaacuteveis tendo como turbina de referecircncia Kaplan Suas semelhanccedilas satildeo possuir baixa velocidade entre 70 e 350 rpm e
serem utilizadas em baixa queda (ANEEL 2002 p25) Outros tipos de maacutequinas
axiais satildeo as turbinas Tubulares Bulbo e Straflo
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
As mais utilizadas satildeo a de tipo HeacutelicePropeller e Kaplan A turbina Heacutelice veio da
necessidade da obtenccedilatildeo de turbinas com velocidades consideraacuteveis em baixas
quedas e grandes descargas que teve origem em 1908 (RAMOS 2008 Cap8)
Tambeacutem aliam caracteriacutesticas de serem simples e de baixo custo Elas consistem de basicamente de um rotor similar a heacutelice de navio ajustada internamente na
continuaccedilatildeo de um conduto com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a
tubulaccedilatildeo muda de direccedilatildeo (JUNIOR 2011 p15)
Jaacute a turbina Kaplan satildeo adaptadas a baixa altura topograacutefica e grandes descargas
As paacutes satildeo moacuteveis que permitem variar o seu acircngulo de ataque com um mecanismo de orientaccedilatildeo que eacute controlado pelo regulador da turbina isso faz com que a
inclinaccedilatildeo das paacutes se ajuste conforme a variaccedilatildeo da descarga e potecircncia sem
apreciaacutevel variaccedilatildeo do rendimento (GUEDES1994 p 6) A usina hidreleacutetrica de Trecircs
Marias funciona com turbina Kaplan por exemplo
13
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo Turbinas de impulso como o Turgo Pelton e turbinas de Fluxo Cruzado tecircm muitas
vantagens Elas tecircm uma eficiecircncia maior especialmente em condiccedilotildees de fluxo
parcial o que pode fornecer mais do que 90 de eficaacutecia A eficiecircncia tambeacutem eacute
passiacutevel de se manter em valores elevados mesmo variando-se as condiccedilotildees de
trabalho (ex vazatildeo variaacutevel) Satildeo faacuteceis de manter e fabricar os eixos natildeo
necessitam de qualquer selo de pressatildeo tendo uma maior toleracircncia a areia e outras partiacuteculas em aacutegua com pouco efeito sobre o desempenho das turbinas Aleacutem disso
a turbina Pelton e Turgo tecircm projetos simples e satildeo rentaacuteveis em escalas de micro
hidreleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 46)
Contudo a Turgo e Pelton em locais de baixa queda natildeo se mostram rentaacuteveis
14
quando leva-se em conta suas caracteriacutesticas de desempenho e anaacutelise de custo ao
contraacuterio da turbina de Fluxo Cruzado que eacute mais adequado para aplicaccedilotildees de baixa
queda porque a sua eficiecircncia depende basicamente da vazatildeo e os outros dois tipos natildeo Turbinas de impulso tambeacutem tem velocidade especiacutefica menor o que seria
necessaacuterio a instalaccedilatildeo de um sistema que aumentasse a velocidade da aacutegua
(ELBATRAN 2014 p 46)
As de reaccedilatildeo satildeo mais apropriadas para condiccedilotildees de baixa queda por possuiacuterem
maiores velocidades especiacuteficas jaacute que as turbinas estatildeo conectadas diretamente ao
alternador sem a necessidade do sistema de transmissatildeo Consequentemente o
custo de remoccedilatildeo do sistema de acionamento eacute significativamente baixo Estas
turbinas podem tambeacutem ser utilizadas em diferentes quedas a turbina Francis eacute
apropriada para o meacutedias a altas quedas enquanto a Propeller e BFT satildeo mais
adequados para as quedas menores (ELBATRAN 2014 p 46) FONTE
Por outro lado a implantaccedilatildeo de turbinas de reaccedilatildeo eacute mais complicada do que as
turbinas de impulso porque requerem a utilizaccedilatildeo de lacircminas de revestimento isto
pode causar o aumento no custo do orccedilamento inicial Portanto o uso de turbinas de
reaccedilatildeo nos esquemas de micro hidreleacutetricas eacute menos atraente especialmente em
aacutereas com populaccedilatildeo de baixa renda No entanto BFT e Propeller hoje em dia foram melhoradas para serem utilizadas em instalaccedilotildees de micro hidreleacutetricas mas com a
condiccedilatildeo de que os ambientes tenham queda e vazatildeo regulares (ELBATRAN 2014
p46)
Natildeo obstante haacute uma seacuterie de soluccedilotildees em relaccedilatildeo a este assunto tais como
condutas forccediladas de baixo custo tipo de desenvolvimento das turbinas e gerador de
induccedilatildeo tudo para eliminar o custo total dos sistemas e tornaacute-los mais acessiacuteveis nas
aplicaccedilotildees em zonas remotas e montanhosas A reduccedilatildeo do custo da turbina eacute a
maneira mais eficaz de reduzir o orccedilamento inicial de projeto pois eacute a parte mais
onerosa no sistema
Uma seacuterie de opccedilotildees de configuraccedilatildeo de turbina tecircm sido propostas para reduzir o custo do conjunto de microturbinas Bomba centrifuga funcionando como turbina
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
VII
Determinaccedilatildeo coragem e autoconfianccedila satildeo fatores
decisivos para o sucesso Se estamos possuiacutedos por
uma inabalaacutevel determinaccedilatildeo conseguiremos superaacute-
los Independentemente das circunstacircncias devemos
ser sempre humildes recatados e despidos de
orgulho
- Dalai Lama
VIII
RESUMO
A presente dissertaccedilatildeo aborda a viabilidade de implantaccedilatildeo de uma turbina Low Head no Brasil (Turbinas de Pequena Queda) na qual eacute uma turbina que
opera com pequenas quedas drsquoaacutegua (de 05 a 2 m) e natildeo necessita de
reservatoacuterio (represamento) Uma tecnologia especialmente aplicaacutevel para populaccedilotildees rurais do interior ou ribeirinhas que ainda natildeo estatildeo proacuteximas do
Sistema Nacional Interligado para fornecimento de energia eleacutetrica podendo
entatildeo utilizar desta tecnologia para melhorar suas condiccedilotildees de vida Com os
valores de vazatildeo entre 0024 ଷs e 0061 ଷs e queda drsquoaacutegua de 1 a 2 metros eacute
possiacutevel a instalaccedilatildeo deste equipamento na faixa de 100 a 500 W O estudo encontrou fabricantes brasileiros que possuem peccedilas e equipamentos que tecircm o
potencial que atendem agrave demanda de projeto de uma Low Head e que poderiam
ser incorporados para um possiacutevel desenvolvimento desta tecnologia no Brasil
neste caso em especial geradores de eletricidade derivados de turbina eoacutelicas de
pequeno porte e heacutelices de motor de popa (de 9 a 10 pol de diacircmetro)
PALAVRAS ndash CHAVE Turbina de pequena queda Energia Hidreleacutetrica
Viabilidade teacutecnica
IX
ABSTRACT
This viability to develop the concept of a so called Low Head Turbine in Brazil is
discussed that is a turbine that requires small head (0 5 to 2 m) and do not need
a dam for flow regulation Which have been considered a sustainable technology
for remote rural areas far away from the National Grid and this technology have
the potential to improve their livelihood conditions Flow values from 0024 ଷs to
0061 ଷs and heads between 1 and 2 meters is possible to install such
equipment on power from 100 up to 500 W The study found that Brazilian
manufacturers have pieces and equipment that could be incorporated within the design of a Low Head Turbine in this case electrical generators from small
windmills and propellers for outboard motor (from 9 to 10 inches diameter)
KEY WORDS Low Head Turbine Hydropower Energy technical viability
X
LISTA DE ILUSTRACcedilOtildeES
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE
2013)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina
de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52) Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado (PANISH 2002)
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA
NAUTICA 2013)
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante
EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1)
Figura 11 Motor YAMAHA 15 GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelog Yamaha 15GMHS 2015 p
27)
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine que atendem as demandas de
projeto (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26)
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso
14042016)
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016) Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa
ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
XI
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa
ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
XII
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Analise de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse
(PANISH 2002)
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
XIII
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AIE IEA - Agecircncia Internacional de Energia (International Energy Agency)
MME - Ministeacuterio de Minas e Energia
SIPOT - Potencial Hidreleacutetrico Brasileiro
BFT - Bomba Centrifuga Funcionando como turbina
CONMETRO - Conselho Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade
Industrial
IEV - Vocabulaacuterio Eletroteacutecnico Internacional EPE - Empresa de Pesquisa Energeacutetica
UHEs - Usinas Hidreleacutetricas
PNE - Plano Decenal de Expansatildeo de Energia
ANEEL - Agencia Nacional De Energia Eleacutetrica
ELETROBRAS - Centrais Eleacutetricas Brasileiras SA
ABNT- Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas
ISSO - International Organization for Standardization
IEC - International Electrotechnical Commission
NBR - Normas Teacutecnicas Brasileiras LHT ndash Low Head turbine
UFF ndash Universidade Federal Fluminense Cobei - Comitecirc Brasileiro de Eletricidade Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e
Telecomunicaccedilotildees
CB-03 - Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
CA - Corrente Alternada
CC - Corrente Contiacutenua
DNAEE - Departamento Nacional de Aacuteguas e Energia Eleacutetrica
XIV
LISTA DE EQUACcedilOtildeES
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
LISTA DE SIacuteMBOLOS
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
XV
SUMAacuteRIO 1 INTRODUCcedilAtildeO 1 2 OBJETIVO 3 3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA 4
31 Energia Hidreleacutetrica 4 32 Turbinas 5
321 Retrospectiva 5 322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas 6 323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines 8 324 Classificaccedilatildeo das Turbinas 9
3241 De Impulso 9 3242 De Reaccedilatildeo 11
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo 13 33 Geradores 15
4 MATERIAL E MEacuteTODO 17 41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 17 42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis 17 43 Elementos constituintes preferenciais 18 44 Analise de rendimento e funcionalidade 19 45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 20
5 RESULTADOS 21 51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 21 52 Normas aplicaacuteveis 23
521 Normas de Maior Relevacircncia 26 53 Elementos constituintes preferenciais 28
531 Heacutelice ou Propeller 28 5311 Fornecedores 30
532 Gerador 33 54 Analise de rendimento e funcionalidade 38 55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 40
6 DISCUSSOtildeES 42 7 CONCLUSAtildeO 44 8 BIBLIOGRAFIA 46 9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016 53
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
A eletricidade se tornou a principal fonte de luz calor e forccedila utilizada no mundo
moderno Atividades cotidianas como assistir agrave televisatildeo ou navegar na internet satildeo
possiacuteveis porque a energia eleacutetrica chega ateacute a sua casa Shoppings supermercados
e fabricas por exemplo precisam dela para funcionar Grande parte dos avanccedilos
tecnoloacutegicos alcanccedilados se deve agrave energia eleacutetrica
Ao contraacuterio de outras fontes de energia eleacutetrica a energia hidraacuteulica jaacute possui uma
presenccedila relevante na matriz energeacutetica mundial e aleacutem de possuir tecnologias
consolidadas sendo a segunda maior fonte de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no
mundo com uma participaccedilatildeo de aproximadamente 18 (Atlas Energia Eleacutetrica no
Brasil ANEEL 2002 p25)
Em termos absolutos os cinco maiores produtores de energia hidreleacutetrica no mundo
satildeo China Canadaacute Brasil Estados Unidos e Ruacutessia Em 2001 esses paiacuteses foram
responsaacuteveis por quase 50 de toda a produccedilatildeo mundial de energia hidreleacutetrica
(AIE 2008)
Especificamente o Brasil deteacutem aproximadamente 12 da aacutegua doce superficial do
planeta e condiccedilotildees adequadas para exploraccedilatildeo Com um potencial hidreleacutetrico de
260 GW segundo o Plano 2015 da Eletrobraacutes - segundo uacuteltimo inventaacuterio produzido
no paiacutes em 1992 ndash ainda existe um grande espaccedilo para crescer entretanto as
usinas hidreleacutetricas causam grande impacto ambiental devido agrave aacuterea alagada represada pela barragem causando tambeacutem a perda de solos agricultaacuteveis
florestas fauna e a retirada de populaccedilotildees ribeirinhas
De acordo com a Agecircncia Internacional de Energia (AIE) cerca de 13 bilhatildeo de
pessoas 18 da populaccedilatildeo mundial ainda natildeo tecircm acesso agrave eletricidade Este
nuacutemero poderaacute dobrar no futuro a natildeo ser que se tenha uma soluccedilatildeo eficaz e que seja adaptaacutevel particularmente para paiacuteses perifeacutericos Soluccedilotildees como a Low Head
Turbine (Turbinas de Pequena Queda) estatildeo tornando-se uma perspectiva atraente
2
para satisfazer as necessidades baacutesicas de eletricidade de comunidades remotas
(LAHIMER 2012 p 5862)
Este meacutetodo de produccedilatildeo de energia eleacutetrica jaacute presente em alguns lugares do mundo poreacutem ainda natildeo implantado no Brasil O conceito de Low Head Turbine jaacute eacute
utilizado em paiacuteses como Camarotildees China Colocircmbia Filipinas Indoneacutesia Nepal
Sri Lanka e Vietnatilde (LAHIMER 2012) Um sistema de geraccedilatildeo de energia que natildeo
necessita grandes quedas d`aacuteguas nem intervenccedilotildees draacutesticas aleacutem de ter um custo
acessiacutevel
Aleacutem disso a produccedilatildeo de energia eleacutetrica em pequena escala eacute uma das
tecnologias de energia mais rentaacuteveis a ser considerado para a eletrificaccedilatildeo rural
nos paiacuteses menos desenvolvidos Eacute tambeacutem uma tecnologia chave para regiotildees que
jaacute possuem domiacutenio da produccedilatildeo de energia hidreleacutetrica poreacutem natildeo possuem mais espaccedilo geograacutefico para implantar uma hidreleacutetrica de grande porte ou os locais de
possiacutevel alocaccedilatildeo satildeo inviaacuteveis ambientalmente (PAISH 2002 p537) Provando ser
uma boa opccedilatildeo para distintas utilizaccedilotildees
Neste sentido se pergunta por que esta tecnologia ainda natildeo estaacute presente no
Brasil e se esta viesse a ser desenvolvida quais seriam as condicionantes para o seu projeto e ou fabricaccedilatildeo
Entende-se que um equipamento nacional deveraacute atender agraves normas teacutecnicas
brasileiras assim como deveraacute ndash tanto quanto possiacutevel ndash fazer uso de peccedilas e
equipamentos jaacute disponiacuteveis no mercado brasileiro numa oacutetica de reduccedilatildeo de custos
e busca de parcerias para a sua disseminaccedilatildeo
Este vem a ser o foco do presente trabalho o levantamento destas condicionantes para o projeto e desenvolvimento destas Turbinas de Pequena Queda ou Low Head
Turbine no Brasil
3
2 OBJETIVO
Com base em um projeto tiacutepico de turbina de impulso para baixo valor de queda drsquoaacutegua - Low Head Turbine (Turbina de Pequena Queda) - avaliar quais as normas
brasileiras aplicaacuteveis e qual o melhor entendimento destas para a adequaccedilatildeo dos
padrotildees internacionais para a realidade brasileira assim como identificar elementos
que poderiam ser norteadores no projeto deste tipo de equipamento no Brasil
Para que este objetivo seja atingido eacute necessaacuterio materializar objetivos parciais
1 Identificar as Normas Brasileiras aplicaacuteveis
2 Definir os elementos constituintes do sistema e sua disponibilidade no
mercado brasileiro
3 Com base em uma localizaccedilatildeo tiacutepica analisar seu rendimento e
funcionalidade
4 Finalizar avaliando a viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head
Turbine no Brasil
4
3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
31 Energia Hidreleacutetrica No Brasil a utilizaccedilatildeo de energia hidreleacutetrica no Brasil teve iniacutecio em 1883 com a
instalaccedilatildeo da usina de Ribeiratildeo do Inferno em Diamantina (MG) Jaacute em 1889 entrou
em operaccedilatildeo a usina de Marmelos Zero ndash instalada no rio Paraibuna a 7 km de Juiz
de Fora (MG) ndash foi a primeira com a finalidade de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para o
uso puacuteblico com 250 kW de potecircncia instalada (CACHAPUZ 2006 p15)
A primeira hidreleacutetrica de maior porte comeccedilou a ser construiacuteda no Nordeste (Paulo
Afonso I com potecircncia de 180 MW) pela Companhia Hidreleacutetrica do Satildeo Francisco
(estatal constituiacuteda em 1948) As demais erguidas ao longo dos 60 anos seguintes
concentraram-se nas regiotildees Sul Sudeste e Nordeste (com o aproveitamento
integral do rio Satildeo Francisco) No Norte foram construiacutedas Tucuruiacute no Paraacute e Balbina no Amazonas Nos anos 90 a Usina Serra da Mesa (GO) no rio Tocantins
(Atlas Energia Eleacutetrica no Brasil ANEEL 2008 p57) Todas as construiacutedas ateacute o
momento possuindo capacidade eleacutetrica entre 3984 MW a 8370 MW de acordo
com dados fornecidos pelo Governo Federal Brasileiro
Pacheco (2013 apud TUNDISI 2005) constatou que potencial hidreleacutetrico brasileiro
eacute estimado em cerca de 260 GW dos quais 405 estatildeo localizados na Bacia
Hidrograacutefica do Amazonas a Bacia do Paranaacute responde por 23 a do Tocantins
por 106 e a do Satildeo Francisco por 10 Apenas 63 do potencial foi inventariado
e a Regiatildeo Norte tem um grande potencial ainda por explorar
O estudo sobre energia hidreleacutetrica constante do Plano Nacional de Energia 2030
(PNE) realizado pela Empresa de Pesquisa Energeacutetica (EPE) e o Ministeacuterio de
Minas e Energia (MME) em 2007 relacionou o potencial de aproveitamento ainda
existente em cada uma das bacias hidrograacuteficas do paiacutes A bacia do rio Amazonas eacute
a maior com um potencial de 106000 MW superior agrave potecircncia jaacute instalada no
Brasil em 2008 de 102000 MW A bacia do TocantinsAraguaia possui potencial de 28000 MW dos quais quase 12200 MW jaacute estatildeo aproveitados pelas usinas
5
hidreleacutetricas (UHEs) e o potencial a ser aproveitado 90 poreacutem sofrem alguma
restriccedilatildeo ambiental (EPE 2013)
Outra bacia importante eacute a Tapajoacutes Em 2008 a Aneel estudava viabilidade de trecircs
aproveitamentos no rio Teles Pires Em 2013 o potencial hidraacuteulico do Brasil foi
avaliado como tendo somente 26 de sua totalidade utilizado como indicado na Figura 1 colocando o Brasil como 8ordm paiacutes em termos de menor aproveitamento de
seu potencial hidroeleacutetrico
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE 2013)
32 Turbinas
321 Retrospectiva Desde antes de Cristo os mesopotacircmicos e egiacutepcios jaacute utilizavam as maacutequinas
motrizes hidraacuteulicas sendo que o primeiro mecanismo antecessor a turbina
hidraacuteulica foram as rodas drsquoaacutegua que movimentavam-se por meio da aacutegua que
passava por debaixo da roda
6
No seacuteculo XVIII periacuteodo que teve grande desenvolvimento da ciecircncia hidraacuteulica
Daniel Bernoulli (1700-1782) publicou os fundamentos da hidrodinacircmica onde
continha a equaccedilatildeo de equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo de energia para fluidos No mesmo seacuteculo teve-se algumas tentativas para ocorrer a transiccedilatildeo da roda hidraacuteulica para agrave
turbina
Entretanto somente no seacuteculo XIX o termo turbina apareceu por meio de Claude Burdin (1790-1873) que publicou o trabalho ldquoDas turbinas hidraacuteulicas ou maacutequinas
rotativas de grande velocidaderdquo sobre uma anaacutelise teoacuterica que dava importacircncia a
velocidade de rotaccedilatildeo (JUNIOR 2013 p8)
Por fim seu aluno Benoit Fourneyron (1802-1867) desenhou e construiu rodas que
atingiam velocidades de rotaccedilatildeo de 60 rpm ou mais e que forneciam ateacute 50 CV nas
faacutebricas metaluacutergicas francesas Assim em 1827 construiu um turbina centriacutefuga de 6 CV e 80 de rendimento a primeira turbina industrial (ALVES 2007 apud
MACINTYPE 1983)
322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas As turbinas hidraacuteulicas no geral seguem a mesma loacutegica de funcionamento O
movimento giratoacuterio provocado pelo fluxo drsquoaacutegua faz girar o rotor do gerador eleacutetrico
que estaacute acoplado na turbina fazendo com que o deslocamento do campo magneacutetico
transforme a potecircncia de eixo em potecircncia eleacutetrica
As principais condiccedilotildees para a escolha da turbina ideal satildeo a queda d`aacutegua vazatildeo e
velocidade especiacutefica A altura da queda d`aacutegua eacute medida como a distacircncia vertical
entre a superfiacutecie mais alta e mais baixa da queda deduzido de eventuais perdas tais
como o atrito do tubo A vazatildeo eacute medida pela quantidade total de aacutegua que passa
atraveacutes da turbina
Turbinas em geral podem operar atraveacutes de distintas vazotildees Entretanto a eficiecircncia
da turbina diminui quando a taxa de vazatildeo varia em comparaccedilatildeo com a taxa de
vazatildeo ideal pois com o dimensionamento errocircneo pode-se instalar uma turbina que
em sua eficiecircncia maacutexima natildeo supere o fluxo disponiacutevel quando a vazatildeo eacute maacutexima
7
Assim aleacutem dos fatores citados a anaacutelise detalhada do fluxo ao longo do tempo deve
de ser realizada para que a escolha da turbina supra as necessidades de projeto
Vale ressaltar que atualmente a eficiecircncia das turbinas estaacute em torno de 85 a 95
sem as perdas hidraacuteulicas ou mecacircnicas que possam ocorrer (APPLEGATE INC
2013 p3)
As turbinas satildeo constituiacutedas essencialmente por distribuidor a roda moacutevel ou rotor o
difusor ou tubo de succcedilatildeo e sua carcaccedila O distribuidor conduz a aacutegua agrave roda pela
direccedilatildeo correta e regula a vazatildeo O rotor eacute responsaacutevel por transformar parte da
energia hidraacuteulica em trabalho mecacircnico O difusor recupera a altura entre a saiacuteda da
roda e o niacutevel do canal de fuga e a carcaccedila desacelera o fluxo drsquoaacutegua poacutes-turbina devolvendo-a ao corpo drsquoaacutegua (JUacuteNIOR 2013 p 9)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52)
8
323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines Nas aacutereas urbanas o percentual da populaccedilatildeo com acesso agrave eletricidade eacute elevado
devido ao baixo custo de conexatildeo agrave rede Em aacutereas rurais no entanto o acesso eacute
limitado devido ao alto custo de estender a rede aos centros de baixa densidade
populacional As tecnologias de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em baixa escala satildeo capazes de fornecer a eletricidade onde a extensatildeo da rede eacute muito cara e onde ndash
tradicionalmente haacute uma precariedade de atendimento das concessionarias de
energia e os consumidores tecircm baixo consumo de energia (WILLIAMSON 2012
p43) Com a energia eleacutetrica seria possiacutevel estender as atividades produtivas
aproveitar os recursos naturais aumentar o mercado de trabalho e melhorar sua
situaccedilatildeo econocircmica cultural e social (ALVES 2007 p2)
A tecnologia Low Head Turbine eacute uma tecnologia possiacutevel de ser utilizada nestas
comunidades que vivem em lugares de difiacutecil acesso e aleacutem disso possuem recursos
locais (rios de pequeno porte eou coacuterregos) capazes para produzir sua proacutepria
energia jaacute que dependendo da quantidade de energia gerada natildeo se precisa de retenccedilatildeo de aacutegua e grandes quedas d` aacutegua
As turbinas em questatildeo somente exigem uma queda de menos de 10 metros
(normal muito menos) e um fluxo de aacutegua suficiente (ateacute 5 m3s aprox) para prover
energia adequada pois num primeiro momento estes locais apresentam baixa
demanda de energia (ateacute 500 W) em especial representadas por iluminaccedilatildeo agrave noite e um raacutedio ou televisatildeo para entretenimento
As Low Head Turbines que produzem 200 a 1000 W de potecircncia e satildeo
particularmente populares em aacutereas rurais porque satildeo usadas para gerar
eletricidade para iluminaccedilatildeoTV raacutedio ventilador de mesa refrigeraccedilatildeo alimentaccedilatildeo
de ferramentas agriacutecolas processamento de alimentos e a carga da bateria em
aacutereas rurais (LAHIMER 2012 p 5865)
Em um relatoacuterio do Banco Mundial foi comprovado que a energia hidreleacutetrica em
baixa escala no geral representou a oportunidade mais barata para a geraccedilatildeo de
energia com menos de 5 kW em 2005 e foi projetado para ser de pelo menos 25
9
mais barata do que outras alternativas ainda depois de dez anos (WILLIAMSON
2012 p43)
324 Classificaccedilatildeo das Turbinas As turbinas satildeo divididas em duas categorias de reaccedilatildeo e impulso ou accedilatildeo As turbinas de impulso a energia hidraacuteulica disponiacutevel eacute transformada em energia
cineacutetica para apoacutes incidir nas paacutes do rotor transformar-se em mecacircnica todo o
escoamento ocorre sem variaccedilatildeo de pressatildeo atmosfeacuterica com mesma pressatildeo de
entrada e saiacuteda
Jaacute as de reaccedilatildeo o rotor eacute completamente imerso na aacutegua assim no escoamento ocorre uma queda de pressatildeo e de velocidade entre a entrada e a saiacuteda do rotor A
pressatildeo de saiacuteda eacute inferior agrave entrada e em funccedilatildeo disso satildeo normalmente utilizadas
para meacutedias e baixas quedas
Em baixas velocidades de operaccedilatildeo a eficiecircncia das turbinas de reaccedilatildeo eacute normalmente maior do que as de turbina de impulso Na categoria das turbinas de
reaccedilatildeo ainda tem-se uma subdivisatildeo entre turbinas de escoamento radiais e turbinas
de escoamento axiais No qual as radiais o fluxo eacute perpendicular ao eixo de rotaccedilatildeo
enquanto as axiais o fluxo eacute aproximadamente paralelo ao eixo de rotaccedilatildeo (JUNIOR
2003 p 11)
Tradicionalmente o uso de turbinas hidraacuteulicas tem-se concentrado no tipo Pelton
com um ou mais jatos no caso das maacutequinas de impulso na Francis Heacutelice e
Kaplan no caso do tipo de reaccedilatildeo (SANTOS 2010 p 31)
3241 De Impulso Turbina Pelton eacute utilizada em altas quedas e velocidade de rotaccedilatildeo mais baixa
Alturas superiores a 150 metros podendo chegar ateacute 2000 metros (EISENRING
1991) Com eixo horizontal para o caso de um ou dois jatos e eixo vertical para um
nuacutemero de jatos de trecircs a seis satildeo alcanccediladas potecircncias que podem chegar mais de
10
100 MW por unidade e quedas da ordem de 1900 metros Geralmente a turbina
Pelton possui alta eficiecircncia entre 70-90 NATIONAL RENEWABLE ENERGY
LABORATORY 2011)
Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
A turbina de fluxo cruzado eacute outra turbina que possui destaque nas classificadas
como de impulso Esse tipo de turbina eacute mais utilizado em altas vazotildees e baixas
quedas d`aacutegua do que as turbinas de Pelton e Turgo (GHOSH 2011) A eficiecircncia de
uma turbina de fluxo cruzado depende de seus paracircmetros geomeacutetricos como o
nuacutemero de laminas diacircmetro do rotor arco de entrada do bico e acircngulo de ataque
Turbina Turgo eacute uma maacutequina de impulso similar a turbina Pelton A eficaacutecia na transmissatildeo de energia a partir do jato de aacutegua para o gerador de turbina Turgo depende da velocidade de eixo Assim Cobb e Shar em Impulse (Turgo and Pelton)
turbine performance characteristics and their impact on pico-hydro installations 2007
realizaram um estudo e constaram que o pico de eficiecircncia pode ser conseguido em
uma proporccedilatildeo de baixa velocidade
11
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
3242 De Reaccedilatildeo A turbina Francis escoamento radial eacute a mais usada em grandes usinas hidreleacutetricas
No Brasil a usina hidreleacutetrica mais conhecida Itaipu utiliza este tipo de turbina E de acordo com os dados oficiais da Usina tem-se uma queda liacutequida de projeto de 1184
metros vazatildeo nominal de 690 m3s e uma potecircncia nominal de 715MW Suas
caracteriacutesticas hidraacuteulicas especiais permitem fabricar unidades compactas de alta
velocidade ateacute as potecircncias mais elevadas Para valores inferiores da queda utilizam-
se turbinas de caixa aberta Ela pode ser usada para grandes meacutedias ou pequenas
hidreleacutetricas com quedas entre 1 metro e 900 metros Elbatran et al concluiu que a eficaacutecia de uma turbina Francis depende principalmente do desenvolvimento do seu
voacutertice helicoidal
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
12
O uacuteltimo tipo de turbina de reaccedilatildeo escoamento axial abrange subcategorias em sua
abrangecircncia As turbinas cujas as paacutes do rotor satildeo fixas conhecidas como turbinas
HelicePropeller e as com paacutes do rotor ajustaacuteveis tendo como turbina de referecircncia Kaplan Suas semelhanccedilas satildeo possuir baixa velocidade entre 70 e 350 rpm e
serem utilizadas em baixa queda (ANEEL 2002 p25) Outros tipos de maacutequinas
axiais satildeo as turbinas Tubulares Bulbo e Straflo
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
As mais utilizadas satildeo a de tipo HeacutelicePropeller e Kaplan A turbina Heacutelice veio da
necessidade da obtenccedilatildeo de turbinas com velocidades consideraacuteveis em baixas
quedas e grandes descargas que teve origem em 1908 (RAMOS 2008 Cap8)
Tambeacutem aliam caracteriacutesticas de serem simples e de baixo custo Elas consistem de basicamente de um rotor similar a heacutelice de navio ajustada internamente na
continuaccedilatildeo de um conduto com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a
tubulaccedilatildeo muda de direccedilatildeo (JUNIOR 2011 p15)
Jaacute a turbina Kaplan satildeo adaptadas a baixa altura topograacutefica e grandes descargas
As paacutes satildeo moacuteveis que permitem variar o seu acircngulo de ataque com um mecanismo de orientaccedilatildeo que eacute controlado pelo regulador da turbina isso faz com que a
inclinaccedilatildeo das paacutes se ajuste conforme a variaccedilatildeo da descarga e potecircncia sem
apreciaacutevel variaccedilatildeo do rendimento (GUEDES1994 p 6) A usina hidreleacutetrica de Trecircs
Marias funciona com turbina Kaplan por exemplo
13
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo Turbinas de impulso como o Turgo Pelton e turbinas de Fluxo Cruzado tecircm muitas
vantagens Elas tecircm uma eficiecircncia maior especialmente em condiccedilotildees de fluxo
parcial o que pode fornecer mais do que 90 de eficaacutecia A eficiecircncia tambeacutem eacute
passiacutevel de se manter em valores elevados mesmo variando-se as condiccedilotildees de
trabalho (ex vazatildeo variaacutevel) Satildeo faacuteceis de manter e fabricar os eixos natildeo
necessitam de qualquer selo de pressatildeo tendo uma maior toleracircncia a areia e outras partiacuteculas em aacutegua com pouco efeito sobre o desempenho das turbinas Aleacutem disso
a turbina Pelton e Turgo tecircm projetos simples e satildeo rentaacuteveis em escalas de micro
hidreleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 46)
Contudo a Turgo e Pelton em locais de baixa queda natildeo se mostram rentaacuteveis
14
quando leva-se em conta suas caracteriacutesticas de desempenho e anaacutelise de custo ao
contraacuterio da turbina de Fluxo Cruzado que eacute mais adequado para aplicaccedilotildees de baixa
queda porque a sua eficiecircncia depende basicamente da vazatildeo e os outros dois tipos natildeo Turbinas de impulso tambeacutem tem velocidade especiacutefica menor o que seria
necessaacuterio a instalaccedilatildeo de um sistema que aumentasse a velocidade da aacutegua
(ELBATRAN 2014 p 46)
As de reaccedilatildeo satildeo mais apropriadas para condiccedilotildees de baixa queda por possuiacuterem
maiores velocidades especiacuteficas jaacute que as turbinas estatildeo conectadas diretamente ao
alternador sem a necessidade do sistema de transmissatildeo Consequentemente o
custo de remoccedilatildeo do sistema de acionamento eacute significativamente baixo Estas
turbinas podem tambeacutem ser utilizadas em diferentes quedas a turbina Francis eacute
apropriada para o meacutedias a altas quedas enquanto a Propeller e BFT satildeo mais
adequados para as quedas menores (ELBATRAN 2014 p 46) FONTE
Por outro lado a implantaccedilatildeo de turbinas de reaccedilatildeo eacute mais complicada do que as
turbinas de impulso porque requerem a utilizaccedilatildeo de lacircminas de revestimento isto
pode causar o aumento no custo do orccedilamento inicial Portanto o uso de turbinas de
reaccedilatildeo nos esquemas de micro hidreleacutetricas eacute menos atraente especialmente em
aacutereas com populaccedilatildeo de baixa renda No entanto BFT e Propeller hoje em dia foram melhoradas para serem utilizadas em instalaccedilotildees de micro hidreleacutetricas mas com a
condiccedilatildeo de que os ambientes tenham queda e vazatildeo regulares (ELBATRAN 2014
p46)
Natildeo obstante haacute uma seacuterie de soluccedilotildees em relaccedilatildeo a este assunto tais como
condutas forccediladas de baixo custo tipo de desenvolvimento das turbinas e gerador de
induccedilatildeo tudo para eliminar o custo total dos sistemas e tornaacute-los mais acessiacuteveis nas
aplicaccedilotildees em zonas remotas e montanhosas A reduccedilatildeo do custo da turbina eacute a
maneira mais eficaz de reduzir o orccedilamento inicial de projeto pois eacute a parte mais
onerosa no sistema
Uma seacuterie de opccedilotildees de configuraccedilatildeo de turbina tecircm sido propostas para reduzir o custo do conjunto de microturbinas Bomba centrifuga funcionando como turbina
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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GUITARRARA Gabriel Bozzola Estimativa de vazatildeo para a implantaccedilatildeo de micro-centrais hidreleacutetricas com utilizaccedilatildeo do SIG 2012 44f Trabalho de
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Paulo Satildeo Carlos 2012 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
ALEXANDER KV GIDDENS EP Microhydro Cost-effective modular systems for low heads 2007 Renewable Energy Volume 33 (2008) Paacuteginas 1379-1391
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Radial- and mixed-flow
turbines for low head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume
34 (2009) Paacuteginas 1885-1894
52
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Axial-flow turbines for low
head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume 34 (2009)
Paacuteginas 35-47
ALVES Gilberto Manoel Avaliaccedilatildeo da viabilidade de implantaccedilatildeo de uma microcentral hidreleacutetrica para atender consumidores localizados em regiotildees isoladas 2007 156 Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Doutorado em Agronomia) ndash
Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
VIII
RESUMO
A presente dissertaccedilatildeo aborda a viabilidade de implantaccedilatildeo de uma turbina Low Head no Brasil (Turbinas de Pequena Queda) na qual eacute uma turbina que
opera com pequenas quedas drsquoaacutegua (de 05 a 2 m) e natildeo necessita de
reservatoacuterio (represamento) Uma tecnologia especialmente aplicaacutevel para populaccedilotildees rurais do interior ou ribeirinhas que ainda natildeo estatildeo proacuteximas do
Sistema Nacional Interligado para fornecimento de energia eleacutetrica podendo
entatildeo utilizar desta tecnologia para melhorar suas condiccedilotildees de vida Com os
valores de vazatildeo entre 0024 ଷs e 0061 ଷs e queda drsquoaacutegua de 1 a 2 metros eacute
possiacutevel a instalaccedilatildeo deste equipamento na faixa de 100 a 500 W O estudo encontrou fabricantes brasileiros que possuem peccedilas e equipamentos que tecircm o
potencial que atendem agrave demanda de projeto de uma Low Head e que poderiam
ser incorporados para um possiacutevel desenvolvimento desta tecnologia no Brasil
neste caso em especial geradores de eletricidade derivados de turbina eoacutelicas de
pequeno porte e heacutelices de motor de popa (de 9 a 10 pol de diacircmetro)
PALAVRAS ndash CHAVE Turbina de pequena queda Energia Hidreleacutetrica
Viabilidade teacutecnica
IX
ABSTRACT
This viability to develop the concept of a so called Low Head Turbine in Brazil is
discussed that is a turbine that requires small head (0 5 to 2 m) and do not need
a dam for flow regulation Which have been considered a sustainable technology
for remote rural areas far away from the National Grid and this technology have
the potential to improve their livelihood conditions Flow values from 0024 ଷs to
0061 ଷs and heads between 1 and 2 meters is possible to install such
equipment on power from 100 up to 500 W The study found that Brazilian
manufacturers have pieces and equipment that could be incorporated within the design of a Low Head Turbine in this case electrical generators from small
windmills and propellers for outboard motor (from 9 to 10 inches diameter)
KEY WORDS Low Head Turbine Hydropower Energy technical viability
X
LISTA DE ILUSTRACcedilOtildeES
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE
2013)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina
de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52) Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado (PANISH 2002)
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA
NAUTICA 2013)
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante
EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1)
Figura 11 Motor YAMAHA 15 GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelog Yamaha 15GMHS 2015 p
27)
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine que atendem as demandas de
projeto (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26)
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso
14042016)
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016) Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa
ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
XI
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa
ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
XII
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Analise de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse
(PANISH 2002)
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
XIII
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AIE IEA - Agecircncia Internacional de Energia (International Energy Agency)
MME - Ministeacuterio de Minas e Energia
SIPOT - Potencial Hidreleacutetrico Brasileiro
BFT - Bomba Centrifuga Funcionando como turbina
CONMETRO - Conselho Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade
Industrial
IEV - Vocabulaacuterio Eletroteacutecnico Internacional EPE - Empresa de Pesquisa Energeacutetica
UHEs - Usinas Hidreleacutetricas
PNE - Plano Decenal de Expansatildeo de Energia
ANEEL - Agencia Nacional De Energia Eleacutetrica
ELETROBRAS - Centrais Eleacutetricas Brasileiras SA
ABNT- Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas
ISSO - International Organization for Standardization
IEC - International Electrotechnical Commission
NBR - Normas Teacutecnicas Brasileiras LHT ndash Low Head turbine
UFF ndash Universidade Federal Fluminense Cobei - Comitecirc Brasileiro de Eletricidade Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e
Telecomunicaccedilotildees
CB-03 - Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
CA - Corrente Alternada
CC - Corrente Contiacutenua
DNAEE - Departamento Nacional de Aacuteguas e Energia Eleacutetrica
XIV
LISTA DE EQUACcedilOtildeES
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
LISTA DE SIacuteMBOLOS
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
XV
SUMAacuteRIO 1 INTRODUCcedilAtildeO 1 2 OBJETIVO 3 3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA 4
31 Energia Hidreleacutetrica 4 32 Turbinas 5
321 Retrospectiva 5 322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas 6 323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines 8 324 Classificaccedilatildeo das Turbinas 9
3241 De Impulso 9 3242 De Reaccedilatildeo 11
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo 13 33 Geradores 15
4 MATERIAL E MEacuteTODO 17 41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 17 42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis 17 43 Elementos constituintes preferenciais 18 44 Analise de rendimento e funcionalidade 19 45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 20
5 RESULTADOS 21 51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 21 52 Normas aplicaacuteveis 23
521 Normas de Maior Relevacircncia 26 53 Elementos constituintes preferenciais 28
531 Heacutelice ou Propeller 28 5311 Fornecedores 30
532 Gerador 33 54 Analise de rendimento e funcionalidade 38 55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 40
6 DISCUSSOtildeES 42 7 CONCLUSAtildeO 44 8 BIBLIOGRAFIA 46 9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016 53
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
A eletricidade se tornou a principal fonte de luz calor e forccedila utilizada no mundo
moderno Atividades cotidianas como assistir agrave televisatildeo ou navegar na internet satildeo
possiacuteveis porque a energia eleacutetrica chega ateacute a sua casa Shoppings supermercados
e fabricas por exemplo precisam dela para funcionar Grande parte dos avanccedilos
tecnoloacutegicos alcanccedilados se deve agrave energia eleacutetrica
Ao contraacuterio de outras fontes de energia eleacutetrica a energia hidraacuteulica jaacute possui uma
presenccedila relevante na matriz energeacutetica mundial e aleacutem de possuir tecnologias
consolidadas sendo a segunda maior fonte de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no
mundo com uma participaccedilatildeo de aproximadamente 18 (Atlas Energia Eleacutetrica no
Brasil ANEEL 2002 p25)
Em termos absolutos os cinco maiores produtores de energia hidreleacutetrica no mundo
satildeo China Canadaacute Brasil Estados Unidos e Ruacutessia Em 2001 esses paiacuteses foram
responsaacuteveis por quase 50 de toda a produccedilatildeo mundial de energia hidreleacutetrica
(AIE 2008)
Especificamente o Brasil deteacutem aproximadamente 12 da aacutegua doce superficial do
planeta e condiccedilotildees adequadas para exploraccedilatildeo Com um potencial hidreleacutetrico de
260 GW segundo o Plano 2015 da Eletrobraacutes - segundo uacuteltimo inventaacuterio produzido
no paiacutes em 1992 ndash ainda existe um grande espaccedilo para crescer entretanto as
usinas hidreleacutetricas causam grande impacto ambiental devido agrave aacuterea alagada represada pela barragem causando tambeacutem a perda de solos agricultaacuteveis
florestas fauna e a retirada de populaccedilotildees ribeirinhas
De acordo com a Agecircncia Internacional de Energia (AIE) cerca de 13 bilhatildeo de
pessoas 18 da populaccedilatildeo mundial ainda natildeo tecircm acesso agrave eletricidade Este
nuacutemero poderaacute dobrar no futuro a natildeo ser que se tenha uma soluccedilatildeo eficaz e que seja adaptaacutevel particularmente para paiacuteses perifeacutericos Soluccedilotildees como a Low Head
Turbine (Turbinas de Pequena Queda) estatildeo tornando-se uma perspectiva atraente
2
para satisfazer as necessidades baacutesicas de eletricidade de comunidades remotas
(LAHIMER 2012 p 5862)
Este meacutetodo de produccedilatildeo de energia eleacutetrica jaacute presente em alguns lugares do mundo poreacutem ainda natildeo implantado no Brasil O conceito de Low Head Turbine jaacute eacute
utilizado em paiacuteses como Camarotildees China Colocircmbia Filipinas Indoneacutesia Nepal
Sri Lanka e Vietnatilde (LAHIMER 2012) Um sistema de geraccedilatildeo de energia que natildeo
necessita grandes quedas d`aacuteguas nem intervenccedilotildees draacutesticas aleacutem de ter um custo
acessiacutevel
Aleacutem disso a produccedilatildeo de energia eleacutetrica em pequena escala eacute uma das
tecnologias de energia mais rentaacuteveis a ser considerado para a eletrificaccedilatildeo rural
nos paiacuteses menos desenvolvidos Eacute tambeacutem uma tecnologia chave para regiotildees que
jaacute possuem domiacutenio da produccedilatildeo de energia hidreleacutetrica poreacutem natildeo possuem mais espaccedilo geograacutefico para implantar uma hidreleacutetrica de grande porte ou os locais de
possiacutevel alocaccedilatildeo satildeo inviaacuteveis ambientalmente (PAISH 2002 p537) Provando ser
uma boa opccedilatildeo para distintas utilizaccedilotildees
Neste sentido se pergunta por que esta tecnologia ainda natildeo estaacute presente no
Brasil e se esta viesse a ser desenvolvida quais seriam as condicionantes para o seu projeto e ou fabricaccedilatildeo
Entende-se que um equipamento nacional deveraacute atender agraves normas teacutecnicas
brasileiras assim como deveraacute ndash tanto quanto possiacutevel ndash fazer uso de peccedilas e
equipamentos jaacute disponiacuteveis no mercado brasileiro numa oacutetica de reduccedilatildeo de custos
e busca de parcerias para a sua disseminaccedilatildeo
Este vem a ser o foco do presente trabalho o levantamento destas condicionantes para o projeto e desenvolvimento destas Turbinas de Pequena Queda ou Low Head
Turbine no Brasil
3
2 OBJETIVO
Com base em um projeto tiacutepico de turbina de impulso para baixo valor de queda drsquoaacutegua - Low Head Turbine (Turbina de Pequena Queda) - avaliar quais as normas
brasileiras aplicaacuteveis e qual o melhor entendimento destas para a adequaccedilatildeo dos
padrotildees internacionais para a realidade brasileira assim como identificar elementos
que poderiam ser norteadores no projeto deste tipo de equipamento no Brasil
Para que este objetivo seja atingido eacute necessaacuterio materializar objetivos parciais
1 Identificar as Normas Brasileiras aplicaacuteveis
2 Definir os elementos constituintes do sistema e sua disponibilidade no
mercado brasileiro
3 Com base em uma localizaccedilatildeo tiacutepica analisar seu rendimento e
funcionalidade
4 Finalizar avaliando a viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head
Turbine no Brasil
4
3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
31 Energia Hidreleacutetrica No Brasil a utilizaccedilatildeo de energia hidreleacutetrica no Brasil teve iniacutecio em 1883 com a
instalaccedilatildeo da usina de Ribeiratildeo do Inferno em Diamantina (MG) Jaacute em 1889 entrou
em operaccedilatildeo a usina de Marmelos Zero ndash instalada no rio Paraibuna a 7 km de Juiz
de Fora (MG) ndash foi a primeira com a finalidade de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para o
uso puacuteblico com 250 kW de potecircncia instalada (CACHAPUZ 2006 p15)
A primeira hidreleacutetrica de maior porte comeccedilou a ser construiacuteda no Nordeste (Paulo
Afonso I com potecircncia de 180 MW) pela Companhia Hidreleacutetrica do Satildeo Francisco
(estatal constituiacuteda em 1948) As demais erguidas ao longo dos 60 anos seguintes
concentraram-se nas regiotildees Sul Sudeste e Nordeste (com o aproveitamento
integral do rio Satildeo Francisco) No Norte foram construiacutedas Tucuruiacute no Paraacute e Balbina no Amazonas Nos anos 90 a Usina Serra da Mesa (GO) no rio Tocantins
(Atlas Energia Eleacutetrica no Brasil ANEEL 2008 p57) Todas as construiacutedas ateacute o
momento possuindo capacidade eleacutetrica entre 3984 MW a 8370 MW de acordo
com dados fornecidos pelo Governo Federal Brasileiro
Pacheco (2013 apud TUNDISI 2005) constatou que potencial hidreleacutetrico brasileiro
eacute estimado em cerca de 260 GW dos quais 405 estatildeo localizados na Bacia
Hidrograacutefica do Amazonas a Bacia do Paranaacute responde por 23 a do Tocantins
por 106 e a do Satildeo Francisco por 10 Apenas 63 do potencial foi inventariado
e a Regiatildeo Norte tem um grande potencial ainda por explorar
O estudo sobre energia hidreleacutetrica constante do Plano Nacional de Energia 2030
(PNE) realizado pela Empresa de Pesquisa Energeacutetica (EPE) e o Ministeacuterio de
Minas e Energia (MME) em 2007 relacionou o potencial de aproveitamento ainda
existente em cada uma das bacias hidrograacuteficas do paiacutes A bacia do rio Amazonas eacute
a maior com um potencial de 106000 MW superior agrave potecircncia jaacute instalada no
Brasil em 2008 de 102000 MW A bacia do TocantinsAraguaia possui potencial de 28000 MW dos quais quase 12200 MW jaacute estatildeo aproveitados pelas usinas
5
hidreleacutetricas (UHEs) e o potencial a ser aproveitado 90 poreacutem sofrem alguma
restriccedilatildeo ambiental (EPE 2013)
Outra bacia importante eacute a Tapajoacutes Em 2008 a Aneel estudava viabilidade de trecircs
aproveitamentos no rio Teles Pires Em 2013 o potencial hidraacuteulico do Brasil foi
avaliado como tendo somente 26 de sua totalidade utilizado como indicado na Figura 1 colocando o Brasil como 8ordm paiacutes em termos de menor aproveitamento de
seu potencial hidroeleacutetrico
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE 2013)
32 Turbinas
321 Retrospectiva Desde antes de Cristo os mesopotacircmicos e egiacutepcios jaacute utilizavam as maacutequinas
motrizes hidraacuteulicas sendo que o primeiro mecanismo antecessor a turbina
hidraacuteulica foram as rodas drsquoaacutegua que movimentavam-se por meio da aacutegua que
passava por debaixo da roda
6
No seacuteculo XVIII periacuteodo que teve grande desenvolvimento da ciecircncia hidraacuteulica
Daniel Bernoulli (1700-1782) publicou os fundamentos da hidrodinacircmica onde
continha a equaccedilatildeo de equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo de energia para fluidos No mesmo seacuteculo teve-se algumas tentativas para ocorrer a transiccedilatildeo da roda hidraacuteulica para agrave
turbina
Entretanto somente no seacuteculo XIX o termo turbina apareceu por meio de Claude Burdin (1790-1873) que publicou o trabalho ldquoDas turbinas hidraacuteulicas ou maacutequinas
rotativas de grande velocidaderdquo sobre uma anaacutelise teoacuterica que dava importacircncia a
velocidade de rotaccedilatildeo (JUNIOR 2013 p8)
Por fim seu aluno Benoit Fourneyron (1802-1867) desenhou e construiu rodas que
atingiam velocidades de rotaccedilatildeo de 60 rpm ou mais e que forneciam ateacute 50 CV nas
faacutebricas metaluacutergicas francesas Assim em 1827 construiu um turbina centriacutefuga de 6 CV e 80 de rendimento a primeira turbina industrial (ALVES 2007 apud
MACINTYPE 1983)
322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas As turbinas hidraacuteulicas no geral seguem a mesma loacutegica de funcionamento O
movimento giratoacuterio provocado pelo fluxo drsquoaacutegua faz girar o rotor do gerador eleacutetrico
que estaacute acoplado na turbina fazendo com que o deslocamento do campo magneacutetico
transforme a potecircncia de eixo em potecircncia eleacutetrica
As principais condiccedilotildees para a escolha da turbina ideal satildeo a queda d`aacutegua vazatildeo e
velocidade especiacutefica A altura da queda d`aacutegua eacute medida como a distacircncia vertical
entre a superfiacutecie mais alta e mais baixa da queda deduzido de eventuais perdas tais
como o atrito do tubo A vazatildeo eacute medida pela quantidade total de aacutegua que passa
atraveacutes da turbina
Turbinas em geral podem operar atraveacutes de distintas vazotildees Entretanto a eficiecircncia
da turbina diminui quando a taxa de vazatildeo varia em comparaccedilatildeo com a taxa de
vazatildeo ideal pois com o dimensionamento errocircneo pode-se instalar uma turbina que
em sua eficiecircncia maacutexima natildeo supere o fluxo disponiacutevel quando a vazatildeo eacute maacutexima
7
Assim aleacutem dos fatores citados a anaacutelise detalhada do fluxo ao longo do tempo deve
de ser realizada para que a escolha da turbina supra as necessidades de projeto
Vale ressaltar que atualmente a eficiecircncia das turbinas estaacute em torno de 85 a 95
sem as perdas hidraacuteulicas ou mecacircnicas que possam ocorrer (APPLEGATE INC
2013 p3)
As turbinas satildeo constituiacutedas essencialmente por distribuidor a roda moacutevel ou rotor o
difusor ou tubo de succcedilatildeo e sua carcaccedila O distribuidor conduz a aacutegua agrave roda pela
direccedilatildeo correta e regula a vazatildeo O rotor eacute responsaacutevel por transformar parte da
energia hidraacuteulica em trabalho mecacircnico O difusor recupera a altura entre a saiacuteda da
roda e o niacutevel do canal de fuga e a carcaccedila desacelera o fluxo drsquoaacutegua poacutes-turbina devolvendo-a ao corpo drsquoaacutegua (JUacuteNIOR 2013 p 9)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52)
8
323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines Nas aacutereas urbanas o percentual da populaccedilatildeo com acesso agrave eletricidade eacute elevado
devido ao baixo custo de conexatildeo agrave rede Em aacutereas rurais no entanto o acesso eacute
limitado devido ao alto custo de estender a rede aos centros de baixa densidade
populacional As tecnologias de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em baixa escala satildeo capazes de fornecer a eletricidade onde a extensatildeo da rede eacute muito cara e onde ndash
tradicionalmente haacute uma precariedade de atendimento das concessionarias de
energia e os consumidores tecircm baixo consumo de energia (WILLIAMSON 2012
p43) Com a energia eleacutetrica seria possiacutevel estender as atividades produtivas
aproveitar os recursos naturais aumentar o mercado de trabalho e melhorar sua
situaccedilatildeo econocircmica cultural e social (ALVES 2007 p2)
A tecnologia Low Head Turbine eacute uma tecnologia possiacutevel de ser utilizada nestas
comunidades que vivem em lugares de difiacutecil acesso e aleacutem disso possuem recursos
locais (rios de pequeno porte eou coacuterregos) capazes para produzir sua proacutepria
energia jaacute que dependendo da quantidade de energia gerada natildeo se precisa de retenccedilatildeo de aacutegua e grandes quedas d` aacutegua
As turbinas em questatildeo somente exigem uma queda de menos de 10 metros
(normal muito menos) e um fluxo de aacutegua suficiente (ateacute 5 m3s aprox) para prover
energia adequada pois num primeiro momento estes locais apresentam baixa
demanda de energia (ateacute 500 W) em especial representadas por iluminaccedilatildeo agrave noite e um raacutedio ou televisatildeo para entretenimento
As Low Head Turbines que produzem 200 a 1000 W de potecircncia e satildeo
particularmente populares em aacutereas rurais porque satildeo usadas para gerar
eletricidade para iluminaccedilatildeoTV raacutedio ventilador de mesa refrigeraccedilatildeo alimentaccedilatildeo
de ferramentas agriacutecolas processamento de alimentos e a carga da bateria em
aacutereas rurais (LAHIMER 2012 p 5865)
Em um relatoacuterio do Banco Mundial foi comprovado que a energia hidreleacutetrica em
baixa escala no geral representou a oportunidade mais barata para a geraccedilatildeo de
energia com menos de 5 kW em 2005 e foi projetado para ser de pelo menos 25
9
mais barata do que outras alternativas ainda depois de dez anos (WILLIAMSON
2012 p43)
324 Classificaccedilatildeo das Turbinas As turbinas satildeo divididas em duas categorias de reaccedilatildeo e impulso ou accedilatildeo As turbinas de impulso a energia hidraacuteulica disponiacutevel eacute transformada em energia
cineacutetica para apoacutes incidir nas paacutes do rotor transformar-se em mecacircnica todo o
escoamento ocorre sem variaccedilatildeo de pressatildeo atmosfeacuterica com mesma pressatildeo de
entrada e saiacuteda
Jaacute as de reaccedilatildeo o rotor eacute completamente imerso na aacutegua assim no escoamento ocorre uma queda de pressatildeo e de velocidade entre a entrada e a saiacuteda do rotor A
pressatildeo de saiacuteda eacute inferior agrave entrada e em funccedilatildeo disso satildeo normalmente utilizadas
para meacutedias e baixas quedas
Em baixas velocidades de operaccedilatildeo a eficiecircncia das turbinas de reaccedilatildeo eacute normalmente maior do que as de turbina de impulso Na categoria das turbinas de
reaccedilatildeo ainda tem-se uma subdivisatildeo entre turbinas de escoamento radiais e turbinas
de escoamento axiais No qual as radiais o fluxo eacute perpendicular ao eixo de rotaccedilatildeo
enquanto as axiais o fluxo eacute aproximadamente paralelo ao eixo de rotaccedilatildeo (JUNIOR
2003 p 11)
Tradicionalmente o uso de turbinas hidraacuteulicas tem-se concentrado no tipo Pelton
com um ou mais jatos no caso das maacutequinas de impulso na Francis Heacutelice e
Kaplan no caso do tipo de reaccedilatildeo (SANTOS 2010 p 31)
3241 De Impulso Turbina Pelton eacute utilizada em altas quedas e velocidade de rotaccedilatildeo mais baixa
Alturas superiores a 150 metros podendo chegar ateacute 2000 metros (EISENRING
1991) Com eixo horizontal para o caso de um ou dois jatos e eixo vertical para um
nuacutemero de jatos de trecircs a seis satildeo alcanccediladas potecircncias que podem chegar mais de
10
100 MW por unidade e quedas da ordem de 1900 metros Geralmente a turbina
Pelton possui alta eficiecircncia entre 70-90 NATIONAL RENEWABLE ENERGY
LABORATORY 2011)
Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
A turbina de fluxo cruzado eacute outra turbina que possui destaque nas classificadas
como de impulso Esse tipo de turbina eacute mais utilizado em altas vazotildees e baixas
quedas d`aacutegua do que as turbinas de Pelton e Turgo (GHOSH 2011) A eficiecircncia de
uma turbina de fluxo cruzado depende de seus paracircmetros geomeacutetricos como o
nuacutemero de laminas diacircmetro do rotor arco de entrada do bico e acircngulo de ataque
Turbina Turgo eacute uma maacutequina de impulso similar a turbina Pelton A eficaacutecia na transmissatildeo de energia a partir do jato de aacutegua para o gerador de turbina Turgo depende da velocidade de eixo Assim Cobb e Shar em Impulse (Turgo and Pelton)
turbine performance characteristics and their impact on pico-hydro installations 2007
realizaram um estudo e constaram que o pico de eficiecircncia pode ser conseguido em
uma proporccedilatildeo de baixa velocidade
11
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
3242 De Reaccedilatildeo A turbina Francis escoamento radial eacute a mais usada em grandes usinas hidreleacutetricas
No Brasil a usina hidreleacutetrica mais conhecida Itaipu utiliza este tipo de turbina E de acordo com os dados oficiais da Usina tem-se uma queda liacutequida de projeto de 1184
metros vazatildeo nominal de 690 m3s e uma potecircncia nominal de 715MW Suas
caracteriacutesticas hidraacuteulicas especiais permitem fabricar unidades compactas de alta
velocidade ateacute as potecircncias mais elevadas Para valores inferiores da queda utilizam-
se turbinas de caixa aberta Ela pode ser usada para grandes meacutedias ou pequenas
hidreleacutetricas com quedas entre 1 metro e 900 metros Elbatran et al concluiu que a eficaacutecia de uma turbina Francis depende principalmente do desenvolvimento do seu
voacutertice helicoidal
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
12
O uacuteltimo tipo de turbina de reaccedilatildeo escoamento axial abrange subcategorias em sua
abrangecircncia As turbinas cujas as paacutes do rotor satildeo fixas conhecidas como turbinas
HelicePropeller e as com paacutes do rotor ajustaacuteveis tendo como turbina de referecircncia Kaplan Suas semelhanccedilas satildeo possuir baixa velocidade entre 70 e 350 rpm e
serem utilizadas em baixa queda (ANEEL 2002 p25) Outros tipos de maacutequinas
axiais satildeo as turbinas Tubulares Bulbo e Straflo
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
As mais utilizadas satildeo a de tipo HeacutelicePropeller e Kaplan A turbina Heacutelice veio da
necessidade da obtenccedilatildeo de turbinas com velocidades consideraacuteveis em baixas
quedas e grandes descargas que teve origem em 1908 (RAMOS 2008 Cap8)
Tambeacutem aliam caracteriacutesticas de serem simples e de baixo custo Elas consistem de basicamente de um rotor similar a heacutelice de navio ajustada internamente na
continuaccedilatildeo de um conduto com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a
tubulaccedilatildeo muda de direccedilatildeo (JUNIOR 2011 p15)
Jaacute a turbina Kaplan satildeo adaptadas a baixa altura topograacutefica e grandes descargas
As paacutes satildeo moacuteveis que permitem variar o seu acircngulo de ataque com um mecanismo de orientaccedilatildeo que eacute controlado pelo regulador da turbina isso faz com que a
inclinaccedilatildeo das paacutes se ajuste conforme a variaccedilatildeo da descarga e potecircncia sem
apreciaacutevel variaccedilatildeo do rendimento (GUEDES1994 p 6) A usina hidreleacutetrica de Trecircs
Marias funciona com turbina Kaplan por exemplo
13
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo Turbinas de impulso como o Turgo Pelton e turbinas de Fluxo Cruzado tecircm muitas
vantagens Elas tecircm uma eficiecircncia maior especialmente em condiccedilotildees de fluxo
parcial o que pode fornecer mais do que 90 de eficaacutecia A eficiecircncia tambeacutem eacute
passiacutevel de se manter em valores elevados mesmo variando-se as condiccedilotildees de
trabalho (ex vazatildeo variaacutevel) Satildeo faacuteceis de manter e fabricar os eixos natildeo
necessitam de qualquer selo de pressatildeo tendo uma maior toleracircncia a areia e outras partiacuteculas em aacutegua com pouco efeito sobre o desempenho das turbinas Aleacutem disso
a turbina Pelton e Turgo tecircm projetos simples e satildeo rentaacuteveis em escalas de micro
hidreleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 46)
Contudo a Turgo e Pelton em locais de baixa queda natildeo se mostram rentaacuteveis
14
quando leva-se em conta suas caracteriacutesticas de desempenho e anaacutelise de custo ao
contraacuterio da turbina de Fluxo Cruzado que eacute mais adequado para aplicaccedilotildees de baixa
queda porque a sua eficiecircncia depende basicamente da vazatildeo e os outros dois tipos natildeo Turbinas de impulso tambeacutem tem velocidade especiacutefica menor o que seria
necessaacuterio a instalaccedilatildeo de um sistema que aumentasse a velocidade da aacutegua
(ELBATRAN 2014 p 46)
As de reaccedilatildeo satildeo mais apropriadas para condiccedilotildees de baixa queda por possuiacuterem
maiores velocidades especiacuteficas jaacute que as turbinas estatildeo conectadas diretamente ao
alternador sem a necessidade do sistema de transmissatildeo Consequentemente o
custo de remoccedilatildeo do sistema de acionamento eacute significativamente baixo Estas
turbinas podem tambeacutem ser utilizadas em diferentes quedas a turbina Francis eacute
apropriada para o meacutedias a altas quedas enquanto a Propeller e BFT satildeo mais
adequados para as quedas menores (ELBATRAN 2014 p 46) FONTE
Por outro lado a implantaccedilatildeo de turbinas de reaccedilatildeo eacute mais complicada do que as
turbinas de impulso porque requerem a utilizaccedilatildeo de lacircminas de revestimento isto
pode causar o aumento no custo do orccedilamento inicial Portanto o uso de turbinas de
reaccedilatildeo nos esquemas de micro hidreleacutetricas eacute menos atraente especialmente em
aacutereas com populaccedilatildeo de baixa renda No entanto BFT e Propeller hoje em dia foram melhoradas para serem utilizadas em instalaccedilotildees de micro hidreleacutetricas mas com a
condiccedilatildeo de que os ambientes tenham queda e vazatildeo regulares (ELBATRAN 2014
p46)
Natildeo obstante haacute uma seacuterie de soluccedilotildees em relaccedilatildeo a este assunto tais como
condutas forccediladas de baixo custo tipo de desenvolvimento das turbinas e gerador de
induccedilatildeo tudo para eliminar o custo total dos sistemas e tornaacute-los mais acessiacuteveis nas
aplicaccedilotildees em zonas remotas e montanhosas A reduccedilatildeo do custo da turbina eacute a
maneira mais eficaz de reduzir o orccedilamento inicial de projeto pois eacute a parte mais
onerosa no sistema
Uma seacuterie de opccedilotildees de configuraccedilatildeo de turbina tecircm sido propostas para reduzir o custo do conjunto de microturbinas Bomba centrifuga funcionando como turbina
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
8 BIBLIOGRAFIA CACHAPUZ Paulo Brandi de Barros Usinas da Cemig 1952-2005 A histoacuteria da eletricidade em Minas e no Brasil Rio de Janeiro Centro da Memoacuteria da
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SUPERINTENDEcircNCIA DE ESTUDOS E INFORMACcedilOtildeES HIDROLOacuteGICAS DA ANEEL (SIH) Atlas de energia eleacutetrica do Brasil Agecircncia Nacional de Energia Eleacutetrica 3 ed ndash Brasiacutelia ANEEL 2008
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Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Mecacircnica) ndash Universidade
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PACHECO Eduardo Recurso Hiacutedrico Uso e Aproveitamento 2013 51f
Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Civil) ndash Universidade
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Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
IX
ABSTRACT
This viability to develop the concept of a so called Low Head Turbine in Brazil is
discussed that is a turbine that requires small head (0 5 to 2 m) and do not need
a dam for flow regulation Which have been considered a sustainable technology
for remote rural areas far away from the National Grid and this technology have
the potential to improve their livelihood conditions Flow values from 0024 ଷs to
0061 ଷs and heads between 1 and 2 meters is possible to install such
equipment on power from 100 up to 500 W The study found that Brazilian
manufacturers have pieces and equipment that could be incorporated within the design of a Low Head Turbine in this case electrical generators from small
windmills and propellers for outboard motor (from 9 to 10 inches diameter)
KEY WORDS Low Head Turbine Hydropower Energy technical viability
X
LISTA DE ILUSTRACcedilOtildeES
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE
2013)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina
de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52) Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado (PANISH 2002)
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA
NAUTICA 2013)
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante
EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1)
Figura 11 Motor YAMAHA 15 GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelog Yamaha 15GMHS 2015 p
27)
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine que atendem as demandas de
projeto (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26)
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso
14042016)
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016) Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa
ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
XI
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa
ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
XII
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Analise de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse
(PANISH 2002)
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
XIII
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AIE IEA - Agecircncia Internacional de Energia (International Energy Agency)
MME - Ministeacuterio de Minas e Energia
SIPOT - Potencial Hidreleacutetrico Brasileiro
BFT - Bomba Centrifuga Funcionando como turbina
CONMETRO - Conselho Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade
Industrial
IEV - Vocabulaacuterio Eletroteacutecnico Internacional EPE - Empresa de Pesquisa Energeacutetica
UHEs - Usinas Hidreleacutetricas
PNE - Plano Decenal de Expansatildeo de Energia
ANEEL - Agencia Nacional De Energia Eleacutetrica
ELETROBRAS - Centrais Eleacutetricas Brasileiras SA
ABNT- Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas
ISSO - International Organization for Standardization
IEC - International Electrotechnical Commission
NBR - Normas Teacutecnicas Brasileiras LHT ndash Low Head turbine
UFF ndash Universidade Federal Fluminense Cobei - Comitecirc Brasileiro de Eletricidade Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e
Telecomunicaccedilotildees
CB-03 - Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
CA - Corrente Alternada
CC - Corrente Contiacutenua
DNAEE - Departamento Nacional de Aacuteguas e Energia Eleacutetrica
XIV
LISTA DE EQUACcedilOtildeES
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
LISTA DE SIacuteMBOLOS
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
XV
SUMAacuteRIO 1 INTRODUCcedilAtildeO 1 2 OBJETIVO 3 3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA 4
31 Energia Hidreleacutetrica 4 32 Turbinas 5
321 Retrospectiva 5 322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas 6 323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines 8 324 Classificaccedilatildeo das Turbinas 9
3241 De Impulso 9 3242 De Reaccedilatildeo 11
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo 13 33 Geradores 15
4 MATERIAL E MEacuteTODO 17 41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 17 42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis 17 43 Elementos constituintes preferenciais 18 44 Analise de rendimento e funcionalidade 19 45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 20
5 RESULTADOS 21 51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 21 52 Normas aplicaacuteveis 23
521 Normas de Maior Relevacircncia 26 53 Elementos constituintes preferenciais 28
531 Heacutelice ou Propeller 28 5311 Fornecedores 30
532 Gerador 33 54 Analise de rendimento e funcionalidade 38 55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 40
6 DISCUSSOtildeES 42 7 CONCLUSAtildeO 44 8 BIBLIOGRAFIA 46 9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016 53
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
A eletricidade se tornou a principal fonte de luz calor e forccedila utilizada no mundo
moderno Atividades cotidianas como assistir agrave televisatildeo ou navegar na internet satildeo
possiacuteveis porque a energia eleacutetrica chega ateacute a sua casa Shoppings supermercados
e fabricas por exemplo precisam dela para funcionar Grande parte dos avanccedilos
tecnoloacutegicos alcanccedilados se deve agrave energia eleacutetrica
Ao contraacuterio de outras fontes de energia eleacutetrica a energia hidraacuteulica jaacute possui uma
presenccedila relevante na matriz energeacutetica mundial e aleacutem de possuir tecnologias
consolidadas sendo a segunda maior fonte de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no
mundo com uma participaccedilatildeo de aproximadamente 18 (Atlas Energia Eleacutetrica no
Brasil ANEEL 2002 p25)
Em termos absolutos os cinco maiores produtores de energia hidreleacutetrica no mundo
satildeo China Canadaacute Brasil Estados Unidos e Ruacutessia Em 2001 esses paiacuteses foram
responsaacuteveis por quase 50 de toda a produccedilatildeo mundial de energia hidreleacutetrica
(AIE 2008)
Especificamente o Brasil deteacutem aproximadamente 12 da aacutegua doce superficial do
planeta e condiccedilotildees adequadas para exploraccedilatildeo Com um potencial hidreleacutetrico de
260 GW segundo o Plano 2015 da Eletrobraacutes - segundo uacuteltimo inventaacuterio produzido
no paiacutes em 1992 ndash ainda existe um grande espaccedilo para crescer entretanto as
usinas hidreleacutetricas causam grande impacto ambiental devido agrave aacuterea alagada represada pela barragem causando tambeacutem a perda de solos agricultaacuteveis
florestas fauna e a retirada de populaccedilotildees ribeirinhas
De acordo com a Agecircncia Internacional de Energia (AIE) cerca de 13 bilhatildeo de
pessoas 18 da populaccedilatildeo mundial ainda natildeo tecircm acesso agrave eletricidade Este
nuacutemero poderaacute dobrar no futuro a natildeo ser que se tenha uma soluccedilatildeo eficaz e que seja adaptaacutevel particularmente para paiacuteses perifeacutericos Soluccedilotildees como a Low Head
Turbine (Turbinas de Pequena Queda) estatildeo tornando-se uma perspectiva atraente
2
para satisfazer as necessidades baacutesicas de eletricidade de comunidades remotas
(LAHIMER 2012 p 5862)
Este meacutetodo de produccedilatildeo de energia eleacutetrica jaacute presente em alguns lugares do mundo poreacutem ainda natildeo implantado no Brasil O conceito de Low Head Turbine jaacute eacute
utilizado em paiacuteses como Camarotildees China Colocircmbia Filipinas Indoneacutesia Nepal
Sri Lanka e Vietnatilde (LAHIMER 2012) Um sistema de geraccedilatildeo de energia que natildeo
necessita grandes quedas d`aacuteguas nem intervenccedilotildees draacutesticas aleacutem de ter um custo
acessiacutevel
Aleacutem disso a produccedilatildeo de energia eleacutetrica em pequena escala eacute uma das
tecnologias de energia mais rentaacuteveis a ser considerado para a eletrificaccedilatildeo rural
nos paiacuteses menos desenvolvidos Eacute tambeacutem uma tecnologia chave para regiotildees que
jaacute possuem domiacutenio da produccedilatildeo de energia hidreleacutetrica poreacutem natildeo possuem mais espaccedilo geograacutefico para implantar uma hidreleacutetrica de grande porte ou os locais de
possiacutevel alocaccedilatildeo satildeo inviaacuteveis ambientalmente (PAISH 2002 p537) Provando ser
uma boa opccedilatildeo para distintas utilizaccedilotildees
Neste sentido se pergunta por que esta tecnologia ainda natildeo estaacute presente no
Brasil e se esta viesse a ser desenvolvida quais seriam as condicionantes para o seu projeto e ou fabricaccedilatildeo
Entende-se que um equipamento nacional deveraacute atender agraves normas teacutecnicas
brasileiras assim como deveraacute ndash tanto quanto possiacutevel ndash fazer uso de peccedilas e
equipamentos jaacute disponiacuteveis no mercado brasileiro numa oacutetica de reduccedilatildeo de custos
e busca de parcerias para a sua disseminaccedilatildeo
Este vem a ser o foco do presente trabalho o levantamento destas condicionantes para o projeto e desenvolvimento destas Turbinas de Pequena Queda ou Low Head
Turbine no Brasil
3
2 OBJETIVO
Com base em um projeto tiacutepico de turbina de impulso para baixo valor de queda drsquoaacutegua - Low Head Turbine (Turbina de Pequena Queda) - avaliar quais as normas
brasileiras aplicaacuteveis e qual o melhor entendimento destas para a adequaccedilatildeo dos
padrotildees internacionais para a realidade brasileira assim como identificar elementos
que poderiam ser norteadores no projeto deste tipo de equipamento no Brasil
Para que este objetivo seja atingido eacute necessaacuterio materializar objetivos parciais
1 Identificar as Normas Brasileiras aplicaacuteveis
2 Definir os elementos constituintes do sistema e sua disponibilidade no
mercado brasileiro
3 Com base em uma localizaccedilatildeo tiacutepica analisar seu rendimento e
funcionalidade
4 Finalizar avaliando a viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head
Turbine no Brasil
4
3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
31 Energia Hidreleacutetrica No Brasil a utilizaccedilatildeo de energia hidreleacutetrica no Brasil teve iniacutecio em 1883 com a
instalaccedilatildeo da usina de Ribeiratildeo do Inferno em Diamantina (MG) Jaacute em 1889 entrou
em operaccedilatildeo a usina de Marmelos Zero ndash instalada no rio Paraibuna a 7 km de Juiz
de Fora (MG) ndash foi a primeira com a finalidade de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para o
uso puacuteblico com 250 kW de potecircncia instalada (CACHAPUZ 2006 p15)
A primeira hidreleacutetrica de maior porte comeccedilou a ser construiacuteda no Nordeste (Paulo
Afonso I com potecircncia de 180 MW) pela Companhia Hidreleacutetrica do Satildeo Francisco
(estatal constituiacuteda em 1948) As demais erguidas ao longo dos 60 anos seguintes
concentraram-se nas regiotildees Sul Sudeste e Nordeste (com o aproveitamento
integral do rio Satildeo Francisco) No Norte foram construiacutedas Tucuruiacute no Paraacute e Balbina no Amazonas Nos anos 90 a Usina Serra da Mesa (GO) no rio Tocantins
(Atlas Energia Eleacutetrica no Brasil ANEEL 2008 p57) Todas as construiacutedas ateacute o
momento possuindo capacidade eleacutetrica entre 3984 MW a 8370 MW de acordo
com dados fornecidos pelo Governo Federal Brasileiro
Pacheco (2013 apud TUNDISI 2005) constatou que potencial hidreleacutetrico brasileiro
eacute estimado em cerca de 260 GW dos quais 405 estatildeo localizados na Bacia
Hidrograacutefica do Amazonas a Bacia do Paranaacute responde por 23 a do Tocantins
por 106 e a do Satildeo Francisco por 10 Apenas 63 do potencial foi inventariado
e a Regiatildeo Norte tem um grande potencial ainda por explorar
O estudo sobre energia hidreleacutetrica constante do Plano Nacional de Energia 2030
(PNE) realizado pela Empresa de Pesquisa Energeacutetica (EPE) e o Ministeacuterio de
Minas e Energia (MME) em 2007 relacionou o potencial de aproveitamento ainda
existente em cada uma das bacias hidrograacuteficas do paiacutes A bacia do rio Amazonas eacute
a maior com um potencial de 106000 MW superior agrave potecircncia jaacute instalada no
Brasil em 2008 de 102000 MW A bacia do TocantinsAraguaia possui potencial de 28000 MW dos quais quase 12200 MW jaacute estatildeo aproveitados pelas usinas
5
hidreleacutetricas (UHEs) e o potencial a ser aproveitado 90 poreacutem sofrem alguma
restriccedilatildeo ambiental (EPE 2013)
Outra bacia importante eacute a Tapajoacutes Em 2008 a Aneel estudava viabilidade de trecircs
aproveitamentos no rio Teles Pires Em 2013 o potencial hidraacuteulico do Brasil foi
avaliado como tendo somente 26 de sua totalidade utilizado como indicado na Figura 1 colocando o Brasil como 8ordm paiacutes em termos de menor aproveitamento de
seu potencial hidroeleacutetrico
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE 2013)
32 Turbinas
321 Retrospectiva Desde antes de Cristo os mesopotacircmicos e egiacutepcios jaacute utilizavam as maacutequinas
motrizes hidraacuteulicas sendo que o primeiro mecanismo antecessor a turbina
hidraacuteulica foram as rodas drsquoaacutegua que movimentavam-se por meio da aacutegua que
passava por debaixo da roda
6
No seacuteculo XVIII periacuteodo que teve grande desenvolvimento da ciecircncia hidraacuteulica
Daniel Bernoulli (1700-1782) publicou os fundamentos da hidrodinacircmica onde
continha a equaccedilatildeo de equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo de energia para fluidos No mesmo seacuteculo teve-se algumas tentativas para ocorrer a transiccedilatildeo da roda hidraacuteulica para agrave
turbina
Entretanto somente no seacuteculo XIX o termo turbina apareceu por meio de Claude Burdin (1790-1873) que publicou o trabalho ldquoDas turbinas hidraacuteulicas ou maacutequinas
rotativas de grande velocidaderdquo sobre uma anaacutelise teoacuterica que dava importacircncia a
velocidade de rotaccedilatildeo (JUNIOR 2013 p8)
Por fim seu aluno Benoit Fourneyron (1802-1867) desenhou e construiu rodas que
atingiam velocidades de rotaccedilatildeo de 60 rpm ou mais e que forneciam ateacute 50 CV nas
faacutebricas metaluacutergicas francesas Assim em 1827 construiu um turbina centriacutefuga de 6 CV e 80 de rendimento a primeira turbina industrial (ALVES 2007 apud
MACINTYPE 1983)
322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas As turbinas hidraacuteulicas no geral seguem a mesma loacutegica de funcionamento O
movimento giratoacuterio provocado pelo fluxo drsquoaacutegua faz girar o rotor do gerador eleacutetrico
que estaacute acoplado na turbina fazendo com que o deslocamento do campo magneacutetico
transforme a potecircncia de eixo em potecircncia eleacutetrica
As principais condiccedilotildees para a escolha da turbina ideal satildeo a queda d`aacutegua vazatildeo e
velocidade especiacutefica A altura da queda d`aacutegua eacute medida como a distacircncia vertical
entre a superfiacutecie mais alta e mais baixa da queda deduzido de eventuais perdas tais
como o atrito do tubo A vazatildeo eacute medida pela quantidade total de aacutegua que passa
atraveacutes da turbina
Turbinas em geral podem operar atraveacutes de distintas vazotildees Entretanto a eficiecircncia
da turbina diminui quando a taxa de vazatildeo varia em comparaccedilatildeo com a taxa de
vazatildeo ideal pois com o dimensionamento errocircneo pode-se instalar uma turbina que
em sua eficiecircncia maacutexima natildeo supere o fluxo disponiacutevel quando a vazatildeo eacute maacutexima
7
Assim aleacutem dos fatores citados a anaacutelise detalhada do fluxo ao longo do tempo deve
de ser realizada para que a escolha da turbina supra as necessidades de projeto
Vale ressaltar que atualmente a eficiecircncia das turbinas estaacute em torno de 85 a 95
sem as perdas hidraacuteulicas ou mecacircnicas que possam ocorrer (APPLEGATE INC
2013 p3)
As turbinas satildeo constituiacutedas essencialmente por distribuidor a roda moacutevel ou rotor o
difusor ou tubo de succcedilatildeo e sua carcaccedila O distribuidor conduz a aacutegua agrave roda pela
direccedilatildeo correta e regula a vazatildeo O rotor eacute responsaacutevel por transformar parte da
energia hidraacuteulica em trabalho mecacircnico O difusor recupera a altura entre a saiacuteda da
roda e o niacutevel do canal de fuga e a carcaccedila desacelera o fluxo drsquoaacutegua poacutes-turbina devolvendo-a ao corpo drsquoaacutegua (JUacuteNIOR 2013 p 9)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52)
8
323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines Nas aacutereas urbanas o percentual da populaccedilatildeo com acesso agrave eletricidade eacute elevado
devido ao baixo custo de conexatildeo agrave rede Em aacutereas rurais no entanto o acesso eacute
limitado devido ao alto custo de estender a rede aos centros de baixa densidade
populacional As tecnologias de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em baixa escala satildeo capazes de fornecer a eletricidade onde a extensatildeo da rede eacute muito cara e onde ndash
tradicionalmente haacute uma precariedade de atendimento das concessionarias de
energia e os consumidores tecircm baixo consumo de energia (WILLIAMSON 2012
p43) Com a energia eleacutetrica seria possiacutevel estender as atividades produtivas
aproveitar os recursos naturais aumentar o mercado de trabalho e melhorar sua
situaccedilatildeo econocircmica cultural e social (ALVES 2007 p2)
A tecnologia Low Head Turbine eacute uma tecnologia possiacutevel de ser utilizada nestas
comunidades que vivem em lugares de difiacutecil acesso e aleacutem disso possuem recursos
locais (rios de pequeno porte eou coacuterregos) capazes para produzir sua proacutepria
energia jaacute que dependendo da quantidade de energia gerada natildeo se precisa de retenccedilatildeo de aacutegua e grandes quedas d` aacutegua
As turbinas em questatildeo somente exigem uma queda de menos de 10 metros
(normal muito menos) e um fluxo de aacutegua suficiente (ateacute 5 m3s aprox) para prover
energia adequada pois num primeiro momento estes locais apresentam baixa
demanda de energia (ateacute 500 W) em especial representadas por iluminaccedilatildeo agrave noite e um raacutedio ou televisatildeo para entretenimento
As Low Head Turbines que produzem 200 a 1000 W de potecircncia e satildeo
particularmente populares em aacutereas rurais porque satildeo usadas para gerar
eletricidade para iluminaccedilatildeoTV raacutedio ventilador de mesa refrigeraccedilatildeo alimentaccedilatildeo
de ferramentas agriacutecolas processamento de alimentos e a carga da bateria em
aacutereas rurais (LAHIMER 2012 p 5865)
Em um relatoacuterio do Banco Mundial foi comprovado que a energia hidreleacutetrica em
baixa escala no geral representou a oportunidade mais barata para a geraccedilatildeo de
energia com menos de 5 kW em 2005 e foi projetado para ser de pelo menos 25
9
mais barata do que outras alternativas ainda depois de dez anos (WILLIAMSON
2012 p43)
324 Classificaccedilatildeo das Turbinas As turbinas satildeo divididas em duas categorias de reaccedilatildeo e impulso ou accedilatildeo As turbinas de impulso a energia hidraacuteulica disponiacutevel eacute transformada em energia
cineacutetica para apoacutes incidir nas paacutes do rotor transformar-se em mecacircnica todo o
escoamento ocorre sem variaccedilatildeo de pressatildeo atmosfeacuterica com mesma pressatildeo de
entrada e saiacuteda
Jaacute as de reaccedilatildeo o rotor eacute completamente imerso na aacutegua assim no escoamento ocorre uma queda de pressatildeo e de velocidade entre a entrada e a saiacuteda do rotor A
pressatildeo de saiacuteda eacute inferior agrave entrada e em funccedilatildeo disso satildeo normalmente utilizadas
para meacutedias e baixas quedas
Em baixas velocidades de operaccedilatildeo a eficiecircncia das turbinas de reaccedilatildeo eacute normalmente maior do que as de turbina de impulso Na categoria das turbinas de
reaccedilatildeo ainda tem-se uma subdivisatildeo entre turbinas de escoamento radiais e turbinas
de escoamento axiais No qual as radiais o fluxo eacute perpendicular ao eixo de rotaccedilatildeo
enquanto as axiais o fluxo eacute aproximadamente paralelo ao eixo de rotaccedilatildeo (JUNIOR
2003 p 11)
Tradicionalmente o uso de turbinas hidraacuteulicas tem-se concentrado no tipo Pelton
com um ou mais jatos no caso das maacutequinas de impulso na Francis Heacutelice e
Kaplan no caso do tipo de reaccedilatildeo (SANTOS 2010 p 31)
3241 De Impulso Turbina Pelton eacute utilizada em altas quedas e velocidade de rotaccedilatildeo mais baixa
Alturas superiores a 150 metros podendo chegar ateacute 2000 metros (EISENRING
1991) Com eixo horizontal para o caso de um ou dois jatos e eixo vertical para um
nuacutemero de jatos de trecircs a seis satildeo alcanccediladas potecircncias que podem chegar mais de
10
100 MW por unidade e quedas da ordem de 1900 metros Geralmente a turbina
Pelton possui alta eficiecircncia entre 70-90 NATIONAL RENEWABLE ENERGY
LABORATORY 2011)
Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
A turbina de fluxo cruzado eacute outra turbina que possui destaque nas classificadas
como de impulso Esse tipo de turbina eacute mais utilizado em altas vazotildees e baixas
quedas d`aacutegua do que as turbinas de Pelton e Turgo (GHOSH 2011) A eficiecircncia de
uma turbina de fluxo cruzado depende de seus paracircmetros geomeacutetricos como o
nuacutemero de laminas diacircmetro do rotor arco de entrada do bico e acircngulo de ataque
Turbina Turgo eacute uma maacutequina de impulso similar a turbina Pelton A eficaacutecia na transmissatildeo de energia a partir do jato de aacutegua para o gerador de turbina Turgo depende da velocidade de eixo Assim Cobb e Shar em Impulse (Turgo and Pelton)
turbine performance characteristics and their impact on pico-hydro installations 2007
realizaram um estudo e constaram que o pico de eficiecircncia pode ser conseguido em
uma proporccedilatildeo de baixa velocidade
11
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
3242 De Reaccedilatildeo A turbina Francis escoamento radial eacute a mais usada em grandes usinas hidreleacutetricas
No Brasil a usina hidreleacutetrica mais conhecida Itaipu utiliza este tipo de turbina E de acordo com os dados oficiais da Usina tem-se uma queda liacutequida de projeto de 1184
metros vazatildeo nominal de 690 m3s e uma potecircncia nominal de 715MW Suas
caracteriacutesticas hidraacuteulicas especiais permitem fabricar unidades compactas de alta
velocidade ateacute as potecircncias mais elevadas Para valores inferiores da queda utilizam-
se turbinas de caixa aberta Ela pode ser usada para grandes meacutedias ou pequenas
hidreleacutetricas com quedas entre 1 metro e 900 metros Elbatran et al concluiu que a eficaacutecia de uma turbina Francis depende principalmente do desenvolvimento do seu
voacutertice helicoidal
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
12
O uacuteltimo tipo de turbina de reaccedilatildeo escoamento axial abrange subcategorias em sua
abrangecircncia As turbinas cujas as paacutes do rotor satildeo fixas conhecidas como turbinas
HelicePropeller e as com paacutes do rotor ajustaacuteveis tendo como turbina de referecircncia Kaplan Suas semelhanccedilas satildeo possuir baixa velocidade entre 70 e 350 rpm e
serem utilizadas em baixa queda (ANEEL 2002 p25) Outros tipos de maacutequinas
axiais satildeo as turbinas Tubulares Bulbo e Straflo
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
As mais utilizadas satildeo a de tipo HeacutelicePropeller e Kaplan A turbina Heacutelice veio da
necessidade da obtenccedilatildeo de turbinas com velocidades consideraacuteveis em baixas
quedas e grandes descargas que teve origem em 1908 (RAMOS 2008 Cap8)
Tambeacutem aliam caracteriacutesticas de serem simples e de baixo custo Elas consistem de basicamente de um rotor similar a heacutelice de navio ajustada internamente na
continuaccedilatildeo de um conduto com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a
tubulaccedilatildeo muda de direccedilatildeo (JUNIOR 2011 p15)
Jaacute a turbina Kaplan satildeo adaptadas a baixa altura topograacutefica e grandes descargas
As paacutes satildeo moacuteveis que permitem variar o seu acircngulo de ataque com um mecanismo de orientaccedilatildeo que eacute controlado pelo regulador da turbina isso faz com que a
inclinaccedilatildeo das paacutes se ajuste conforme a variaccedilatildeo da descarga e potecircncia sem
apreciaacutevel variaccedilatildeo do rendimento (GUEDES1994 p 6) A usina hidreleacutetrica de Trecircs
Marias funciona com turbina Kaplan por exemplo
13
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo Turbinas de impulso como o Turgo Pelton e turbinas de Fluxo Cruzado tecircm muitas
vantagens Elas tecircm uma eficiecircncia maior especialmente em condiccedilotildees de fluxo
parcial o que pode fornecer mais do que 90 de eficaacutecia A eficiecircncia tambeacutem eacute
passiacutevel de se manter em valores elevados mesmo variando-se as condiccedilotildees de
trabalho (ex vazatildeo variaacutevel) Satildeo faacuteceis de manter e fabricar os eixos natildeo
necessitam de qualquer selo de pressatildeo tendo uma maior toleracircncia a areia e outras partiacuteculas em aacutegua com pouco efeito sobre o desempenho das turbinas Aleacutem disso
a turbina Pelton e Turgo tecircm projetos simples e satildeo rentaacuteveis em escalas de micro
hidreleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 46)
Contudo a Turgo e Pelton em locais de baixa queda natildeo se mostram rentaacuteveis
14
quando leva-se em conta suas caracteriacutesticas de desempenho e anaacutelise de custo ao
contraacuterio da turbina de Fluxo Cruzado que eacute mais adequado para aplicaccedilotildees de baixa
queda porque a sua eficiecircncia depende basicamente da vazatildeo e os outros dois tipos natildeo Turbinas de impulso tambeacutem tem velocidade especiacutefica menor o que seria
necessaacuterio a instalaccedilatildeo de um sistema que aumentasse a velocidade da aacutegua
(ELBATRAN 2014 p 46)
As de reaccedilatildeo satildeo mais apropriadas para condiccedilotildees de baixa queda por possuiacuterem
maiores velocidades especiacuteficas jaacute que as turbinas estatildeo conectadas diretamente ao
alternador sem a necessidade do sistema de transmissatildeo Consequentemente o
custo de remoccedilatildeo do sistema de acionamento eacute significativamente baixo Estas
turbinas podem tambeacutem ser utilizadas em diferentes quedas a turbina Francis eacute
apropriada para o meacutedias a altas quedas enquanto a Propeller e BFT satildeo mais
adequados para as quedas menores (ELBATRAN 2014 p 46) FONTE
Por outro lado a implantaccedilatildeo de turbinas de reaccedilatildeo eacute mais complicada do que as
turbinas de impulso porque requerem a utilizaccedilatildeo de lacircminas de revestimento isto
pode causar o aumento no custo do orccedilamento inicial Portanto o uso de turbinas de
reaccedilatildeo nos esquemas de micro hidreleacutetricas eacute menos atraente especialmente em
aacutereas com populaccedilatildeo de baixa renda No entanto BFT e Propeller hoje em dia foram melhoradas para serem utilizadas em instalaccedilotildees de micro hidreleacutetricas mas com a
condiccedilatildeo de que os ambientes tenham queda e vazatildeo regulares (ELBATRAN 2014
p46)
Natildeo obstante haacute uma seacuterie de soluccedilotildees em relaccedilatildeo a este assunto tais como
condutas forccediladas de baixo custo tipo de desenvolvimento das turbinas e gerador de
induccedilatildeo tudo para eliminar o custo total dos sistemas e tornaacute-los mais acessiacuteveis nas
aplicaccedilotildees em zonas remotas e montanhosas A reduccedilatildeo do custo da turbina eacute a
maneira mais eficaz de reduzir o orccedilamento inicial de projeto pois eacute a parte mais
onerosa no sistema
Uma seacuterie de opccedilotildees de configuraccedilatildeo de turbina tecircm sido propostas para reduzir o custo do conjunto de microturbinas Bomba centrifuga funcionando como turbina
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
X
LISTA DE ILUSTRACcedilOtildeES
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE
2013)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina
de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52) Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado (PANISH 2002)
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA
NAUTICA 2013)
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante
EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1)
Figura 11 Motor YAMAHA 15 GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelog Yamaha 15GMHS 2015 p
27)
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine que atendem as demandas de
projeto (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26)
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso
14042016)
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016) Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa
ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
XI
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa
ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
XII
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Analise de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse
(PANISH 2002)
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
XIII
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AIE IEA - Agecircncia Internacional de Energia (International Energy Agency)
MME - Ministeacuterio de Minas e Energia
SIPOT - Potencial Hidreleacutetrico Brasileiro
BFT - Bomba Centrifuga Funcionando como turbina
CONMETRO - Conselho Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade
Industrial
IEV - Vocabulaacuterio Eletroteacutecnico Internacional EPE - Empresa de Pesquisa Energeacutetica
UHEs - Usinas Hidreleacutetricas
PNE - Plano Decenal de Expansatildeo de Energia
ANEEL - Agencia Nacional De Energia Eleacutetrica
ELETROBRAS - Centrais Eleacutetricas Brasileiras SA
ABNT- Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas
ISSO - International Organization for Standardization
IEC - International Electrotechnical Commission
NBR - Normas Teacutecnicas Brasileiras LHT ndash Low Head turbine
UFF ndash Universidade Federal Fluminense Cobei - Comitecirc Brasileiro de Eletricidade Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e
Telecomunicaccedilotildees
CB-03 - Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
CA - Corrente Alternada
CC - Corrente Contiacutenua
DNAEE - Departamento Nacional de Aacuteguas e Energia Eleacutetrica
XIV
LISTA DE EQUACcedilOtildeES
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
LISTA DE SIacuteMBOLOS
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
XV
SUMAacuteRIO 1 INTRODUCcedilAtildeO 1 2 OBJETIVO 3 3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA 4
31 Energia Hidreleacutetrica 4 32 Turbinas 5
321 Retrospectiva 5 322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas 6 323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines 8 324 Classificaccedilatildeo das Turbinas 9
3241 De Impulso 9 3242 De Reaccedilatildeo 11
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo 13 33 Geradores 15
4 MATERIAL E MEacuteTODO 17 41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 17 42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis 17 43 Elementos constituintes preferenciais 18 44 Analise de rendimento e funcionalidade 19 45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 20
5 RESULTADOS 21 51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 21 52 Normas aplicaacuteveis 23
521 Normas de Maior Relevacircncia 26 53 Elementos constituintes preferenciais 28
531 Heacutelice ou Propeller 28 5311 Fornecedores 30
532 Gerador 33 54 Analise de rendimento e funcionalidade 38 55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 40
6 DISCUSSOtildeES 42 7 CONCLUSAtildeO 44 8 BIBLIOGRAFIA 46 9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016 53
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
A eletricidade se tornou a principal fonte de luz calor e forccedila utilizada no mundo
moderno Atividades cotidianas como assistir agrave televisatildeo ou navegar na internet satildeo
possiacuteveis porque a energia eleacutetrica chega ateacute a sua casa Shoppings supermercados
e fabricas por exemplo precisam dela para funcionar Grande parte dos avanccedilos
tecnoloacutegicos alcanccedilados se deve agrave energia eleacutetrica
Ao contraacuterio de outras fontes de energia eleacutetrica a energia hidraacuteulica jaacute possui uma
presenccedila relevante na matriz energeacutetica mundial e aleacutem de possuir tecnologias
consolidadas sendo a segunda maior fonte de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no
mundo com uma participaccedilatildeo de aproximadamente 18 (Atlas Energia Eleacutetrica no
Brasil ANEEL 2002 p25)
Em termos absolutos os cinco maiores produtores de energia hidreleacutetrica no mundo
satildeo China Canadaacute Brasil Estados Unidos e Ruacutessia Em 2001 esses paiacuteses foram
responsaacuteveis por quase 50 de toda a produccedilatildeo mundial de energia hidreleacutetrica
(AIE 2008)
Especificamente o Brasil deteacutem aproximadamente 12 da aacutegua doce superficial do
planeta e condiccedilotildees adequadas para exploraccedilatildeo Com um potencial hidreleacutetrico de
260 GW segundo o Plano 2015 da Eletrobraacutes - segundo uacuteltimo inventaacuterio produzido
no paiacutes em 1992 ndash ainda existe um grande espaccedilo para crescer entretanto as
usinas hidreleacutetricas causam grande impacto ambiental devido agrave aacuterea alagada represada pela barragem causando tambeacutem a perda de solos agricultaacuteveis
florestas fauna e a retirada de populaccedilotildees ribeirinhas
De acordo com a Agecircncia Internacional de Energia (AIE) cerca de 13 bilhatildeo de
pessoas 18 da populaccedilatildeo mundial ainda natildeo tecircm acesso agrave eletricidade Este
nuacutemero poderaacute dobrar no futuro a natildeo ser que se tenha uma soluccedilatildeo eficaz e que seja adaptaacutevel particularmente para paiacuteses perifeacutericos Soluccedilotildees como a Low Head
Turbine (Turbinas de Pequena Queda) estatildeo tornando-se uma perspectiva atraente
2
para satisfazer as necessidades baacutesicas de eletricidade de comunidades remotas
(LAHIMER 2012 p 5862)
Este meacutetodo de produccedilatildeo de energia eleacutetrica jaacute presente em alguns lugares do mundo poreacutem ainda natildeo implantado no Brasil O conceito de Low Head Turbine jaacute eacute
utilizado em paiacuteses como Camarotildees China Colocircmbia Filipinas Indoneacutesia Nepal
Sri Lanka e Vietnatilde (LAHIMER 2012) Um sistema de geraccedilatildeo de energia que natildeo
necessita grandes quedas d`aacuteguas nem intervenccedilotildees draacutesticas aleacutem de ter um custo
acessiacutevel
Aleacutem disso a produccedilatildeo de energia eleacutetrica em pequena escala eacute uma das
tecnologias de energia mais rentaacuteveis a ser considerado para a eletrificaccedilatildeo rural
nos paiacuteses menos desenvolvidos Eacute tambeacutem uma tecnologia chave para regiotildees que
jaacute possuem domiacutenio da produccedilatildeo de energia hidreleacutetrica poreacutem natildeo possuem mais espaccedilo geograacutefico para implantar uma hidreleacutetrica de grande porte ou os locais de
possiacutevel alocaccedilatildeo satildeo inviaacuteveis ambientalmente (PAISH 2002 p537) Provando ser
uma boa opccedilatildeo para distintas utilizaccedilotildees
Neste sentido se pergunta por que esta tecnologia ainda natildeo estaacute presente no
Brasil e se esta viesse a ser desenvolvida quais seriam as condicionantes para o seu projeto e ou fabricaccedilatildeo
Entende-se que um equipamento nacional deveraacute atender agraves normas teacutecnicas
brasileiras assim como deveraacute ndash tanto quanto possiacutevel ndash fazer uso de peccedilas e
equipamentos jaacute disponiacuteveis no mercado brasileiro numa oacutetica de reduccedilatildeo de custos
e busca de parcerias para a sua disseminaccedilatildeo
Este vem a ser o foco do presente trabalho o levantamento destas condicionantes para o projeto e desenvolvimento destas Turbinas de Pequena Queda ou Low Head
Turbine no Brasil
3
2 OBJETIVO
Com base em um projeto tiacutepico de turbina de impulso para baixo valor de queda drsquoaacutegua - Low Head Turbine (Turbina de Pequena Queda) - avaliar quais as normas
brasileiras aplicaacuteveis e qual o melhor entendimento destas para a adequaccedilatildeo dos
padrotildees internacionais para a realidade brasileira assim como identificar elementos
que poderiam ser norteadores no projeto deste tipo de equipamento no Brasil
Para que este objetivo seja atingido eacute necessaacuterio materializar objetivos parciais
1 Identificar as Normas Brasileiras aplicaacuteveis
2 Definir os elementos constituintes do sistema e sua disponibilidade no
mercado brasileiro
3 Com base em uma localizaccedilatildeo tiacutepica analisar seu rendimento e
funcionalidade
4 Finalizar avaliando a viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head
Turbine no Brasil
4
3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
31 Energia Hidreleacutetrica No Brasil a utilizaccedilatildeo de energia hidreleacutetrica no Brasil teve iniacutecio em 1883 com a
instalaccedilatildeo da usina de Ribeiratildeo do Inferno em Diamantina (MG) Jaacute em 1889 entrou
em operaccedilatildeo a usina de Marmelos Zero ndash instalada no rio Paraibuna a 7 km de Juiz
de Fora (MG) ndash foi a primeira com a finalidade de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para o
uso puacuteblico com 250 kW de potecircncia instalada (CACHAPUZ 2006 p15)
A primeira hidreleacutetrica de maior porte comeccedilou a ser construiacuteda no Nordeste (Paulo
Afonso I com potecircncia de 180 MW) pela Companhia Hidreleacutetrica do Satildeo Francisco
(estatal constituiacuteda em 1948) As demais erguidas ao longo dos 60 anos seguintes
concentraram-se nas regiotildees Sul Sudeste e Nordeste (com o aproveitamento
integral do rio Satildeo Francisco) No Norte foram construiacutedas Tucuruiacute no Paraacute e Balbina no Amazonas Nos anos 90 a Usina Serra da Mesa (GO) no rio Tocantins
(Atlas Energia Eleacutetrica no Brasil ANEEL 2008 p57) Todas as construiacutedas ateacute o
momento possuindo capacidade eleacutetrica entre 3984 MW a 8370 MW de acordo
com dados fornecidos pelo Governo Federal Brasileiro
Pacheco (2013 apud TUNDISI 2005) constatou que potencial hidreleacutetrico brasileiro
eacute estimado em cerca de 260 GW dos quais 405 estatildeo localizados na Bacia
Hidrograacutefica do Amazonas a Bacia do Paranaacute responde por 23 a do Tocantins
por 106 e a do Satildeo Francisco por 10 Apenas 63 do potencial foi inventariado
e a Regiatildeo Norte tem um grande potencial ainda por explorar
O estudo sobre energia hidreleacutetrica constante do Plano Nacional de Energia 2030
(PNE) realizado pela Empresa de Pesquisa Energeacutetica (EPE) e o Ministeacuterio de
Minas e Energia (MME) em 2007 relacionou o potencial de aproveitamento ainda
existente em cada uma das bacias hidrograacuteficas do paiacutes A bacia do rio Amazonas eacute
a maior com um potencial de 106000 MW superior agrave potecircncia jaacute instalada no
Brasil em 2008 de 102000 MW A bacia do TocantinsAraguaia possui potencial de 28000 MW dos quais quase 12200 MW jaacute estatildeo aproveitados pelas usinas
5
hidreleacutetricas (UHEs) e o potencial a ser aproveitado 90 poreacutem sofrem alguma
restriccedilatildeo ambiental (EPE 2013)
Outra bacia importante eacute a Tapajoacutes Em 2008 a Aneel estudava viabilidade de trecircs
aproveitamentos no rio Teles Pires Em 2013 o potencial hidraacuteulico do Brasil foi
avaliado como tendo somente 26 de sua totalidade utilizado como indicado na Figura 1 colocando o Brasil como 8ordm paiacutes em termos de menor aproveitamento de
seu potencial hidroeleacutetrico
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE 2013)
32 Turbinas
321 Retrospectiva Desde antes de Cristo os mesopotacircmicos e egiacutepcios jaacute utilizavam as maacutequinas
motrizes hidraacuteulicas sendo que o primeiro mecanismo antecessor a turbina
hidraacuteulica foram as rodas drsquoaacutegua que movimentavam-se por meio da aacutegua que
passava por debaixo da roda
6
No seacuteculo XVIII periacuteodo que teve grande desenvolvimento da ciecircncia hidraacuteulica
Daniel Bernoulli (1700-1782) publicou os fundamentos da hidrodinacircmica onde
continha a equaccedilatildeo de equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo de energia para fluidos No mesmo seacuteculo teve-se algumas tentativas para ocorrer a transiccedilatildeo da roda hidraacuteulica para agrave
turbina
Entretanto somente no seacuteculo XIX o termo turbina apareceu por meio de Claude Burdin (1790-1873) que publicou o trabalho ldquoDas turbinas hidraacuteulicas ou maacutequinas
rotativas de grande velocidaderdquo sobre uma anaacutelise teoacuterica que dava importacircncia a
velocidade de rotaccedilatildeo (JUNIOR 2013 p8)
Por fim seu aluno Benoit Fourneyron (1802-1867) desenhou e construiu rodas que
atingiam velocidades de rotaccedilatildeo de 60 rpm ou mais e que forneciam ateacute 50 CV nas
faacutebricas metaluacutergicas francesas Assim em 1827 construiu um turbina centriacutefuga de 6 CV e 80 de rendimento a primeira turbina industrial (ALVES 2007 apud
MACINTYPE 1983)
322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas As turbinas hidraacuteulicas no geral seguem a mesma loacutegica de funcionamento O
movimento giratoacuterio provocado pelo fluxo drsquoaacutegua faz girar o rotor do gerador eleacutetrico
que estaacute acoplado na turbina fazendo com que o deslocamento do campo magneacutetico
transforme a potecircncia de eixo em potecircncia eleacutetrica
As principais condiccedilotildees para a escolha da turbina ideal satildeo a queda d`aacutegua vazatildeo e
velocidade especiacutefica A altura da queda d`aacutegua eacute medida como a distacircncia vertical
entre a superfiacutecie mais alta e mais baixa da queda deduzido de eventuais perdas tais
como o atrito do tubo A vazatildeo eacute medida pela quantidade total de aacutegua que passa
atraveacutes da turbina
Turbinas em geral podem operar atraveacutes de distintas vazotildees Entretanto a eficiecircncia
da turbina diminui quando a taxa de vazatildeo varia em comparaccedilatildeo com a taxa de
vazatildeo ideal pois com o dimensionamento errocircneo pode-se instalar uma turbina que
em sua eficiecircncia maacutexima natildeo supere o fluxo disponiacutevel quando a vazatildeo eacute maacutexima
7
Assim aleacutem dos fatores citados a anaacutelise detalhada do fluxo ao longo do tempo deve
de ser realizada para que a escolha da turbina supra as necessidades de projeto
Vale ressaltar que atualmente a eficiecircncia das turbinas estaacute em torno de 85 a 95
sem as perdas hidraacuteulicas ou mecacircnicas que possam ocorrer (APPLEGATE INC
2013 p3)
As turbinas satildeo constituiacutedas essencialmente por distribuidor a roda moacutevel ou rotor o
difusor ou tubo de succcedilatildeo e sua carcaccedila O distribuidor conduz a aacutegua agrave roda pela
direccedilatildeo correta e regula a vazatildeo O rotor eacute responsaacutevel por transformar parte da
energia hidraacuteulica em trabalho mecacircnico O difusor recupera a altura entre a saiacuteda da
roda e o niacutevel do canal de fuga e a carcaccedila desacelera o fluxo drsquoaacutegua poacutes-turbina devolvendo-a ao corpo drsquoaacutegua (JUacuteNIOR 2013 p 9)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52)
8
323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines Nas aacutereas urbanas o percentual da populaccedilatildeo com acesso agrave eletricidade eacute elevado
devido ao baixo custo de conexatildeo agrave rede Em aacutereas rurais no entanto o acesso eacute
limitado devido ao alto custo de estender a rede aos centros de baixa densidade
populacional As tecnologias de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em baixa escala satildeo capazes de fornecer a eletricidade onde a extensatildeo da rede eacute muito cara e onde ndash
tradicionalmente haacute uma precariedade de atendimento das concessionarias de
energia e os consumidores tecircm baixo consumo de energia (WILLIAMSON 2012
p43) Com a energia eleacutetrica seria possiacutevel estender as atividades produtivas
aproveitar os recursos naturais aumentar o mercado de trabalho e melhorar sua
situaccedilatildeo econocircmica cultural e social (ALVES 2007 p2)
A tecnologia Low Head Turbine eacute uma tecnologia possiacutevel de ser utilizada nestas
comunidades que vivem em lugares de difiacutecil acesso e aleacutem disso possuem recursos
locais (rios de pequeno porte eou coacuterregos) capazes para produzir sua proacutepria
energia jaacute que dependendo da quantidade de energia gerada natildeo se precisa de retenccedilatildeo de aacutegua e grandes quedas d` aacutegua
As turbinas em questatildeo somente exigem uma queda de menos de 10 metros
(normal muito menos) e um fluxo de aacutegua suficiente (ateacute 5 m3s aprox) para prover
energia adequada pois num primeiro momento estes locais apresentam baixa
demanda de energia (ateacute 500 W) em especial representadas por iluminaccedilatildeo agrave noite e um raacutedio ou televisatildeo para entretenimento
As Low Head Turbines que produzem 200 a 1000 W de potecircncia e satildeo
particularmente populares em aacutereas rurais porque satildeo usadas para gerar
eletricidade para iluminaccedilatildeoTV raacutedio ventilador de mesa refrigeraccedilatildeo alimentaccedilatildeo
de ferramentas agriacutecolas processamento de alimentos e a carga da bateria em
aacutereas rurais (LAHIMER 2012 p 5865)
Em um relatoacuterio do Banco Mundial foi comprovado que a energia hidreleacutetrica em
baixa escala no geral representou a oportunidade mais barata para a geraccedilatildeo de
energia com menos de 5 kW em 2005 e foi projetado para ser de pelo menos 25
9
mais barata do que outras alternativas ainda depois de dez anos (WILLIAMSON
2012 p43)
324 Classificaccedilatildeo das Turbinas As turbinas satildeo divididas em duas categorias de reaccedilatildeo e impulso ou accedilatildeo As turbinas de impulso a energia hidraacuteulica disponiacutevel eacute transformada em energia
cineacutetica para apoacutes incidir nas paacutes do rotor transformar-se em mecacircnica todo o
escoamento ocorre sem variaccedilatildeo de pressatildeo atmosfeacuterica com mesma pressatildeo de
entrada e saiacuteda
Jaacute as de reaccedilatildeo o rotor eacute completamente imerso na aacutegua assim no escoamento ocorre uma queda de pressatildeo e de velocidade entre a entrada e a saiacuteda do rotor A
pressatildeo de saiacuteda eacute inferior agrave entrada e em funccedilatildeo disso satildeo normalmente utilizadas
para meacutedias e baixas quedas
Em baixas velocidades de operaccedilatildeo a eficiecircncia das turbinas de reaccedilatildeo eacute normalmente maior do que as de turbina de impulso Na categoria das turbinas de
reaccedilatildeo ainda tem-se uma subdivisatildeo entre turbinas de escoamento radiais e turbinas
de escoamento axiais No qual as radiais o fluxo eacute perpendicular ao eixo de rotaccedilatildeo
enquanto as axiais o fluxo eacute aproximadamente paralelo ao eixo de rotaccedilatildeo (JUNIOR
2003 p 11)
Tradicionalmente o uso de turbinas hidraacuteulicas tem-se concentrado no tipo Pelton
com um ou mais jatos no caso das maacutequinas de impulso na Francis Heacutelice e
Kaplan no caso do tipo de reaccedilatildeo (SANTOS 2010 p 31)
3241 De Impulso Turbina Pelton eacute utilizada em altas quedas e velocidade de rotaccedilatildeo mais baixa
Alturas superiores a 150 metros podendo chegar ateacute 2000 metros (EISENRING
1991) Com eixo horizontal para o caso de um ou dois jatos e eixo vertical para um
nuacutemero de jatos de trecircs a seis satildeo alcanccediladas potecircncias que podem chegar mais de
10
100 MW por unidade e quedas da ordem de 1900 metros Geralmente a turbina
Pelton possui alta eficiecircncia entre 70-90 NATIONAL RENEWABLE ENERGY
LABORATORY 2011)
Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
A turbina de fluxo cruzado eacute outra turbina que possui destaque nas classificadas
como de impulso Esse tipo de turbina eacute mais utilizado em altas vazotildees e baixas
quedas d`aacutegua do que as turbinas de Pelton e Turgo (GHOSH 2011) A eficiecircncia de
uma turbina de fluxo cruzado depende de seus paracircmetros geomeacutetricos como o
nuacutemero de laminas diacircmetro do rotor arco de entrada do bico e acircngulo de ataque
Turbina Turgo eacute uma maacutequina de impulso similar a turbina Pelton A eficaacutecia na transmissatildeo de energia a partir do jato de aacutegua para o gerador de turbina Turgo depende da velocidade de eixo Assim Cobb e Shar em Impulse (Turgo and Pelton)
turbine performance characteristics and their impact on pico-hydro installations 2007
realizaram um estudo e constaram que o pico de eficiecircncia pode ser conseguido em
uma proporccedilatildeo de baixa velocidade
11
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
3242 De Reaccedilatildeo A turbina Francis escoamento radial eacute a mais usada em grandes usinas hidreleacutetricas
No Brasil a usina hidreleacutetrica mais conhecida Itaipu utiliza este tipo de turbina E de acordo com os dados oficiais da Usina tem-se uma queda liacutequida de projeto de 1184
metros vazatildeo nominal de 690 m3s e uma potecircncia nominal de 715MW Suas
caracteriacutesticas hidraacuteulicas especiais permitem fabricar unidades compactas de alta
velocidade ateacute as potecircncias mais elevadas Para valores inferiores da queda utilizam-
se turbinas de caixa aberta Ela pode ser usada para grandes meacutedias ou pequenas
hidreleacutetricas com quedas entre 1 metro e 900 metros Elbatran et al concluiu que a eficaacutecia de uma turbina Francis depende principalmente do desenvolvimento do seu
voacutertice helicoidal
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
12
O uacuteltimo tipo de turbina de reaccedilatildeo escoamento axial abrange subcategorias em sua
abrangecircncia As turbinas cujas as paacutes do rotor satildeo fixas conhecidas como turbinas
HelicePropeller e as com paacutes do rotor ajustaacuteveis tendo como turbina de referecircncia Kaplan Suas semelhanccedilas satildeo possuir baixa velocidade entre 70 e 350 rpm e
serem utilizadas em baixa queda (ANEEL 2002 p25) Outros tipos de maacutequinas
axiais satildeo as turbinas Tubulares Bulbo e Straflo
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
As mais utilizadas satildeo a de tipo HeacutelicePropeller e Kaplan A turbina Heacutelice veio da
necessidade da obtenccedilatildeo de turbinas com velocidades consideraacuteveis em baixas
quedas e grandes descargas que teve origem em 1908 (RAMOS 2008 Cap8)
Tambeacutem aliam caracteriacutesticas de serem simples e de baixo custo Elas consistem de basicamente de um rotor similar a heacutelice de navio ajustada internamente na
continuaccedilatildeo de um conduto com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a
tubulaccedilatildeo muda de direccedilatildeo (JUNIOR 2011 p15)
Jaacute a turbina Kaplan satildeo adaptadas a baixa altura topograacutefica e grandes descargas
As paacutes satildeo moacuteveis que permitem variar o seu acircngulo de ataque com um mecanismo de orientaccedilatildeo que eacute controlado pelo regulador da turbina isso faz com que a
inclinaccedilatildeo das paacutes se ajuste conforme a variaccedilatildeo da descarga e potecircncia sem
apreciaacutevel variaccedilatildeo do rendimento (GUEDES1994 p 6) A usina hidreleacutetrica de Trecircs
Marias funciona com turbina Kaplan por exemplo
13
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo Turbinas de impulso como o Turgo Pelton e turbinas de Fluxo Cruzado tecircm muitas
vantagens Elas tecircm uma eficiecircncia maior especialmente em condiccedilotildees de fluxo
parcial o que pode fornecer mais do que 90 de eficaacutecia A eficiecircncia tambeacutem eacute
passiacutevel de se manter em valores elevados mesmo variando-se as condiccedilotildees de
trabalho (ex vazatildeo variaacutevel) Satildeo faacuteceis de manter e fabricar os eixos natildeo
necessitam de qualquer selo de pressatildeo tendo uma maior toleracircncia a areia e outras partiacuteculas em aacutegua com pouco efeito sobre o desempenho das turbinas Aleacutem disso
a turbina Pelton e Turgo tecircm projetos simples e satildeo rentaacuteveis em escalas de micro
hidreleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 46)
Contudo a Turgo e Pelton em locais de baixa queda natildeo se mostram rentaacuteveis
14
quando leva-se em conta suas caracteriacutesticas de desempenho e anaacutelise de custo ao
contraacuterio da turbina de Fluxo Cruzado que eacute mais adequado para aplicaccedilotildees de baixa
queda porque a sua eficiecircncia depende basicamente da vazatildeo e os outros dois tipos natildeo Turbinas de impulso tambeacutem tem velocidade especiacutefica menor o que seria
necessaacuterio a instalaccedilatildeo de um sistema que aumentasse a velocidade da aacutegua
(ELBATRAN 2014 p 46)
As de reaccedilatildeo satildeo mais apropriadas para condiccedilotildees de baixa queda por possuiacuterem
maiores velocidades especiacuteficas jaacute que as turbinas estatildeo conectadas diretamente ao
alternador sem a necessidade do sistema de transmissatildeo Consequentemente o
custo de remoccedilatildeo do sistema de acionamento eacute significativamente baixo Estas
turbinas podem tambeacutem ser utilizadas em diferentes quedas a turbina Francis eacute
apropriada para o meacutedias a altas quedas enquanto a Propeller e BFT satildeo mais
adequados para as quedas menores (ELBATRAN 2014 p 46) FONTE
Por outro lado a implantaccedilatildeo de turbinas de reaccedilatildeo eacute mais complicada do que as
turbinas de impulso porque requerem a utilizaccedilatildeo de lacircminas de revestimento isto
pode causar o aumento no custo do orccedilamento inicial Portanto o uso de turbinas de
reaccedilatildeo nos esquemas de micro hidreleacutetricas eacute menos atraente especialmente em
aacutereas com populaccedilatildeo de baixa renda No entanto BFT e Propeller hoje em dia foram melhoradas para serem utilizadas em instalaccedilotildees de micro hidreleacutetricas mas com a
condiccedilatildeo de que os ambientes tenham queda e vazatildeo regulares (ELBATRAN 2014
p46)
Natildeo obstante haacute uma seacuterie de soluccedilotildees em relaccedilatildeo a este assunto tais como
condutas forccediladas de baixo custo tipo de desenvolvimento das turbinas e gerador de
induccedilatildeo tudo para eliminar o custo total dos sistemas e tornaacute-los mais acessiacuteveis nas
aplicaccedilotildees em zonas remotas e montanhosas A reduccedilatildeo do custo da turbina eacute a
maneira mais eficaz de reduzir o orccedilamento inicial de projeto pois eacute a parte mais
onerosa no sistema
Uma seacuterie de opccedilotildees de configuraccedilatildeo de turbina tecircm sido propostas para reduzir o custo do conjunto de microturbinas Bomba centrifuga funcionando como turbina
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
XI
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa
ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
XII
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Analise de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse
(PANISH 2002)
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
XIII
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AIE IEA - Agecircncia Internacional de Energia (International Energy Agency)
MME - Ministeacuterio de Minas e Energia
SIPOT - Potencial Hidreleacutetrico Brasileiro
BFT - Bomba Centrifuga Funcionando como turbina
CONMETRO - Conselho Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade
Industrial
IEV - Vocabulaacuterio Eletroteacutecnico Internacional EPE - Empresa de Pesquisa Energeacutetica
UHEs - Usinas Hidreleacutetricas
PNE - Plano Decenal de Expansatildeo de Energia
ANEEL - Agencia Nacional De Energia Eleacutetrica
ELETROBRAS - Centrais Eleacutetricas Brasileiras SA
ABNT- Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas
ISSO - International Organization for Standardization
IEC - International Electrotechnical Commission
NBR - Normas Teacutecnicas Brasileiras LHT ndash Low Head turbine
UFF ndash Universidade Federal Fluminense Cobei - Comitecirc Brasileiro de Eletricidade Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e
Telecomunicaccedilotildees
CB-03 - Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
CA - Corrente Alternada
CC - Corrente Contiacutenua
DNAEE - Departamento Nacional de Aacuteguas e Energia Eleacutetrica
XIV
LISTA DE EQUACcedilOtildeES
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
LISTA DE SIacuteMBOLOS
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
XV
SUMAacuteRIO 1 INTRODUCcedilAtildeO 1 2 OBJETIVO 3 3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA 4
31 Energia Hidreleacutetrica 4 32 Turbinas 5
321 Retrospectiva 5 322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas 6 323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines 8 324 Classificaccedilatildeo das Turbinas 9
3241 De Impulso 9 3242 De Reaccedilatildeo 11
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo 13 33 Geradores 15
4 MATERIAL E MEacuteTODO 17 41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 17 42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis 17 43 Elementos constituintes preferenciais 18 44 Analise de rendimento e funcionalidade 19 45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 20
5 RESULTADOS 21 51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 21 52 Normas aplicaacuteveis 23
521 Normas de Maior Relevacircncia 26 53 Elementos constituintes preferenciais 28
531 Heacutelice ou Propeller 28 5311 Fornecedores 30
532 Gerador 33 54 Analise de rendimento e funcionalidade 38 55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 40
6 DISCUSSOtildeES 42 7 CONCLUSAtildeO 44 8 BIBLIOGRAFIA 46 9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016 53
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
A eletricidade se tornou a principal fonte de luz calor e forccedila utilizada no mundo
moderno Atividades cotidianas como assistir agrave televisatildeo ou navegar na internet satildeo
possiacuteveis porque a energia eleacutetrica chega ateacute a sua casa Shoppings supermercados
e fabricas por exemplo precisam dela para funcionar Grande parte dos avanccedilos
tecnoloacutegicos alcanccedilados se deve agrave energia eleacutetrica
Ao contraacuterio de outras fontes de energia eleacutetrica a energia hidraacuteulica jaacute possui uma
presenccedila relevante na matriz energeacutetica mundial e aleacutem de possuir tecnologias
consolidadas sendo a segunda maior fonte de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no
mundo com uma participaccedilatildeo de aproximadamente 18 (Atlas Energia Eleacutetrica no
Brasil ANEEL 2002 p25)
Em termos absolutos os cinco maiores produtores de energia hidreleacutetrica no mundo
satildeo China Canadaacute Brasil Estados Unidos e Ruacutessia Em 2001 esses paiacuteses foram
responsaacuteveis por quase 50 de toda a produccedilatildeo mundial de energia hidreleacutetrica
(AIE 2008)
Especificamente o Brasil deteacutem aproximadamente 12 da aacutegua doce superficial do
planeta e condiccedilotildees adequadas para exploraccedilatildeo Com um potencial hidreleacutetrico de
260 GW segundo o Plano 2015 da Eletrobraacutes - segundo uacuteltimo inventaacuterio produzido
no paiacutes em 1992 ndash ainda existe um grande espaccedilo para crescer entretanto as
usinas hidreleacutetricas causam grande impacto ambiental devido agrave aacuterea alagada represada pela barragem causando tambeacutem a perda de solos agricultaacuteveis
florestas fauna e a retirada de populaccedilotildees ribeirinhas
De acordo com a Agecircncia Internacional de Energia (AIE) cerca de 13 bilhatildeo de
pessoas 18 da populaccedilatildeo mundial ainda natildeo tecircm acesso agrave eletricidade Este
nuacutemero poderaacute dobrar no futuro a natildeo ser que se tenha uma soluccedilatildeo eficaz e que seja adaptaacutevel particularmente para paiacuteses perifeacutericos Soluccedilotildees como a Low Head
Turbine (Turbinas de Pequena Queda) estatildeo tornando-se uma perspectiva atraente
2
para satisfazer as necessidades baacutesicas de eletricidade de comunidades remotas
(LAHIMER 2012 p 5862)
Este meacutetodo de produccedilatildeo de energia eleacutetrica jaacute presente em alguns lugares do mundo poreacutem ainda natildeo implantado no Brasil O conceito de Low Head Turbine jaacute eacute
utilizado em paiacuteses como Camarotildees China Colocircmbia Filipinas Indoneacutesia Nepal
Sri Lanka e Vietnatilde (LAHIMER 2012) Um sistema de geraccedilatildeo de energia que natildeo
necessita grandes quedas d`aacuteguas nem intervenccedilotildees draacutesticas aleacutem de ter um custo
acessiacutevel
Aleacutem disso a produccedilatildeo de energia eleacutetrica em pequena escala eacute uma das
tecnologias de energia mais rentaacuteveis a ser considerado para a eletrificaccedilatildeo rural
nos paiacuteses menos desenvolvidos Eacute tambeacutem uma tecnologia chave para regiotildees que
jaacute possuem domiacutenio da produccedilatildeo de energia hidreleacutetrica poreacutem natildeo possuem mais espaccedilo geograacutefico para implantar uma hidreleacutetrica de grande porte ou os locais de
possiacutevel alocaccedilatildeo satildeo inviaacuteveis ambientalmente (PAISH 2002 p537) Provando ser
uma boa opccedilatildeo para distintas utilizaccedilotildees
Neste sentido se pergunta por que esta tecnologia ainda natildeo estaacute presente no
Brasil e se esta viesse a ser desenvolvida quais seriam as condicionantes para o seu projeto e ou fabricaccedilatildeo
Entende-se que um equipamento nacional deveraacute atender agraves normas teacutecnicas
brasileiras assim como deveraacute ndash tanto quanto possiacutevel ndash fazer uso de peccedilas e
equipamentos jaacute disponiacuteveis no mercado brasileiro numa oacutetica de reduccedilatildeo de custos
e busca de parcerias para a sua disseminaccedilatildeo
Este vem a ser o foco do presente trabalho o levantamento destas condicionantes para o projeto e desenvolvimento destas Turbinas de Pequena Queda ou Low Head
Turbine no Brasil
3
2 OBJETIVO
Com base em um projeto tiacutepico de turbina de impulso para baixo valor de queda drsquoaacutegua - Low Head Turbine (Turbina de Pequena Queda) - avaliar quais as normas
brasileiras aplicaacuteveis e qual o melhor entendimento destas para a adequaccedilatildeo dos
padrotildees internacionais para a realidade brasileira assim como identificar elementos
que poderiam ser norteadores no projeto deste tipo de equipamento no Brasil
Para que este objetivo seja atingido eacute necessaacuterio materializar objetivos parciais
1 Identificar as Normas Brasileiras aplicaacuteveis
2 Definir os elementos constituintes do sistema e sua disponibilidade no
mercado brasileiro
3 Com base em uma localizaccedilatildeo tiacutepica analisar seu rendimento e
funcionalidade
4 Finalizar avaliando a viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head
Turbine no Brasil
4
3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
31 Energia Hidreleacutetrica No Brasil a utilizaccedilatildeo de energia hidreleacutetrica no Brasil teve iniacutecio em 1883 com a
instalaccedilatildeo da usina de Ribeiratildeo do Inferno em Diamantina (MG) Jaacute em 1889 entrou
em operaccedilatildeo a usina de Marmelos Zero ndash instalada no rio Paraibuna a 7 km de Juiz
de Fora (MG) ndash foi a primeira com a finalidade de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para o
uso puacuteblico com 250 kW de potecircncia instalada (CACHAPUZ 2006 p15)
A primeira hidreleacutetrica de maior porte comeccedilou a ser construiacuteda no Nordeste (Paulo
Afonso I com potecircncia de 180 MW) pela Companhia Hidreleacutetrica do Satildeo Francisco
(estatal constituiacuteda em 1948) As demais erguidas ao longo dos 60 anos seguintes
concentraram-se nas regiotildees Sul Sudeste e Nordeste (com o aproveitamento
integral do rio Satildeo Francisco) No Norte foram construiacutedas Tucuruiacute no Paraacute e Balbina no Amazonas Nos anos 90 a Usina Serra da Mesa (GO) no rio Tocantins
(Atlas Energia Eleacutetrica no Brasil ANEEL 2008 p57) Todas as construiacutedas ateacute o
momento possuindo capacidade eleacutetrica entre 3984 MW a 8370 MW de acordo
com dados fornecidos pelo Governo Federal Brasileiro
Pacheco (2013 apud TUNDISI 2005) constatou que potencial hidreleacutetrico brasileiro
eacute estimado em cerca de 260 GW dos quais 405 estatildeo localizados na Bacia
Hidrograacutefica do Amazonas a Bacia do Paranaacute responde por 23 a do Tocantins
por 106 e a do Satildeo Francisco por 10 Apenas 63 do potencial foi inventariado
e a Regiatildeo Norte tem um grande potencial ainda por explorar
O estudo sobre energia hidreleacutetrica constante do Plano Nacional de Energia 2030
(PNE) realizado pela Empresa de Pesquisa Energeacutetica (EPE) e o Ministeacuterio de
Minas e Energia (MME) em 2007 relacionou o potencial de aproveitamento ainda
existente em cada uma das bacias hidrograacuteficas do paiacutes A bacia do rio Amazonas eacute
a maior com um potencial de 106000 MW superior agrave potecircncia jaacute instalada no
Brasil em 2008 de 102000 MW A bacia do TocantinsAraguaia possui potencial de 28000 MW dos quais quase 12200 MW jaacute estatildeo aproveitados pelas usinas
5
hidreleacutetricas (UHEs) e o potencial a ser aproveitado 90 poreacutem sofrem alguma
restriccedilatildeo ambiental (EPE 2013)
Outra bacia importante eacute a Tapajoacutes Em 2008 a Aneel estudava viabilidade de trecircs
aproveitamentos no rio Teles Pires Em 2013 o potencial hidraacuteulico do Brasil foi
avaliado como tendo somente 26 de sua totalidade utilizado como indicado na Figura 1 colocando o Brasil como 8ordm paiacutes em termos de menor aproveitamento de
seu potencial hidroeleacutetrico
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE 2013)
32 Turbinas
321 Retrospectiva Desde antes de Cristo os mesopotacircmicos e egiacutepcios jaacute utilizavam as maacutequinas
motrizes hidraacuteulicas sendo que o primeiro mecanismo antecessor a turbina
hidraacuteulica foram as rodas drsquoaacutegua que movimentavam-se por meio da aacutegua que
passava por debaixo da roda
6
No seacuteculo XVIII periacuteodo que teve grande desenvolvimento da ciecircncia hidraacuteulica
Daniel Bernoulli (1700-1782) publicou os fundamentos da hidrodinacircmica onde
continha a equaccedilatildeo de equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo de energia para fluidos No mesmo seacuteculo teve-se algumas tentativas para ocorrer a transiccedilatildeo da roda hidraacuteulica para agrave
turbina
Entretanto somente no seacuteculo XIX o termo turbina apareceu por meio de Claude Burdin (1790-1873) que publicou o trabalho ldquoDas turbinas hidraacuteulicas ou maacutequinas
rotativas de grande velocidaderdquo sobre uma anaacutelise teoacuterica que dava importacircncia a
velocidade de rotaccedilatildeo (JUNIOR 2013 p8)
Por fim seu aluno Benoit Fourneyron (1802-1867) desenhou e construiu rodas que
atingiam velocidades de rotaccedilatildeo de 60 rpm ou mais e que forneciam ateacute 50 CV nas
faacutebricas metaluacutergicas francesas Assim em 1827 construiu um turbina centriacutefuga de 6 CV e 80 de rendimento a primeira turbina industrial (ALVES 2007 apud
MACINTYPE 1983)
322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas As turbinas hidraacuteulicas no geral seguem a mesma loacutegica de funcionamento O
movimento giratoacuterio provocado pelo fluxo drsquoaacutegua faz girar o rotor do gerador eleacutetrico
que estaacute acoplado na turbina fazendo com que o deslocamento do campo magneacutetico
transforme a potecircncia de eixo em potecircncia eleacutetrica
As principais condiccedilotildees para a escolha da turbina ideal satildeo a queda d`aacutegua vazatildeo e
velocidade especiacutefica A altura da queda d`aacutegua eacute medida como a distacircncia vertical
entre a superfiacutecie mais alta e mais baixa da queda deduzido de eventuais perdas tais
como o atrito do tubo A vazatildeo eacute medida pela quantidade total de aacutegua que passa
atraveacutes da turbina
Turbinas em geral podem operar atraveacutes de distintas vazotildees Entretanto a eficiecircncia
da turbina diminui quando a taxa de vazatildeo varia em comparaccedilatildeo com a taxa de
vazatildeo ideal pois com o dimensionamento errocircneo pode-se instalar uma turbina que
em sua eficiecircncia maacutexima natildeo supere o fluxo disponiacutevel quando a vazatildeo eacute maacutexima
7
Assim aleacutem dos fatores citados a anaacutelise detalhada do fluxo ao longo do tempo deve
de ser realizada para que a escolha da turbina supra as necessidades de projeto
Vale ressaltar que atualmente a eficiecircncia das turbinas estaacute em torno de 85 a 95
sem as perdas hidraacuteulicas ou mecacircnicas que possam ocorrer (APPLEGATE INC
2013 p3)
As turbinas satildeo constituiacutedas essencialmente por distribuidor a roda moacutevel ou rotor o
difusor ou tubo de succcedilatildeo e sua carcaccedila O distribuidor conduz a aacutegua agrave roda pela
direccedilatildeo correta e regula a vazatildeo O rotor eacute responsaacutevel por transformar parte da
energia hidraacuteulica em trabalho mecacircnico O difusor recupera a altura entre a saiacuteda da
roda e o niacutevel do canal de fuga e a carcaccedila desacelera o fluxo drsquoaacutegua poacutes-turbina devolvendo-a ao corpo drsquoaacutegua (JUacuteNIOR 2013 p 9)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52)
8
323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines Nas aacutereas urbanas o percentual da populaccedilatildeo com acesso agrave eletricidade eacute elevado
devido ao baixo custo de conexatildeo agrave rede Em aacutereas rurais no entanto o acesso eacute
limitado devido ao alto custo de estender a rede aos centros de baixa densidade
populacional As tecnologias de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em baixa escala satildeo capazes de fornecer a eletricidade onde a extensatildeo da rede eacute muito cara e onde ndash
tradicionalmente haacute uma precariedade de atendimento das concessionarias de
energia e os consumidores tecircm baixo consumo de energia (WILLIAMSON 2012
p43) Com a energia eleacutetrica seria possiacutevel estender as atividades produtivas
aproveitar os recursos naturais aumentar o mercado de trabalho e melhorar sua
situaccedilatildeo econocircmica cultural e social (ALVES 2007 p2)
A tecnologia Low Head Turbine eacute uma tecnologia possiacutevel de ser utilizada nestas
comunidades que vivem em lugares de difiacutecil acesso e aleacutem disso possuem recursos
locais (rios de pequeno porte eou coacuterregos) capazes para produzir sua proacutepria
energia jaacute que dependendo da quantidade de energia gerada natildeo se precisa de retenccedilatildeo de aacutegua e grandes quedas d` aacutegua
As turbinas em questatildeo somente exigem uma queda de menos de 10 metros
(normal muito menos) e um fluxo de aacutegua suficiente (ateacute 5 m3s aprox) para prover
energia adequada pois num primeiro momento estes locais apresentam baixa
demanda de energia (ateacute 500 W) em especial representadas por iluminaccedilatildeo agrave noite e um raacutedio ou televisatildeo para entretenimento
As Low Head Turbines que produzem 200 a 1000 W de potecircncia e satildeo
particularmente populares em aacutereas rurais porque satildeo usadas para gerar
eletricidade para iluminaccedilatildeoTV raacutedio ventilador de mesa refrigeraccedilatildeo alimentaccedilatildeo
de ferramentas agriacutecolas processamento de alimentos e a carga da bateria em
aacutereas rurais (LAHIMER 2012 p 5865)
Em um relatoacuterio do Banco Mundial foi comprovado que a energia hidreleacutetrica em
baixa escala no geral representou a oportunidade mais barata para a geraccedilatildeo de
energia com menos de 5 kW em 2005 e foi projetado para ser de pelo menos 25
9
mais barata do que outras alternativas ainda depois de dez anos (WILLIAMSON
2012 p43)
324 Classificaccedilatildeo das Turbinas As turbinas satildeo divididas em duas categorias de reaccedilatildeo e impulso ou accedilatildeo As turbinas de impulso a energia hidraacuteulica disponiacutevel eacute transformada em energia
cineacutetica para apoacutes incidir nas paacutes do rotor transformar-se em mecacircnica todo o
escoamento ocorre sem variaccedilatildeo de pressatildeo atmosfeacuterica com mesma pressatildeo de
entrada e saiacuteda
Jaacute as de reaccedilatildeo o rotor eacute completamente imerso na aacutegua assim no escoamento ocorre uma queda de pressatildeo e de velocidade entre a entrada e a saiacuteda do rotor A
pressatildeo de saiacuteda eacute inferior agrave entrada e em funccedilatildeo disso satildeo normalmente utilizadas
para meacutedias e baixas quedas
Em baixas velocidades de operaccedilatildeo a eficiecircncia das turbinas de reaccedilatildeo eacute normalmente maior do que as de turbina de impulso Na categoria das turbinas de
reaccedilatildeo ainda tem-se uma subdivisatildeo entre turbinas de escoamento radiais e turbinas
de escoamento axiais No qual as radiais o fluxo eacute perpendicular ao eixo de rotaccedilatildeo
enquanto as axiais o fluxo eacute aproximadamente paralelo ao eixo de rotaccedilatildeo (JUNIOR
2003 p 11)
Tradicionalmente o uso de turbinas hidraacuteulicas tem-se concentrado no tipo Pelton
com um ou mais jatos no caso das maacutequinas de impulso na Francis Heacutelice e
Kaplan no caso do tipo de reaccedilatildeo (SANTOS 2010 p 31)
3241 De Impulso Turbina Pelton eacute utilizada em altas quedas e velocidade de rotaccedilatildeo mais baixa
Alturas superiores a 150 metros podendo chegar ateacute 2000 metros (EISENRING
1991) Com eixo horizontal para o caso de um ou dois jatos e eixo vertical para um
nuacutemero de jatos de trecircs a seis satildeo alcanccediladas potecircncias que podem chegar mais de
10
100 MW por unidade e quedas da ordem de 1900 metros Geralmente a turbina
Pelton possui alta eficiecircncia entre 70-90 NATIONAL RENEWABLE ENERGY
LABORATORY 2011)
Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
A turbina de fluxo cruzado eacute outra turbina que possui destaque nas classificadas
como de impulso Esse tipo de turbina eacute mais utilizado em altas vazotildees e baixas
quedas d`aacutegua do que as turbinas de Pelton e Turgo (GHOSH 2011) A eficiecircncia de
uma turbina de fluxo cruzado depende de seus paracircmetros geomeacutetricos como o
nuacutemero de laminas diacircmetro do rotor arco de entrada do bico e acircngulo de ataque
Turbina Turgo eacute uma maacutequina de impulso similar a turbina Pelton A eficaacutecia na transmissatildeo de energia a partir do jato de aacutegua para o gerador de turbina Turgo depende da velocidade de eixo Assim Cobb e Shar em Impulse (Turgo and Pelton)
turbine performance characteristics and their impact on pico-hydro installations 2007
realizaram um estudo e constaram que o pico de eficiecircncia pode ser conseguido em
uma proporccedilatildeo de baixa velocidade
11
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
3242 De Reaccedilatildeo A turbina Francis escoamento radial eacute a mais usada em grandes usinas hidreleacutetricas
No Brasil a usina hidreleacutetrica mais conhecida Itaipu utiliza este tipo de turbina E de acordo com os dados oficiais da Usina tem-se uma queda liacutequida de projeto de 1184
metros vazatildeo nominal de 690 m3s e uma potecircncia nominal de 715MW Suas
caracteriacutesticas hidraacuteulicas especiais permitem fabricar unidades compactas de alta
velocidade ateacute as potecircncias mais elevadas Para valores inferiores da queda utilizam-
se turbinas de caixa aberta Ela pode ser usada para grandes meacutedias ou pequenas
hidreleacutetricas com quedas entre 1 metro e 900 metros Elbatran et al concluiu que a eficaacutecia de uma turbina Francis depende principalmente do desenvolvimento do seu
voacutertice helicoidal
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
12
O uacuteltimo tipo de turbina de reaccedilatildeo escoamento axial abrange subcategorias em sua
abrangecircncia As turbinas cujas as paacutes do rotor satildeo fixas conhecidas como turbinas
HelicePropeller e as com paacutes do rotor ajustaacuteveis tendo como turbina de referecircncia Kaplan Suas semelhanccedilas satildeo possuir baixa velocidade entre 70 e 350 rpm e
serem utilizadas em baixa queda (ANEEL 2002 p25) Outros tipos de maacutequinas
axiais satildeo as turbinas Tubulares Bulbo e Straflo
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
As mais utilizadas satildeo a de tipo HeacutelicePropeller e Kaplan A turbina Heacutelice veio da
necessidade da obtenccedilatildeo de turbinas com velocidades consideraacuteveis em baixas
quedas e grandes descargas que teve origem em 1908 (RAMOS 2008 Cap8)
Tambeacutem aliam caracteriacutesticas de serem simples e de baixo custo Elas consistem de basicamente de um rotor similar a heacutelice de navio ajustada internamente na
continuaccedilatildeo de um conduto com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a
tubulaccedilatildeo muda de direccedilatildeo (JUNIOR 2011 p15)
Jaacute a turbina Kaplan satildeo adaptadas a baixa altura topograacutefica e grandes descargas
As paacutes satildeo moacuteveis que permitem variar o seu acircngulo de ataque com um mecanismo de orientaccedilatildeo que eacute controlado pelo regulador da turbina isso faz com que a
inclinaccedilatildeo das paacutes se ajuste conforme a variaccedilatildeo da descarga e potecircncia sem
apreciaacutevel variaccedilatildeo do rendimento (GUEDES1994 p 6) A usina hidreleacutetrica de Trecircs
Marias funciona com turbina Kaplan por exemplo
13
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo Turbinas de impulso como o Turgo Pelton e turbinas de Fluxo Cruzado tecircm muitas
vantagens Elas tecircm uma eficiecircncia maior especialmente em condiccedilotildees de fluxo
parcial o que pode fornecer mais do que 90 de eficaacutecia A eficiecircncia tambeacutem eacute
passiacutevel de se manter em valores elevados mesmo variando-se as condiccedilotildees de
trabalho (ex vazatildeo variaacutevel) Satildeo faacuteceis de manter e fabricar os eixos natildeo
necessitam de qualquer selo de pressatildeo tendo uma maior toleracircncia a areia e outras partiacuteculas em aacutegua com pouco efeito sobre o desempenho das turbinas Aleacutem disso
a turbina Pelton e Turgo tecircm projetos simples e satildeo rentaacuteveis em escalas de micro
hidreleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 46)
Contudo a Turgo e Pelton em locais de baixa queda natildeo se mostram rentaacuteveis
14
quando leva-se em conta suas caracteriacutesticas de desempenho e anaacutelise de custo ao
contraacuterio da turbina de Fluxo Cruzado que eacute mais adequado para aplicaccedilotildees de baixa
queda porque a sua eficiecircncia depende basicamente da vazatildeo e os outros dois tipos natildeo Turbinas de impulso tambeacutem tem velocidade especiacutefica menor o que seria
necessaacuterio a instalaccedilatildeo de um sistema que aumentasse a velocidade da aacutegua
(ELBATRAN 2014 p 46)
As de reaccedilatildeo satildeo mais apropriadas para condiccedilotildees de baixa queda por possuiacuterem
maiores velocidades especiacuteficas jaacute que as turbinas estatildeo conectadas diretamente ao
alternador sem a necessidade do sistema de transmissatildeo Consequentemente o
custo de remoccedilatildeo do sistema de acionamento eacute significativamente baixo Estas
turbinas podem tambeacutem ser utilizadas em diferentes quedas a turbina Francis eacute
apropriada para o meacutedias a altas quedas enquanto a Propeller e BFT satildeo mais
adequados para as quedas menores (ELBATRAN 2014 p 46) FONTE
Por outro lado a implantaccedilatildeo de turbinas de reaccedilatildeo eacute mais complicada do que as
turbinas de impulso porque requerem a utilizaccedilatildeo de lacircminas de revestimento isto
pode causar o aumento no custo do orccedilamento inicial Portanto o uso de turbinas de
reaccedilatildeo nos esquemas de micro hidreleacutetricas eacute menos atraente especialmente em
aacutereas com populaccedilatildeo de baixa renda No entanto BFT e Propeller hoje em dia foram melhoradas para serem utilizadas em instalaccedilotildees de micro hidreleacutetricas mas com a
condiccedilatildeo de que os ambientes tenham queda e vazatildeo regulares (ELBATRAN 2014
p46)
Natildeo obstante haacute uma seacuterie de soluccedilotildees em relaccedilatildeo a este assunto tais como
condutas forccediladas de baixo custo tipo de desenvolvimento das turbinas e gerador de
induccedilatildeo tudo para eliminar o custo total dos sistemas e tornaacute-los mais acessiacuteveis nas
aplicaccedilotildees em zonas remotas e montanhosas A reduccedilatildeo do custo da turbina eacute a
maneira mais eficaz de reduzir o orccedilamento inicial de projeto pois eacute a parte mais
onerosa no sistema
Uma seacuterie de opccedilotildees de configuraccedilatildeo de turbina tecircm sido propostas para reduzir o custo do conjunto de microturbinas Bomba centrifuga funcionando como turbina
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
XII
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Analise de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse
(PANISH 2002)
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD
(Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
XIII
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AIE IEA - Agecircncia Internacional de Energia (International Energy Agency)
MME - Ministeacuterio de Minas e Energia
SIPOT - Potencial Hidreleacutetrico Brasileiro
BFT - Bomba Centrifuga Funcionando como turbina
CONMETRO - Conselho Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade
Industrial
IEV - Vocabulaacuterio Eletroteacutecnico Internacional EPE - Empresa de Pesquisa Energeacutetica
UHEs - Usinas Hidreleacutetricas
PNE - Plano Decenal de Expansatildeo de Energia
ANEEL - Agencia Nacional De Energia Eleacutetrica
ELETROBRAS - Centrais Eleacutetricas Brasileiras SA
ABNT- Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas
ISSO - International Organization for Standardization
IEC - International Electrotechnical Commission
NBR - Normas Teacutecnicas Brasileiras LHT ndash Low Head turbine
UFF ndash Universidade Federal Fluminense Cobei - Comitecirc Brasileiro de Eletricidade Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e
Telecomunicaccedilotildees
CB-03 - Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
CA - Corrente Alternada
CC - Corrente Contiacutenua
DNAEE - Departamento Nacional de Aacuteguas e Energia Eleacutetrica
XIV
LISTA DE EQUACcedilOtildeES
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
LISTA DE SIacuteMBOLOS
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
XV
SUMAacuteRIO 1 INTRODUCcedilAtildeO 1 2 OBJETIVO 3 3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA 4
31 Energia Hidreleacutetrica 4 32 Turbinas 5
321 Retrospectiva 5 322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas 6 323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines 8 324 Classificaccedilatildeo das Turbinas 9
3241 De Impulso 9 3242 De Reaccedilatildeo 11
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo 13 33 Geradores 15
4 MATERIAL E MEacuteTODO 17 41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 17 42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis 17 43 Elementos constituintes preferenciais 18 44 Analise de rendimento e funcionalidade 19 45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 20
5 RESULTADOS 21 51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 21 52 Normas aplicaacuteveis 23
521 Normas de Maior Relevacircncia 26 53 Elementos constituintes preferenciais 28
531 Heacutelice ou Propeller 28 5311 Fornecedores 30
532 Gerador 33 54 Analise de rendimento e funcionalidade 38 55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 40
6 DISCUSSOtildeES 42 7 CONCLUSAtildeO 44 8 BIBLIOGRAFIA 46 9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016 53
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
A eletricidade se tornou a principal fonte de luz calor e forccedila utilizada no mundo
moderno Atividades cotidianas como assistir agrave televisatildeo ou navegar na internet satildeo
possiacuteveis porque a energia eleacutetrica chega ateacute a sua casa Shoppings supermercados
e fabricas por exemplo precisam dela para funcionar Grande parte dos avanccedilos
tecnoloacutegicos alcanccedilados se deve agrave energia eleacutetrica
Ao contraacuterio de outras fontes de energia eleacutetrica a energia hidraacuteulica jaacute possui uma
presenccedila relevante na matriz energeacutetica mundial e aleacutem de possuir tecnologias
consolidadas sendo a segunda maior fonte de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no
mundo com uma participaccedilatildeo de aproximadamente 18 (Atlas Energia Eleacutetrica no
Brasil ANEEL 2002 p25)
Em termos absolutos os cinco maiores produtores de energia hidreleacutetrica no mundo
satildeo China Canadaacute Brasil Estados Unidos e Ruacutessia Em 2001 esses paiacuteses foram
responsaacuteveis por quase 50 de toda a produccedilatildeo mundial de energia hidreleacutetrica
(AIE 2008)
Especificamente o Brasil deteacutem aproximadamente 12 da aacutegua doce superficial do
planeta e condiccedilotildees adequadas para exploraccedilatildeo Com um potencial hidreleacutetrico de
260 GW segundo o Plano 2015 da Eletrobraacutes - segundo uacuteltimo inventaacuterio produzido
no paiacutes em 1992 ndash ainda existe um grande espaccedilo para crescer entretanto as
usinas hidreleacutetricas causam grande impacto ambiental devido agrave aacuterea alagada represada pela barragem causando tambeacutem a perda de solos agricultaacuteveis
florestas fauna e a retirada de populaccedilotildees ribeirinhas
De acordo com a Agecircncia Internacional de Energia (AIE) cerca de 13 bilhatildeo de
pessoas 18 da populaccedilatildeo mundial ainda natildeo tecircm acesso agrave eletricidade Este
nuacutemero poderaacute dobrar no futuro a natildeo ser que se tenha uma soluccedilatildeo eficaz e que seja adaptaacutevel particularmente para paiacuteses perifeacutericos Soluccedilotildees como a Low Head
Turbine (Turbinas de Pequena Queda) estatildeo tornando-se uma perspectiva atraente
2
para satisfazer as necessidades baacutesicas de eletricidade de comunidades remotas
(LAHIMER 2012 p 5862)
Este meacutetodo de produccedilatildeo de energia eleacutetrica jaacute presente em alguns lugares do mundo poreacutem ainda natildeo implantado no Brasil O conceito de Low Head Turbine jaacute eacute
utilizado em paiacuteses como Camarotildees China Colocircmbia Filipinas Indoneacutesia Nepal
Sri Lanka e Vietnatilde (LAHIMER 2012) Um sistema de geraccedilatildeo de energia que natildeo
necessita grandes quedas d`aacuteguas nem intervenccedilotildees draacutesticas aleacutem de ter um custo
acessiacutevel
Aleacutem disso a produccedilatildeo de energia eleacutetrica em pequena escala eacute uma das
tecnologias de energia mais rentaacuteveis a ser considerado para a eletrificaccedilatildeo rural
nos paiacuteses menos desenvolvidos Eacute tambeacutem uma tecnologia chave para regiotildees que
jaacute possuem domiacutenio da produccedilatildeo de energia hidreleacutetrica poreacutem natildeo possuem mais espaccedilo geograacutefico para implantar uma hidreleacutetrica de grande porte ou os locais de
possiacutevel alocaccedilatildeo satildeo inviaacuteveis ambientalmente (PAISH 2002 p537) Provando ser
uma boa opccedilatildeo para distintas utilizaccedilotildees
Neste sentido se pergunta por que esta tecnologia ainda natildeo estaacute presente no
Brasil e se esta viesse a ser desenvolvida quais seriam as condicionantes para o seu projeto e ou fabricaccedilatildeo
Entende-se que um equipamento nacional deveraacute atender agraves normas teacutecnicas
brasileiras assim como deveraacute ndash tanto quanto possiacutevel ndash fazer uso de peccedilas e
equipamentos jaacute disponiacuteveis no mercado brasileiro numa oacutetica de reduccedilatildeo de custos
e busca de parcerias para a sua disseminaccedilatildeo
Este vem a ser o foco do presente trabalho o levantamento destas condicionantes para o projeto e desenvolvimento destas Turbinas de Pequena Queda ou Low Head
Turbine no Brasil
3
2 OBJETIVO
Com base em um projeto tiacutepico de turbina de impulso para baixo valor de queda drsquoaacutegua - Low Head Turbine (Turbina de Pequena Queda) - avaliar quais as normas
brasileiras aplicaacuteveis e qual o melhor entendimento destas para a adequaccedilatildeo dos
padrotildees internacionais para a realidade brasileira assim como identificar elementos
que poderiam ser norteadores no projeto deste tipo de equipamento no Brasil
Para que este objetivo seja atingido eacute necessaacuterio materializar objetivos parciais
1 Identificar as Normas Brasileiras aplicaacuteveis
2 Definir os elementos constituintes do sistema e sua disponibilidade no
mercado brasileiro
3 Com base em uma localizaccedilatildeo tiacutepica analisar seu rendimento e
funcionalidade
4 Finalizar avaliando a viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head
Turbine no Brasil
4
3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
31 Energia Hidreleacutetrica No Brasil a utilizaccedilatildeo de energia hidreleacutetrica no Brasil teve iniacutecio em 1883 com a
instalaccedilatildeo da usina de Ribeiratildeo do Inferno em Diamantina (MG) Jaacute em 1889 entrou
em operaccedilatildeo a usina de Marmelos Zero ndash instalada no rio Paraibuna a 7 km de Juiz
de Fora (MG) ndash foi a primeira com a finalidade de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para o
uso puacuteblico com 250 kW de potecircncia instalada (CACHAPUZ 2006 p15)
A primeira hidreleacutetrica de maior porte comeccedilou a ser construiacuteda no Nordeste (Paulo
Afonso I com potecircncia de 180 MW) pela Companhia Hidreleacutetrica do Satildeo Francisco
(estatal constituiacuteda em 1948) As demais erguidas ao longo dos 60 anos seguintes
concentraram-se nas regiotildees Sul Sudeste e Nordeste (com o aproveitamento
integral do rio Satildeo Francisco) No Norte foram construiacutedas Tucuruiacute no Paraacute e Balbina no Amazonas Nos anos 90 a Usina Serra da Mesa (GO) no rio Tocantins
(Atlas Energia Eleacutetrica no Brasil ANEEL 2008 p57) Todas as construiacutedas ateacute o
momento possuindo capacidade eleacutetrica entre 3984 MW a 8370 MW de acordo
com dados fornecidos pelo Governo Federal Brasileiro
Pacheco (2013 apud TUNDISI 2005) constatou que potencial hidreleacutetrico brasileiro
eacute estimado em cerca de 260 GW dos quais 405 estatildeo localizados na Bacia
Hidrograacutefica do Amazonas a Bacia do Paranaacute responde por 23 a do Tocantins
por 106 e a do Satildeo Francisco por 10 Apenas 63 do potencial foi inventariado
e a Regiatildeo Norte tem um grande potencial ainda por explorar
O estudo sobre energia hidreleacutetrica constante do Plano Nacional de Energia 2030
(PNE) realizado pela Empresa de Pesquisa Energeacutetica (EPE) e o Ministeacuterio de
Minas e Energia (MME) em 2007 relacionou o potencial de aproveitamento ainda
existente em cada uma das bacias hidrograacuteficas do paiacutes A bacia do rio Amazonas eacute
a maior com um potencial de 106000 MW superior agrave potecircncia jaacute instalada no
Brasil em 2008 de 102000 MW A bacia do TocantinsAraguaia possui potencial de 28000 MW dos quais quase 12200 MW jaacute estatildeo aproveitados pelas usinas
5
hidreleacutetricas (UHEs) e o potencial a ser aproveitado 90 poreacutem sofrem alguma
restriccedilatildeo ambiental (EPE 2013)
Outra bacia importante eacute a Tapajoacutes Em 2008 a Aneel estudava viabilidade de trecircs
aproveitamentos no rio Teles Pires Em 2013 o potencial hidraacuteulico do Brasil foi
avaliado como tendo somente 26 de sua totalidade utilizado como indicado na Figura 1 colocando o Brasil como 8ordm paiacutes em termos de menor aproveitamento de
seu potencial hidroeleacutetrico
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE 2013)
32 Turbinas
321 Retrospectiva Desde antes de Cristo os mesopotacircmicos e egiacutepcios jaacute utilizavam as maacutequinas
motrizes hidraacuteulicas sendo que o primeiro mecanismo antecessor a turbina
hidraacuteulica foram as rodas drsquoaacutegua que movimentavam-se por meio da aacutegua que
passava por debaixo da roda
6
No seacuteculo XVIII periacuteodo que teve grande desenvolvimento da ciecircncia hidraacuteulica
Daniel Bernoulli (1700-1782) publicou os fundamentos da hidrodinacircmica onde
continha a equaccedilatildeo de equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo de energia para fluidos No mesmo seacuteculo teve-se algumas tentativas para ocorrer a transiccedilatildeo da roda hidraacuteulica para agrave
turbina
Entretanto somente no seacuteculo XIX o termo turbina apareceu por meio de Claude Burdin (1790-1873) que publicou o trabalho ldquoDas turbinas hidraacuteulicas ou maacutequinas
rotativas de grande velocidaderdquo sobre uma anaacutelise teoacuterica que dava importacircncia a
velocidade de rotaccedilatildeo (JUNIOR 2013 p8)
Por fim seu aluno Benoit Fourneyron (1802-1867) desenhou e construiu rodas que
atingiam velocidades de rotaccedilatildeo de 60 rpm ou mais e que forneciam ateacute 50 CV nas
faacutebricas metaluacutergicas francesas Assim em 1827 construiu um turbina centriacutefuga de 6 CV e 80 de rendimento a primeira turbina industrial (ALVES 2007 apud
MACINTYPE 1983)
322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas As turbinas hidraacuteulicas no geral seguem a mesma loacutegica de funcionamento O
movimento giratoacuterio provocado pelo fluxo drsquoaacutegua faz girar o rotor do gerador eleacutetrico
que estaacute acoplado na turbina fazendo com que o deslocamento do campo magneacutetico
transforme a potecircncia de eixo em potecircncia eleacutetrica
As principais condiccedilotildees para a escolha da turbina ideal satildeo a queda d`aacutegua vazatildeo e
velocidade especiacutefica A altura da queda d`aacutegua eacute medida como a distacircncia vertical
entre a superfiacutecie mais alta e mais baixa da queda deduzido de eventuais perdas tais
como o atrito do tubo A vazatildeo eacute medida pela quantidade total de aacutegua que passa
atraveacutes da turbina
Turbinas em geral podem operar atraveacutes de distintas vazotildees Entretanto a eficiecircncia
da turbina diminui quando a taxa de vazatildeo varia em comparaccedilatildeo com a taxa de
vazatildeo ideal pois com o dimensionamento errocircneo pode-se instalar uma turbina que
em sua eficiecircncia maacutexima natildeo supere o fluxo disponiacutevel quando a vazatildeo eacute maacutexima
7
Assim aleacutem dos fatores citados a anaacutelise detalhada do fluxo ao longo do tempo deve
de ser realizada para que a escolha da turbina supra as necessidades de projeto
Vale ressaltar que atualmente a eficiecircncia das turbinas estaacute em torno de 85 a 95
sem as perdas hidraacuteulicas ou mecacircnicas que possam ocorrer (APPLEGATE INC
2013 p3)
As turbinas satildeo constituiacutedas essencialmente por distribuidor a roda moacutevel ou rotor o
difusor ou tubo de succcedilatildeo e sua carcaccedila O distribuidor conduz a aacutegua agrave roda pela
direccedilatildeo correta e regula a vazatildeo O rotor eacute responsaacutevel por transformar parte da
energia hidraacuteulica em trabalho mecacircnico O difusor recupera a altura entre a saiacuteda da
roda e o niacutevel do canal de fuga e a carcaccedila desacelera o fluxo drsquoaacutegua poacutes-turbina devolvendo-a ao corpo drsquoaacutegua (JUacuteNIOR 2013 p 9)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52)
8
323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines Nas aacutereas urbanas o percentual da populaccedilatildeo com acesso agrave eletricidade eacute elevado
devido ao baixo custo de conexatildeo agrave rede Em aacutereas rurais no entanto o acesso eacute
limitado devido ao alto custo de estender a rede aos centros de baixa densidade
populacional As tecnologias de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em baixa escala satildeo capazes de fornecer a eletricidade onde a extensatildeo da rede eacute muito cara e onde ndash
tradicionalmente haacute uma precariedade de atendimento das concessionarias de
energia e os consumidores tecircm baixo consumo de energia (WILLIAMSON 2012
p43) Com a energia eleacutetrica seria possiacutevel estender as atividades produtivas
aproveitar os recursos naturais aumentar o mercado de trabalho e melhorar sua
situaccedilatildeo econocircmica cultural e social (ALVES 2007 p2)
A tecnologia Low Head Turbine eacute uma tecnologia possiacutevel de ser utilizada nestas
comunidades que vivem em lugares de difiacutecil acesso e aleacutem disso possuem recursos
locais (rios de pequeno porte eou coacuterregos) capazes para produzir sua proacutepria
energia jaacute que dependendo da quantidade de energia gerada natildeo se precisa de retenccedilatildeo de aacutegua e grandes quedas d` aacutegua
As turbinas em questatildeo somente exigem uma queda de menos de 10 metros
(normal muito menos) e um fluxo de aacutegua suficiente (ateacute 5 m3s aprox) para prover
energia adequada pois num primeiro momento estes locais apresentam baixa
demanda de energia (ateacute 500 W) em especial representadas por iluminaccedilatildeo agrave noite e um raacutedio ou televisatildeo para entretenimento
As Low Head Turbines que produzem 200 a 1000 W de potecircncia e satildeo
particularmente populares em aacutereas rurais porque satildeo usadas para gerar
eletricidade para iluminaccedilatildeoTV raacutedio ventilador de mesa refrigeraccedilatildeo alimentaccedilatildeo
de ferramentas agriacutecolas processamento de alimentos e a carga da bateria em
aacutereas rurais (LAHIMER 2012 p 5865)
Em um relatoacuterio do Banco Mundial foi comprovado que a energia hidreleacutetrica em
baixa escala no geral representou a oportunidade mais barata para a geraccedilatildeo de
energia com menos de 5 kW em 2005 e foi projetado para ser de pelo menos 25
9
mais barata do que outras alternativas ainda depois de dez anos (WILLIAMSON
2012 p43)
324 Classificaccedilatildeo das Turbinas As turbinas satildeo divididas em duas categorias de reaccedilatildeo e impulso ou accedilatildeo As turbinas de impulso a energia hidraacuteulica disponiacutevel eacute transformada em energia
cineacutetica para apoacutes incidir nas paacutes do rotor transformar-se em mecacircnica todo o
escoamento ocorre sem variaccedilatildeo de pressatildeo atmosfeacuterica com mesma pressatildeo de
entrada e saiacuteda
Jaacute as de reaccedilatildeo o rotor eacute completamente imerso na aacutegua assim no escoamento ocorre uma queda de pressatildeo e de velocidade entre a entrada e a saiacuteda do rotor A
pressatildeo de saiacuteda eacute inferior agrave entrada e em funccedilatildeo disso satildeo normalmente utilizadas
para meacutedias e baixas quedas
Em baixas velocidades de operaccedilatildeo a eficiecircncia das turbinas de reaccedilatildeo eacute normalmente maior do que as de turbina de impulso Na categoria das turbinas de
reaccedilatildeo ainda tem-se uma subdivisatildeo entre turbinas de escoamento radiais e turbinas
de escoamento axiais No qual as radiais o fluxo eacute perpendicular ao eixo de rotaccedilatildeo
enquanto as axiais o fluxo eacute aproximadamente paralelo ao eixo de rotaccedilatildeo (JUNIOR
2003 p 11)
Tradicionalmente o uso de turbinas hidraacuteulicas tem-se concentrado no tipo Pelton
com um ou mais jatos no caso das maacutequinas de impulso na Francis Heacutelice e
Kaplan no caso do tipo de reaccedilatildeo (SANTOS 2010 p 31)
3241 De Impulso Turbina Pelton eacute utilizada em altas quedas e velocidade de rotaccedilatildeo mais baixa
Alturas superiores a 150 metros podendo chegar ateacute 2000 metros (EISENRING
1991) Com eixo horizontal para o caso de um ou dois jatos e eixo vertical para um
nuacutemero de jatos de trecircs a seis satildeo alcanccediladas potecircncias que podem chegar mais de
10
100 MW por unidade e quedas da ordem de 1900 metros Geralmente a turbina
Pelton possui alta eficiecircncia entre 70-90 NATIONAL RENEWABLE ENERGY
LABORATORY 2011)
Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
A turbina de fluxo cruzado eacute outra turbina que possui destaque nas classificadas
como de impulso Esse tipo de turbina eacute mais utilizado em altas vazotildees e baixas
quedas d`aacutegua do que as turbinas de Pelton e Turgo (GHOSH 2011) A eficiecircncia de
uma turbina de fluxo cruzado depende de seus paracircmetros geomeacutetricos como o
nuacutemero de laminas diacircmetro do rotor arco de entrada do bico e acircngulo de ataque
Turbina Turgo eacute uma maacutequina de impulso similar a turbina Pelton A eficaacutecia na transmissatildeo de energia a partir do jato de aacutegua para o gerador de turbina Turgo depende da velocidade de eixo Assim Cobb e Shar em Impulse (Turgo and Pelton)
turbine performance characteristics and their impact on pico-hydro installations 2007
realizaram um estudo e constaram que o pico de eficiecircncia pode ser conseguido em
uma proporccedilatildeo de baixa velocidade
11
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
3242 De Reaccedilatildeo A turbina Francis escoamento radial eacute a mais usada em grandes usinas hidreleacutetricas
No Brasil a usina hidreleacutetrica mais conhecida Itaipu utiliza este tipo de turbina E de acordo com os dados oficiais da Usina tem-se uma queda liacutequida de projeto de 1184
metros vazatildeo nominal de 690 m3s e uma potecircncia nominal de 715MW Suas
caracteriacutesticas hidraacuteulicas especiais permitem fabricar unidades compactas de alta
velocidade ateacute as potecircncias mais elevadas Para valores inferiores da queda utilizam-
se turbinas de caixa aberta Ela pode ser usada para grandes meacutedias ou pequenas
hidreleacutetricas com quedas entre 1 metro e 900 metros Elbatran et al concluiu que a eficaacutecia de uma turbina Francis depende principalmente do desenvolvimento do seu
voacutertice helicoidal
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
12
O uacuteltimo tipo de turbina de reaccedilatildeo escoamento axial abrange subcategorias em sua
abrangecircncia As turbinas cujas as paacutes do rotor satildeo fixas conhecidas como turbinas
HelicePropeller e as com paacutes do rotor ajustaacuteveis tendo como turbina de referecircncia Kaplan Suas semelhanccedilas satildeo possuir baixa velocidade entre 70 e 350 rpm e
serem utilizadas em baixa queda (ANEEL 2002 p25) Outros tipos de maacutequinas
axiais satildeo as turbinas Tubulares Bulbo e Straflo
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
As mais utilizadas satildeo a de tipo HeacutelicePropeller e Kaplan A turbina Heacutelice veio da
necessidade da obtenccedilatildeo de turbinas com velocidades consideraacuteveis em baixas
quedas e grandes descargas que teve origem em 1908 (RAMOS 2008 Cap8)
Tambeacutem aliam caracteriacutesticas de serem simples e de baixo custo Elas consistem de basicamente de um rotor similar a heacutelice de navio ajustada internamente na
continuaccedilatildeo de um conduto com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a
tubulaccedilatildeo muda de direccedilatildeo (JUNIOR 2011 p15)
Jaacute a turbina Kaplan satildeo adaptadas a baixa altura topograacutefica e grandes descargas
As paacutes satildeo moacuteveis que permitem variar o seu acircngulo de ataque com um mecanismo de orientaccedilatildeo que eacute controlado pelo regulador da turbina isso faz com que a
inclinaccedilatildeo das paacutes se ajuste conforme a variaccedilatildeo da descarga e potecircncia sem
apreciaacutevel variaccedilatildeo do rendimento (GUEDES1994 p 6) A usina hidreleacutetrica de Trecircs
Marias funciona com turbina Kaplan por exemplo
13
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo Turbinas de impulso como o Turgo Pelton e turbinas de Fluxo Cruzado tecircm muitas
vantagens Elas tecircm uma eficiecircncia maior especialmente em condiccedilotildees de fluxo
parcial o que pode fornecer mais do que 90 de eficaacutecia A eficiecircncia tambeacutem eacute
passiacutevel de se manter em valores elevados mesmo variando-se as condiccedilotildees de
trabalho (ex vazatildeo variaacutevel) Satildeo faacuteceis de manter e fabricar os eixos natildeo
necessitam de qualquer selo de pressatildeo tendo uma maior toleracircncia a areia e outras partiacuteculas em aacutegua com pouco efeito sobre o desempenho das turbinas Aleacutem disso
a turbina Pelton e Turgo tecircm projetos simples e satildeo rentaacuteveis em escalas de micro
hidreleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 46)
Contudo a Turgo e Pelton em locais de baixa queda natildeo se mostram rentaacuteveis
14
quando leva-se em conta suas caracteriacutesticas de desempenho e anaacutelise de custo ao
contraacuterio da turbina de Fluxo Cruzado que eacute mais adequado para aplicaccedilotildees de baixa
queda porque a sua eficiecircncia depende basicamente da vazatildeo e os outros dois tipos natildeo Turbinas de impulso tambeacutem tem velocidade especiacutefica menor o que seria
necessaacuterio a instalaccedilatildeo de um sistema que aumentasse a velocidade da aacutegua
(ELBATRAN 2014 p 46)
As de reaccedilatildeo satildeo mais apropriadas para condiccedilotildees de baixa queda por possuiacuterem
maiores velocidades especiacuteficas jaacute que as turbinas estatildeo conectadas diretamente ao
alternador sem a necessidade do sistema de transmissatildeo Consequentemente o
custo de remoccedilatildeo do sistema de acionamento eacute significativamente baixo Estas
turbinas podem tambeacutem ser utilizadas em diferentes quedas a turbina Francis eacute
apropriada para o meacutedias a altas quedas enquanto a Propeller e BFT satildeo mais
adequados para as quedas menores (ELBATRAN 2014 p 46) FONTE
Por outro lado a implantaccedilatildeo de turbinas de reaccedilatildeo eacute mais complicada do que as
turbinas de impulso porque requerem a utilizaccedilatildeo de lacircminas de revestimento isto
pode causar o aumento no custo do orccedilamento inicial Portanto o uso de turbinas de
reaccedilatildeo nos esquemas de micro hidreleacutetricas eacute menos atraente especialmente em
aacutereas com populaccedilatildeo de baixa renda No entanto BFT e Propeller hoje em dia foram melhoradas para serem utilizadas em instalaccedilotildees de micro hidreleacutetricas mas com a
condiccedilatildeo de que os ambientes tenham queda e vazatildeo regulares (ELBATRAN 2014
p46)
Natildeo obstante haacute uma seacuterie de soluccedilotildees em relaccedilatildeo a este assunto tais como
condutas forccediladas de baixo custo tipo de desenvolvimento das turbinas e gerador de
induccedilatildeo tudo para eliminar o custo total dos sistemas e tornaacute-los mais acessiacuteveis nas
aplicaccedilotildees em zonas remotas e montanhosas A reduccedilatildeo do custo da turbina eacute a
maneira mais eficaz de reduzir o orccedilamento inicial de projeto pois eacute a parte mais
onerosa no sistema
Uma seacuterie de opccedilotildees de configuraccedilatildeo de turbina tecircm sido propostas para reduzir o custo do conjunto de microturbinas Bomba centrifuga funcionando como turbina
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
XIII
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AIE IEA - Agecircncia Internacional de Energia (International Energy Agency)
MME - Ministeacuterio de Minas e Energia
SIPOT - Potencial Hidreleacutetrico Brasileiro
BFT - Bomba Centrifuga Funcionando como turbina
CONMETRO - Conselho Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade
Industrial
IEV - Vocabulaacuterio Eletroteacutecnico Internacional EPE - Empresa de Pesquisa Energeacutetica
UHEs - Usinas Hidreleacutetricas
PNE - Plano Decenal de Expansatildeo de Energia
ANEEL - Agencia Nacional De Energia Eleacutetrica
ELETROBRAS - Centrais Eleacutetricas Brasileiras SA
ABNT- Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas
ISSO - International Organization for Standardization
IEC - International Electrotechnical Commission
NBR - Normas Teacutecnicas Brasileiras LHT ndash Low Head turbine
UFF ndash Universidade Federal Fluminense Cobei - Comitecirc Brasileiro de Eletricidade Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e
Telecomunicaccedilotildees
CB-03 - Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
CA - Corrente Alternada
CC - Corrente Contiacutenua
DNAEE - Departamento Nacional de Aacuteguas e Energia Eleacutetrica
XIV
LISTA DE EQUACcedilOtildeES
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
LISTA DE SIacuteMBOLOS
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
XV
SUMAacuteRIO 1 INTRODUCcedilAtildeO 1 2 OBJETIVO 3 3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA 4
31 Energia Hidreleacutetrica 4 32 Turbinas 5
321 Retrospectiva 5 322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas 6 323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines 8 324 Classificaccedilatildeo das Turbinas 9
3241 De Impulso 9 3242 De Reaccedilatildeo 11
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo 13 33 Geradores 15
4 MATERIAL E MEacuteTODO 17 41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 17 42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis 17 43 Elementos constituintes preferenciais 18 44 Analise de rendimento e funcionalidade 19 45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 20
5 RESULTADOS 21 51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 21 52 Normas aplicaacuteveis 23
521 Normas de Maior Relevacircncia 26 53 Elementos constituintes preferenciais 28
531 Heacutelice ou Propeller 28 5311 Fornecedores 30
532 Gerador 33 54 Analise de rendimento e funcionalidade 38 55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 40
6 DISCUSSOtildeES 42 7 CONCLUSAtildeO 44 8 BIBLIOGRAFIA 46 9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016 53
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
A eletricidade se tornou a principal fonte de luz calor e forccedila utilizada no mundo
moderno Atividades cotidianas como assistir agrave televisatildeo ou navegar na internet satildeo
possiacuteveis porque a energia eleacutetrica chega ateacute a sua casa Shoppings supermercados
e fabricas por exemplo precisam dela para funcionar Grande parte dos avanccedilos
tecnoloacutegicos alcanccedilados se deve agrave energia eleacutetrica
Ao contraacuterio de outras fontes de energia eleacutetrica a energia hidraacuteulica jaacute possui uma
presenccedila relevante na matriz energeacutetica mundial e aleacutem de possuir tecnologias
consolidadas sendo a segunda maior fonte de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no
mundo com uma participaccedilatildeo de aproximadamente 18 (Atlas Energia Eleacutetrica no
Brasil ANEEL 2002 p25)
Em termos absolutos os cinco maiores produtores de energia hidreleacutetrica no mundo
satildeo China Canadaacute Brasil Estados Unidos e Ruacutessia Em 2001 esses paiacuteses foram
responsaacuteveis por quase 50 de toda a produccedilatildeo mundial de energia hidreleacutetrica
(AIE 2008)
Especificamente o Brasil deteacutem aproximadamente 12 da aacutegua doce superficial do
planeta e condiccedilotildees adequadas para exploraccedilatildeo Com um potencial hidreleacutetrico de
260 GW segundo o Plano 2015 da Eletrobraacutes - segundo uacuteltimo inventaacuterio produzido
no paiacutes em 1992 ndash ainda existe um grande espaccedilo para crescer entretanto as
usinas hidreleacutetricas causam grande impacto ambiental devido agrave aacuterea alagada represada pela barragem causando tambeacutem a perda de solos agricultaacuteveis
florestas fauna e a retirada de populaccedilotildees ribeirinhas
De acordo com a Agecircncia Internacional de Energia (AIE) cerca de 13 bilhatildeo de
pessoas 18 da populaccedilatildeo mundial ainda natildeo tecircm acesso agrave eletricidade Este
nuacutemero poderaacute dobrar no futuro a natildeo ser que se tenha uma soluccedilatildeo eficaz e que seja adaptaacutevel particularmente para paiacuteses perifeacutericos Soluccedilotildees como a Low Head
Turbine (Turbinas de Pequena Queda) estatildeo tornando-se uma perspectiva atraente
2
para satisfazer as necessidades baacutesicas de eletricidade de comunidades remotas
(LAHIMER 2012 p 5862)
Este meacutetodo de produccedilatildeo de energia eleacutetrica jaacute presente em alguns lugares do mundo poreacutem ainda natildeo implantado no Brasil O conceito de Low Head Turbine jaacute eacute
utilizado em paiacuteses como Camarotildees China Colocircmbia Filipinas Indoneacutesia Nepal
Sri Lanka e Vietnatilde (LAHIMER 2012) Um sistema de geraccedilatildeo de energia que natildeo
necessita grandes quedas d`aacuteguas nem intervenccedilotildees draacutesticas aleacutem de ter um custo
acessiacutevel
Aleacutem disso a produccedilatildeo de energia eleacutetrica em pequena escala eacute uma das
tecnologias de energia mais rentaacuteveis a ser considerado para a eletrificaccedilatildeo rural
nos paiacuteses menos desenvolvidos Eacute tambeacutem uma tecnologia chave para regiotildees que
jaacute possuem domiacutenio da produccedilatildeo de energia hidreleacutetrica poreacutem natildeo possuem mais espaccedilo geograacutefico para implantar uma hidreleacutetrica de grande porte ou os locais de
possiacutevel alocaccedilatildeo satildeo inviaacuteveis ambientalmente (PAISH 2002 p537) Provando ser
uma boa opccedilatildeo para distintas utilizaccedilotildees
Neste sentido se pergunta por que esta tecnologia ainda natildeo estaacute presente no
Brasil e se esta viesse a ser desenvolvida quais seriam as condicionantes para o seu projeto e ou fabricaccedilatildeo
Entende-se que um equipamento nacional deveraacute atender agraves normas teacutecnicas
brasileiras assim como deveraacute ndash tanto quanto possiacutevel ndash fazer uso de peccedilas e
equipamentos jaacute disponiacuteveis no mercado brasileiro numa oacutetica de reduccedilatildeo de custos
e busca de parcerias para a sua disseminaccedilatildeo
Este vem a ser o foco do presente trabalho o levantamento destas condicionantes para o projeto e desenvolvimento destas Turbinas de Pequena Queda ou Low Head
Turbine no Brasil
3
2 OBJETIVO
Com base em um projeto tiacutepico de turbina de impulso para baixo valor de queda drsquoaacutegua - Low Head Turbine (Turbina de Pequena Queda) - avaliar quais as normas
brasileiras aplicaacuteveis e qual o melhor entendimento destas para a adequaccedilatildeo dos
padrotildees internacionais para a realidade brasileira assim como identificar elementos
que poderiam ser norteadores no projeto deste tipo de equipamento no Brasil
Para que este objetivo seja atingido eacute necessaacuterio materializar objetivos parciais
1 Identificar as Normas Brasileiras aplicaacuteveis
2 Definir os elementos constituintes do sistema e sua disponibilidade no
mercado brasileiro
3 Com base em uma localizaccedilatildeo tiacutepica analisar seu rendimento e
funcionalidade
4 Finalizar avaliando a viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head
Turbine no Brasil
4
3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
31 Energia Hidreleacutetrica No Brasil a utilizaccedilatildeo de energia hidreleacutetrica no Brasil teve iniacutecio em 1883 com a
instalaccedilatildeo da usina de Ribeiratildeo do Inferno em Diamantina (MG) Jaacute em 1889 entrou
em operaccedilatildeo a usina de Marmelos Zero ndash instalada no rio Paraibuna a 7 km de Juiz
de Fora (MG) ndash foi a primeira com a finalidade de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para o
uso puacuteblico com 250 kW de potecircncia instalada (CACHAPUZ 2006 p15)
A primeira hidreleacutetrica de maior porte comeccedilou a ser construiacuteda no Nordeste (Paulo
Afonso I com potecircncia de 180 MW) pela Companhia Hidreleacutetrica do Satildeo Francisco
(estatal constituiacuteda em 1948) As demais erguidas ao longo dos 60 anos seguintes
concentraram-se nas regiotildees Sul Sudeste e Nordeste (com o aproveitamento
integral do rio Satildeo Francisco) No Norte foram construiacutedas Tucuruiacute no Paraacute e Balbina no Amazonas Nos anos 90 a Usina Serra da Mesa (GO) no rio Tocantins
(Atlas Energia Eleacutetrica no Brasil ANEEL 2008 p57) Todas as construiacutedas ateacute o
momento possuindo capacidade eleacutetrica entre 3984 MW a 8370 MW de acordo
com dados fornecidos pelo Governo Federal Brasileiro
Pacheco (2013 apud TUNDISI 2005) constatou que potencial hidreleacutetrico brasileiro
eacute estimado em cerca de 260 GW dos quais 405 estatildeo localizados na Bacia
Hidrograacutefica do Amazonas a Bacia do Paranaacute responde por 23 a do Tocantins
por 106 e a do Satildeo Francisco por 10 Apenas 63 do potencial foi inventariado
e a Regiatildeo Norte tem um grande potencial ainda por explorar
O estudo sobre energia hidreleacutetrica constante do Plano Nacional de Energia 2030
(PNE) realizado pela Empresa de Pesquisa Energeacutetica (EPE) e o Ministeacuterio de
Minas e Energia (MME) em 2007 relacionou o potencial de aproveitamento ainda
existente em cada uma das bacias hidrograacuteficas do paiacutes A bacia do rio Amazonas eacute
a maior com um potencial de 106000 MW superior agrave potecircncia jaacute instalada no
Brasil em 2008 de 102000 MW A bacia do TocantinsAraguaia possui potencial de 28000 MW dos quais quase 12200 MW jaacute estatildeo aproveitados pelas usinas
5
hidreleacutetricas (UHEs) e o potencial a ser aproveitado 90 poreacutem sofrem alguma
restriccedilatildeo ambiental (EPE 2013)
Outra bacia importante eacute a Tapajoacutes Em 2008 a Aneel estudava viabilidade de trecircs
aproveitamentos no rio Teles Pires Em 2013 o potencial hidraacuteulico do Brasil foi
avaliado como tendo somente 26 de sua totalidade utilizado como indicado na Figura 1 colocando o Brasil como 8ordm paiacutes em termos de menor aproveitamento de
seu potencial hidroeleacutetrico
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE 2013)
32 Turbinas
321 Retrospectiva Desde antes de Cristo os mesopotacircmicos e egiacutepcios jaacute utilizavam as maacutequinas
motrizes hidraacuteulicas sendo que o primeiro mecanismo antecessor a turbina
hidraacuteulica foram as rodas drsquoaacutegua que movimentavam-se por meio da aacutegua que
passava por debaixo da roda
6
No seacuteculo XVIII periacuteodo que teve grande desenvolvimento da ciecircncia hidraacuteulica
Daniel Bernoulli (1700-1782) publicou os fundamentos da hidrodinacircmica onde
continha a equaccedilatildeo de equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo de energia para fluidos No mesmo seacuteculo teve-se algumas tentativas para ocorrer a transiccedilatildeo da roda hidraacuteulica para agrave
turbina
Entretanto somente no seacuteculo XIX o termo turbina apareceu por meio de Claude Burdin (1790-1873) que publicou o trabalho ldquoDas turbinas hidraacuteulicas ou maacutequinas
rotativas de grande velocidaderdquo sobre uma anaacutelise teoacuterica que dava importacircncia a
velocidade de rotaccedilatildeo (JUNIOR 2013 p8)
Por fim seu aluno Benoit Fourneyron (1802-1867) desenhou e construiu rodas que
atingiam velocidades de rotaccedilatildeo de 60 rpm ou mais e que forneciam ateacute 50 CV nas
faacutebricas metaluacutergicas francesas Assim em 1827 construiu um turbina centriacutefuga de 6 CV e 80 de rendimento a primeira turbina industrial (ALVES 2007 apud
MACINTYPE 1983)
322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas As turbinas hidraacuteulicas no geral seguem a mesma loacutegica de funcionamento O
movimento giratoacuterio provocado pelo fluxo drsquoaacutegua faz girar o rotor do gerador eleacutetrico
que estaacute acoplado na turbina fazendo com que o deslocamento do campo magneacutetico
transforme a potecircncia de eixo em potecircncia eleacutetrica
As principais condiccedilotildees para a escolha da turbina ideal satildeo a queda d`aacutegua vazatildeo e
velocidade especiacutefica A altura da queda d`aacutegua eacute medida como a distacircncia vertical
entre a superfiacutecie mais alta e mais baixa da queda deduzido de eventuais perdas tais
como o atrito do tubo A vazatildeo eacute medida pela quantidade total de aacutegua que passa
atraveacutes da turbina
Turbinas em geral podem operar atraveacutes de distintas vazotildees Entretanto a eficiecircncia
da turbina diminui quando a taxa de vazatildeo varia em comparaccedilatildeo com a taxa de
vazatildeo ideal pois com o dimensionamento errocircneo pode-se instalar uma turbina que
em sua eficiecircncia maacutexima natildeo supere o fluxo disponiacutevel quando a vazatildeo eacute maacutexima
7
Assim aleacutem dos fatores citados a anaacutelise detalhada do fluxo ao longo do tempo deve
de ser realizada para que a escolha da turbina supra as necessidades de projeto
Vale ressaltar que atualmente a eficiecircncia das turbinas estaacute em torno de 85 a 95
sem as perdas hidraacuteulicas ou mecacircnicas que possam ocorrer (APPLEGATE INC
2013 p3)
As turbinas satildeo constituiacutedas essencialmente por distribuidor a roda moacutevel ou rotor o
difusor ou tubo de succcedilatildeo e sua carcaccedila O distribuidor conduz a aacutegua agrave roda pela
direccedilatildeo correta e regula a vazatildeo O rotor eacute responsaacutevel por transformar parte da
energia hidraacuteulica em trabalho mecacircnico O difusor recupera a altura entre a saiacuteda da
roda e o niacutevel do canal de fuga e a carcaccedila desacelera o fluxo drsquoaacutegua poacutes-turbina devolvendo-a ao corpo drsquoaacutegua (JUacuteNIOR 2013 p 9)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52)
8
323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines Nas aacutereas urbanas o percentual da populaccedilatildeo com acesso agrave eletricidade eacute elevado
devido ao baixo custo de conexatildeo agrave rede Em aacutereas rurais no entanto o acesso eacute
limitado devido ao alto custo de estender a rede aos centros de baixa densidade
populacional As tecnologias de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em baixa escala satildeo capazes de fornecer a eletricidade onde a extensatildeo da rede eacute muito cara e onde ndash
tradicionalmente haacute uma precariedade de atendimento das concessionarias de
energia e os consumidores tecircm baixo consumo de energia (WILLIAMSON 2012
p43) Com a energia eleacutetrica seria possiacutevel estender as atividades produtivas
aproveitar os recursos naturais aumentar o mercado de trabalho e melhorar sua
situaccedilatildeo econocircmica cultural e social (ALVES 2007 p2)
A tecnologia Low Head Turbine eacute uma tecnologia possiacutevel de ser utilizada nestas
comunidades que vivem em lugares de difiacutecil acesso e aleacutem disso possuem recursos
locais (rios de pequeno porte eou coacuterregos) capazes para produzir sua proacutepria
energia jaacute que dependendo da quantidade de energia gerada natildeo se precisa de retenccedilatildeo de aacutegua e grandes quedas d` aacutegua
As turbinas em questatildeo somente exigem uma queda de menos de 10 metros
(normal muito menos) e um fluxo de aacutegua suficiente (ateacute 5 m3s aprox) para prover
energia adequada pois num primeiro momento estes locais apresentam baixa
demanda de energia (ateacute 500 W) em especial representadas por iluminaccedilatildeo agrave noite e um raacutedio ou televisatildeo para entretenimento
As Low Head Turbines que produzem 200 a 1000 W de potecircncia e satildeo
particularmente populares em aacutereas rurais porque satildeo usadas para gerar
eletricidade para iluminaccedilatildeoTV raacutedio ventilador de mesa refrigeraccedilatildeo alimentaccedilatildeo
de ferramentas agriacutecolas processamento de alimentos e a carga da bateria em
aacutereas rurais (LAHIMER 2012 p 5865)
Em um relatoacuterio do Banco Mundial foi comprovado que a energia hidreleacutetrica em
baixa escala no geral representou a oportunidade mais barata para a geraccedilatildeo de
energia com menos de 5 kW em 2005 e foi projetado para ser de pelo menos 25
9
mais barata do que outras alternativas ainda depois de dez anos (WILLIAMSON
2012 p43)
324 Classificaccedilatildeo das Turbinas As turbinas satildeo divididas em duas categorias de reaccedilatildeo e impulso ou accedilatildeo As turbinas de impulso a energia hidraacuteulica disponiacutevel eacute transformada em energia
cineacutetica para apoacutes incidir nas paacutes do rotor transformar-se em mecacircnica todo o
escoamento ocorre sem variaccedilatildeo de pressatildeo atmosfeacuterica com mesma pressatildeo de
entrada e saiacuteda
Jaacute as de reaccedilatildeo o rotor eacute completamente imerso na aacutegua assim no escoamento ocorre uma queda de pressatildeo e de velocidade entre a entrada e a saiacuteda do rotor A
pressatildeo de saiacuteda eacute inferior agrave entrada e em funccedilatildeo disso satildeo normalmente utilizadas
para meacutedias e baixas quedas
Em baixas velocidades de operaccedilatildeo a eficiecircncia das turbinas de reaccedilatildeo eacute normalmente maior do que as de turbina de impulso Na categoria das turbinas de
reaccedilatildeo ainda tem-se uma subdivisatildeo entre turbinas de escoamento radiais e turbinas
de escoamento axiais No qual as radiais o fluxo eacute perpendicular ao eixo de rotaccedilatildeo
enquanto as axiais o fluxo eacute aproximadamente paralelo ao eixo de rotaccedilatildeo (JUNIOR
2003 p 11)
Tradicionalmente o uso de turbinas hidraacuteulicas tem-se concentrado no tipo Pelton
com um ou mais jatos no caso das maacutequinas de impulso na Francis Heacutelice e
Kaplan no caso do tipo de reaccedilatildeo (SANTOS 2010 p 31)
3241 De Impulso Turbina Pelton eacute utilizada em altas quedas e velocidade de rotaccedilatildeo mais baixa
Alturas superiores a 150 metros podendo chegar ateacute 2000 metros (EISENRING
1991) Com eixo horizontal para o caso de um ou dois jatos e eixo vertical para um
nuacutemero de jatos de trecircs a seis satildeo alcanccediladas potecircncias que podem chegar mais de
10
100 MW por unidade e quedas da ordem de 1900 metros Geralmente a turbina
Pelton possui alta eficiecircncia entre 70-90 NATIONAL RENEWABLE ENERGY
LABORATORY 2011)
Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
A turbina de fluxo cruzado eacute outra turbina que possui destaque nas classificadas
como de impulso Esse tipo de turbina eacute mais utilizado em altas vazotildees e baixas
quedas d`aacutegua do que as turbinas de Pelton e Turgo (GHOSH 2011) A eficiecircncia de
uma turbina de fluxo cruzado depende de seus paracircmetros geomeacutetricos como o
nuacutemero de laminas diacircmetro do rotor arco de entrada do bico e acircngulo de ataque
Turbina Turgo eacute uma maacutequina de impulso similar a turbina Pelton A eficaacutecia na transmissatildeo de energia a partir do jato de aacutegua para o gerador de turbina Turgo depende da velocidade de eixo Assim Cobb e Shar em Impulse (Turgo and Pelton)
turbine performance characteristics and their impact on pico-hydro installations 2007
realizaram um estudo e constaram que o pico de eficiecircncia pode ser conseguido em
uma proporccedilatildeo de baixa velocidade
11
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
3242 De Reaccedilatildeo A turbina Francis escoamento radial eacute a mais usada em grandes usinas hidreleacutetricas
No Brasil a usina hidreleacutetrica mais conhecida Itaipu utiliza este tipo de turbina E de acordo com os dados oficiais da Usina tem-se uma queda liacutequida de projeto de 1184
metros vazatildeo nominal de 690 m3s e uma potecircncia nominal de 715MW Suas
caracteriacutesticas hidraacuteulicas especiais permitem fabricar unidades compactas de alta
velocidade ateacute as potecircncias mais elevadas Para valores inferiores da queda utilizam-
se turbinas de caixa aberta Ela pode ser usada para grandes meacutedias ou pequenas
hidreleacutetricas com quedas entre 1 metro e 900 metros Elbatran et al concluiu que a eficaacutecia de uma turbina Francis depende principalmente do desenvolvimento do seu
voacutertice helicoidal
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
12
O uacuteltimo tipo de turbina de reaccedilatildeo escoamento axial abrange subcategorias em sua
abrangecircncia As turbinas cujas as paacutes do rotor satildeo fixas conhecidas como turbinas
HelicePropeller e as com paacutes do rotor ajustaacuteveis tendo como turbina de referecircncia Kaplan Suas semelhanccedilas satildeo possuir baixa velocidade entre 70 e 350 rpm e
serem utilizadas em baixa queda (ANEEL 2002 p25) Outros tipos de maacutequinas
axiais satildeo as turbinas Tubulares Bulbo e Straflo
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
As mais utilizadas satildeo a de tipo HeacutelicePropeller e Kaplan A turbina Heacutelice veio da
necessidade da obtenccedilatildeo de turbinas com velocidades consideraacuteveis em baixas
quedas e grandes descargas que teve origem em 1908 (RAMOS 2008 Cap8)
Tambeacutem aliam caracteriacutesticas de serem simples e de baixo custo Elas consistem de basicamente de um rotor similar a heacutelice de navio ajustada internamente na
continuaccedilatildeo de um conduto com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a
tubulaccedilatildeo muda de direccedilatildeo (JUNIOR 2011 p15)
Jaacute a turbina Kaplan satildeo adaptadas a baixa altura topograacutefica e grandes descargas
As paacutes satildeo moacuteveis que permitem variar o seu acircngulo de ataque com um mecanismo de orientaccedilatildeo que eacute controlado pelo regulador da turbina isso faz com que a
inclinaccedilatildeo das paacutes se ajuste conforme a variaccedilatildeo da descarga e potecircncia sem
apreciaacutevel variaccedilatildeo do rendimento (GUEDES1994 p 6) A usina hidreleacutetrica de Trecircs
Marias funciona com turbina Kaplan por exemplo
13
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo Turbinas de impulso como o Turgo Pelton e turbinas de Fluxo Cruzado tecircm muitas
vantagens Elas tecircm uma eficiecircncia maior especialmente em condiccedilotildees de fluxo
parcial o que pode fornecer mais do que 90 de eficaacutecia A eficiecircncia tambeacutem eacute
passiacutevel de se manter em valores elevados mesmo variando-se as condiccedilotildees de
trabalho (ex vazatildeo variaacutevel) Satildeo faacuteceis de manter e fabricar os eixos natildeo
necessitam de qualquer selo de pressatildeo tendo uma maior toleracircncia a areia e outras partiacuteculas em aacutegua com pouco efeito sobre o desempenho das turbinas Aleacutem disso
a turbina Pelton e Turgo tecircm projetos simples e satildeo rentaacuteveis em escalas de micro
hidreleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 46)
Contudo a Turgo e Pelton em locais de baixa queda natildeo se mostram rentaacuteveis
14
quando leva-se em conta suas caracteriacutesticas de desempenho e anaacutelise de custo ao
contraacuterio da turbina de Fluxo Cruzado que eacute mais adequado para aplicaccedilotildees de baixa
queda porque a sua eficiecircncia depende basicamente da vazatildeo e os outros dois tipos natildeo Turbinas de impulso tambeacutem tem velocidade especiacutefica menor o que seria
necessaacuterio a instalaccedilatildeo de um sistema que aumentasse a velocidade da aacutegua
(ELBATRAN 2014 p 46)
As de reaccedilatildeo satildeo mais apropriadas para condiccedilotildees de baixa queda por possuiacuterem
maiores velocidades especiacuteficas jaacute que as turbinas estatildeo conectadas diretamente ao
alternador sem a necessidade do sistema de transmissatildeo Consequentemente o
custo de remoccedilatildeo do sistema de acionamento eacute significativamente baixo Estas
turbinas podem tambeacutem ser utilizadas em diferentes quedas a turbina Francis eacute
apropriada para o meacutedias a altas quedas enquanto a Propeller e BFT satildeo mais
adequados para as quedas menores (ELBATRAN 2014 p 46) FONTE
Por outro lado a implantaccedilatildeo de turbinas de reaccedilatildeo eacute mais complicada do que as
turbinas de impulso porque requerem a utilizaccedilatildeo de lacircminas de revestimento isto
pode causar o aumento no custo do orccedilamento inicial Portanto o uso de turbinas de
reaccedilatildeo nos esquemas de micro hidreleacutetricas eacute menos atraente especialmente em
aacutereas com populaccedilatildeo de baixa renda No entanto BFT e Propeller hoje em dia foram melhoradas para serem utilizadas em instalaccedilotildees de micro hidreleacutetricas mas com a
condiccedilatildeo de que os ambientes tenham queda e vazatildeo regulares (ELBATRAN 2014
p46)
Natildeo obstante haacute uma seacuterie de soluccedilotildees em relaccedilatildeo a este assunto tais como
condutas forccediladas de baixo custo tipo de desenvolvimento das turbinas e gerador de
induccedilatildeo tudo para eliminar o custo total dos sistemas e tornaacute-los mais acessiacuteveis nas
aplicaccedilotildees em zonas remotas e montanhosas A reduccedilatildeo do custo da turbina eacute a
maneira mais eficaz de reduzir o orccedilamento inicial de projeto pois eacute a parte mais
onerosa no sistema
Uma seacuterie de opccedilotildees de configuraccedilatildeo de turbina tecircm sido propostas para reduzir o custo do conjunto de microturbinas Bomba centrifuga funcionando como turbina
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Radial- and mixed-flow
turbines for low head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume
34 (2009) Paacuteginas 1885-1894
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ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Axial-flow turbines for low
head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume 34 (2009)
Paacuteginas 35-47
ALVES Gilberto Manoel Avaliaccedilatildeo da viabilidade de implantaccedilatildeo de uma microcentral hidreleacutetrica para atender consumidores localizados em regiotildees isoladas 2007 156 Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Doutorado em Agronomia) ndash
Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
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9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
XIV
LISTA DE EQUACcedilOtildeES
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
LISTA DE SIacuteMBOLOS
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
XV
SUMAacuteRIO 1 INTRODUCcedilAtildeO 1 2 OBJETIVO 3 3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA 4
31 Energia Hidreleacutetrica 4 32 Turbinas 5
321 Retrospectiva 5 322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas 6 323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines 8 324 Classificaccedilatildeo das Turbinas 9
3241 De Impulso 9 3242 De Reaccedilatildeo 11
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo 13 33 Geradores 15
4 MATERIAL E MEacuteTODO 17 41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 17 42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis 17 43 Elementos constituintes preferenciais 18 44 Analise de rendimento e funcionalidade 19 45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 20
5 RESULTADOS 21 51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 21 52 Normas aplicaacuteveis 23
521 Normas de Maior Relevacircncia 26 53 Elementos constituintes preferenciais 28
531 Heacutelice ou Propeller 28 5311 Fornecedores 30
532 Gerador 33 54 Analise de rendimento e funcionalidade 38 55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 40
6 DISCUSSOtildeES 42 7 CONCLUSAtildeO 44 8 BIBLIOGRAFIA 46 9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016 53
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
A eletricidade se tornou a principal fonte de luz calor e forccedila utilizada no mundo
moderno Atividades cotidianas como assistir agrave televisatildeo ou navegar na internet satildeo
possiacuteveis porque a energia eleacutetrica chega ateacute a sua casa Shoppings supermercados
e fabricas por exemplo precisam dela para funcionar Grande parte dos avanccedilos
tecnoloacutegicos alcanccedilados se deve agrave energia eleacutetrica
Ao contraacuterio de outras fontes de energia eleacutetrica a energia hidraacuteulica jaacute possui uma
presenccedila relevante na matriz energeacutetica mundial e aleacutem de possuir tecnologias
consolidadas sendo a segunda maior fonte de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no
mundo com uma participaccedilatildeo de aproximadamente 18 (Atlas Energia Eleacutetrica no
Brasil ANEEL 2002 p25)
Em termos absolutos os cinco maiores produtores de energia hidreleacutetrica no mundo
satildeo China Canadaacute Brasil Estados Unidos e Ruacutessia Em 2001 esses paiacuteses foram
responsaacuteveis por quase 50 de toda a produccedilatildeo mundial de energia hidreleacutetrica
(AIE 2008)
Especificamente o Brasil deteacutem aproximadamente 12 da aacutegua doce superficial do
planeta e condiccedilotildees adequadas para exploraccedilatildeo Com um potencial hidreleacutetrico de
260 GW segundo o Plano 2015 da Eletrobraacutes - segundo uacuteltimo inventaacuterio produzido
no paiacutes em 1992 ndash ainda existe um grande espaccedilo para crescer entretanto as
usinas hidreleacutetricas causam grande impacto ambiental devido agrave aacuterea alagada represada pela barragem causando tambeacutem a perda de solos agricultaacuteveis
florestas fauna e a retirada de populaccedilotildees ribeirinhas
De acordo com a Agecircncia Internacional de Energia (AIE) cerca de 13 bilhatildeo de
pessoas 18 da populaccedilatildeo mundial ainda natildeo tecircm acesso agrave eletricidade Este
nuacutemero poderaacute dobrar no futuro a natildeo ser que se tenha uma soluccedilatildeo eficaz e que seja adaptaacutevel particularmente para paiacuteses perifeacutericos Soluccedilotildees como a Low Head
Turbine (Turbinas de Pequena Queda) estatildeo tornando-se uma perspectiva atraente
2
para satisfazer as necessidades baacutesicas de eletricidade de comunidades remotas
(LAHIMER 2012 p 5862)
Este meacutetodo de produccedilatildeo de energia eleacutetrica jaacute presente em alguns lugares do mundo poreacutem ainda natildeo implantado no Brasil O conceito de Low Head Turbine jaacute eacute
utilizado em paiacuteses como Camarotildees China Colocircmbia Filipinas Indoneacutesia Nepal
Sri Lanka e Vietnatilde (LAHIMER 2012) Um sistema de geraccedilatildeo de energia que natildeo
necessita grandes quedas d`aacuteguas nem intervenccedilotildees draacutesticas aleacutem de ter um custo
acessiacutevel
Aleacutem disso a produccedilatildeo de energia eleacutetrica em pequena escala eacute uma das
tecnologias de energia mais rentaacuteveis a ser considerado para a eletrificaccedilatildeo rural
nos paiacuteses menos desenvolvidos Eacute tambeacutem uma tecnologia chave para regiotildees que
jaacute possuem domiacutenio da produccedilatildeo de energia hidreleacutetrica poreacutem natildeo possuem mais espaccedilo geograacutefico para implantar uma hidreleacutetrica de grande porte ou os locais de
possiacutevel alocaccedilatildeo satildeo inviaacuteveis ambientalmente (PAISH 2002 p537) Provando ser
uma boa opccedilatildeo para distintas utilizaccedilotildees
Neste sentido se pergunta por que esta tecnologia ainda natildeo estaacute presente no
Brasil e se esta viesse a ser desenvolvida quais seriam as condicionantes para o seu projeto e ou fabricaccedilatildeo
Entende-se que um equipamento nacional deveraacute atender agraves normas teacutecnicas
brasileiras assim como deveraacute ndash tanto quanto possiacutevel ndash fazer uso de peccedilas e
equipamentos jaacute disponiacuteveis no mercado brasileiro numa oacutetica de reduccedilatildeo de custos
e busca de parcerias para a sua disseminaccedilatildeo
Este vem a ser o foco do presente trabalho o levantamento destas condicionantes para o projeto e desenvolvimento destas Turbinas de Pequena Queda ou Low Head
Turbine no Brasil
3
2 OBJETIVO
Com base em um projeto tiacutepico de turbina de impulso para baixo valor de queda drsquoaacutegua - Low Head Turbine (Turbina de Pequena Queda) - avaliar quais as normas
brasileiras aplicaacuteveis e qual o melhor entendimento destas para a adequaccedilatildeo dos
padrotildees internacionais para a realidade brasileira assim como identificar elementos
que poderiam ser norteadores no projeto deste tipo de equipamento no Brasil
Para que este objetivo seja atingido eacute necessaacuterio materializar objetivos parciais
1 Identificar as Normas Brasileiras aplicaacuteveis
2 Definir os elementos constituintes do sistema e sua disponibilidade no
mercado brasileiro
3 Com base em uma localizaccedilatildeo tiacutepica analisar seu rendimento e
funcionalidade
4 Finalizar avaliando a viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head
Turbine no Brasil
4
3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
31 Energia Hidreleacutetrica No Brasil a utilizaccedilatildeo de energia hidreleacutetrica no Brasil teve iniacutecio em 1883 com a
instalaccedilatildeo da usina de Ribeiratildeo do Inferno em Diamantina (MG) Jaacute em 1889 entrou
em operaccedilatildeo a usina de Marmelos Zero ndash instalada no rio Paraibuna a 7 km de Juiz
de Fora (MG) ndash foi a primeira com a finalidade de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para o
uso puacuteblico com 250 kW de potecircncia instalada (CACHAPUZ 2006 p15)
A primeira hidreleacutetrica de maior porte comeccedilou a ser construiacuteda no Nordeste (Paulo
Afonso I com potecircncia de 180 MW) pela Companhia Hidreleacutetrica do Satildeo Francisco
(estatal constituiacuteda em 1948) As demais erguidas ao longo dos 60 anos seguintes
concentraram-se nas regiotildees Sul Sudeste e Nordeste (com o aproveitamento
integral do rio Satildeo Francisco) No Norte foram construiacutedas Tucuruiacute no Paraacute e Balbina no Amazonas Nos anos 90 a Usina Serra da Mesa (GO) no rio Tocantins
(Atlas Energia Eleacutetrica no Brasil ANEEL 2008 p57) Todas as construiacutedas ateacute o
momento possuindo capacidade eleacutetrica entre 3984 MW a 8370 MW de acordo
com dados fornecidos pelo Governo Federal Brasileiro
Pacheco (2013 apud TUNDISI 2005) constatou que potencial hidreleacutetrico brasileiro
eacute estimado em cerca de 260 GW dos quais 405 estatildeo localizados na Bacia
Hidrograacutefica do Amazonas a Bacia do Paranaacute responde por 23 a do Tocantins
por 106 e a do Satildeo Francisco por 10 Apenas 63 do potencial foi inventariado
e a Regiatildeo Norte tem um grande potencial ainda por explorar
O estudo sobre energia hidreleacutetrica constante do Plano Nacional de Energia 2030
(PNE) realizado pela Empresa de Pesquisa Energeacutetica (EPE) e o Ministeacuterio de
Minas e Energia (MME) em 2007 relacionou o potencial de aproveitamento ainda
existente em cada uma das bacias hidrograacuteficas do paiacutes A bacia do rio Amazonas eacute
a maior com um potencial de 106000 MW superior agrave potecircncia jaacute instalada no
Brasil em 2008 de 102000 MW A bacia do TocantinsAraguaia possui potencial de 28000 MW dos quais quase 12200 MW jaacute estatildeo aproveitados pelas usinas
5
hidreleacutetricas (UHEs) e o potencial a ser aproveitado 90 poreacutem sofrem alguma
restriccedilatildeo ambiental (EPE 2013)
Outra bacia importante eacute a Tapajoacutes Em 2008 a Aneel estudava viabilidade de trecircs
aproveitamentos no rio Teles Pires Em 2013 o potencial hidraacuteulico do Brasil foi
avaliado como tendo somente 26 de sua totalidade utilizado como indicado na Figura 1 colocando o Brasil como 8ordm paiacutes em termos de menor aproveitamento de
seu potencial hidroeleacutetrico
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE 2013)
32 Turbinas
321 Retrospectiva Desde antes de Cristo os mesopotacircmicos e egiacutepcios jaacute utilizavam as maacutequinas
motrizes hidraacuteulicas sendo que o primeiro mecanismo antecessor a turbina
hidraacuteulica foram as rodas drsquoaacutegua que movimentavam-se por meio da aacutegua que
passava por debaixo da roda
6
No seacuteculo XVIII periacuteodo que teve grande desenvolvimento da ciecircncia hidraacuteulica
Daniel Bernoulli (1700-1782) publicou os fundamentos da hidrodinacircmica onde
continha a equaccedilatildeo de equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo de energia para fluidos No mesmo seacuteculo teve-se algumas tentativas para ocorrer a transiccedilatildeo da roda hidraacuteulica para agrave
turbina
Entretanto somente no seacuteculo XIX o termo turbina apareceu por meio de Claude Burdin (1790-1873) que publicou o trabalho ldquoDas turbinas hidraacuteulicas ou maacutequinas
rotativas de grande velocidaderdquo sobre uma anaacutelise teoacuterica que dava importacircncia a
velocidade de rotaccedilatildeo (JUNIOR 2013 p8)
Por fim seu aluno Benoit Fourneyron (1802-1867) desenhou e construiu rodas que
atingiam velocidades de rotaccedilatildeo de 60 rpm ou mais e que forneciam ateacute 50 CV nas
faacutebricas metaluacutergicas francesas Assim em 1827 construiu um turbina centriacutefuga de 6 CV e 80 de rendimento a primeira turbina industrial (ALVES 2007 apud
MACINTYPE 1983)
322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas As turbinas hidraacuteulicas no geral seguem a mesma loacutegica de funcionamento O
movimento giratoacuterio provocado pelo fluxo drsquoaacutegua faz girar o rotor do gerador eleacutetrico
que estaacute acoplado na turbina fazendo com que o deslocamento do campo magneacutetico
transforme a potecircncia de eixo em potecircncia eleacutetrica
As principais condiccedilotildees para a escolha da turbina ideal satildeo a queda d`aacutegua vazatildeo e
velocidade especiacutefica A altura da queda d`aacutegua eacute medida como a distacircncia vertical
entre a superfiacutecie mais alta e mais baixa da queda deduzido de eventuais perdas tais
como o atrito do tubo A vazatildeo eacute medida pela quantidade total de aacutegua que passa
atraveacutes da turbina
Turbinas em geral podem operar atraveacutes de distintas vazotildees Entretanto a eficiecircncia
da turbina diminui quando a taxa de vazatildeo varia em comparaccedilatildeo com a taxa de
vazatildeo ideal pois com o dimensionamento errocircneo pode-se instalar uma turbina que
em sua eficiecircncia maacutexima natildeo supere o fluxo disponiacutevel quando a vazatildeo eacute maacutexima
7
Assim aleacutem dos fatores citados a anaacutelise detalhada do fluxo ao longo do tempo deve
de ser realizada para que a escolha da turbina supra as necessidades de projeto
Vale ressaltar que atualmente a eficiecircncia das turbinas estaacute em torno de 85 a 95
sem as perdas hidraacuteulicas ou mecacircnicas que possam ocorrer (APPLEGATE INC
2013 p3)
As turbinas satildeo constituiacutedas essencialmente por distribuidor a roda moacutevel ou rotor o
difusor ou tubo de succcedilatildeo e sua carcaccedila O distribuidor conduz a aacutegua agrave roda pela
direccedilatildeo correta e regula a vazatildeo O rotor eacute responsaacutevel por transformar parte da
energia hidraacuteulica em trabalho mecacircnico O difusor recupera a altura entre a saiacuteda da
roda e o niacutevel do canal de fuga e a carcaccedila desacelera o fluxo drsquoaacutegua poacutes-turbina devolvendo-a ao corpo drsquoaacutegua (JUacuteNIOR 2013 p 9)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52)
8
323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines Nas aacutereas urbanas o percentual da populaccedilatildeo com acesso agrave eletricidade eacute elevado
devido ao baixo custo de conexatildeo agrave rede Em aacutereas rurais no entanto o acesso eacute
limitado devido ao alto custo de estender a rede aos centros de baixa densidade
populacional As tecnologias de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em baixa escala satildeo capazes de fornecer a eletricidade onde a extensatildeo da rede eacute muito cara e onde ndash
tradicionalmente haacute uma precariedade de atendimento das concessionarias de
energia e os consumidores tecircm baixo consumo de energia (WILLIAMSON 2012
p43) Com a energia eleacutetrica seria possiacutevel estender as atividades produtivas
aproveitar os recursos naturais aumentar o mercado de trabalho e melhorar sua
situaccedilatildeo econocircmica cultural e social (ALVES 2007 p2)
A tecnologia Low Head Turbine eacute uma tecnologia possiacutevel de ser utilizada nestas
comunidades que vivem em lugares de difiacutecil acesso e aleacutem disso possuem recursos
locais (rios de pequeno porte eou coacuterregos) capazes para produzir sua proacutepria
energia jaacute que dependendo da quantidade de energia gerada natildeo se precisa de retenccedilatildeo de aacutegua e grandes quedas d` aacutegua
As turbinas em questatildeo somente exigem uma queda de menos de 10 metros
(normal muito menos) e um fluxo de aacutegua suficiente (ateacute 5 m3s aprox) para prover
energia adequada pois num primeiro momento estes locais apresentam baixa
demanda de energia (ateacute 500 W) em especial representadas por iluminaccedilatildeo agrave noite e um raacutedio ou televisatildeo para entretenimento
As Low Head Turbines que produzem 200 a 1000 W de potecircncia e satildeo
particularmente populares em aacutereas rurais porque satildeo usadas para gerar
eletricidade para iluminaccedilatildeoTV raacutedio ventilador de mesa refrigeraccedilatildeo alimentaccedilatildeo
de ferramentas agriacutecolas processamento de alimentos e a carga da bateria em
aacutereas rurais (LAHIMER 2012 p 5865)
Em um relatoacuterio do Banco Mundial foi comprovado que a energia hidreleacutetrica em
baixa escala no geral representou a oportunidade mais barata para a geraccedilatildeo de
energia com menos de 5 kW em 2005 e foi projetado para ser de pelo menos 25
9
mais barata do que outras alternativas ainda depois de dez anos (WILLIAMSON
2012 p43)
324 Classificaccedilatildeo das Turbinas As turbinas satildeo divididas em duas categorias de reaccedilatildeo e impulso ou accedilatildeo As turbinas de impulso a energia hidraacuteulica disponiacutevel eacute transformada em energia
cineacutetica para apoacutes incidir nas paacutes do rotor transformar-se em mecacircnica todo o
escoamento ocorre sem variaccedilatildeo de pressatildeo atmosfeacuterica com mesma pressatildeo de
entrada e saiacuteda
Jaacute as de reaccedilatildeo o rotor eacute completamente imerso na aacutegua assim no escoamento ocorre uma queda de pressatildeo e de velocidade entre a entrada e a saiacuteda do rotor A
pressatildeo de saiacuteda eacute inferior agrave entrada e em funccedilatildeo disso satildeo normalmente utilizadas
para meacutedias e baixas quedas
Em baixas velocidades de operaccedilatildeo a eficiecircncia das turbinas de reaccedilatildeo eacute normalmente maior do que as de turbina de impulso Na categoria das turbinas de
reaccedilatildeo ainda tem-se uma subdivisatildeo entre turbinas de escoamento radiais e turbinas
de escoamento axiais No qual as radiais o fluxo eacute perpendicular ao eixo de rotaccedilatildeo
enquanto as axiais o fluxo eacute aproximadamente paralelo ao eixo de rotaccedilatildeo (JUNIOR
2003 p 11)
Tradicionalmente o uso de turbinas hidraacuteulicas tem-se concentrado no tipo Pelton
com um ou mais jatos no caso das maacutequinas de impulso na Francis Heacutelice e
Kaplan no caso do tipo de reaccedilatildeo (SANTOS 2010 p 31)
3241 De Impulso Turbina Pelton eacute utilizada em altas quedas e velocidade de rotaccedilatildeo mais baixa
Alturas superiores a 150 metros podendo chegar ateacute 2000 metros (EISENRING
1991) Com eixo horizontal para o caso de um ou dois jatos e eixo vertical para um
nuacutemero de jatos de trecircs a seis satildeo alcanccediladas potecircncias que podem chegar mais de
10
100 MW por unidade e quedas da ordem de 1900 metros Geralmente a turbina
Pelton possui alta eficiecircncia entre 70-90 NATIONAL RENEWABLE ENERGY
LABORATORY 2011)
Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
A turbina de fluxo cruzado eacute outra turbina que possui destaque nas classificadas
como de impulso Esse tipo de turbina eacute mais utilizado em altas vazotildees e baixas
quedas d`aacutegua do que as turbinas de Pelton e Turgo (GHOSH 2011) A eficiecircncia de
uma turbina de fluxo cruzado depende de seus paracircmetros geomeacutetricos como o
nuacutemero de laminas diacircmetro do rotor arco de entrada do bico e acircngulo de ataque
Turbina Turgo eacute uma maacutequina de impulso similar a turbina Pelton A eficaacutecia na transmissatildeo de energia a partir do jato de aacutegua para o gerador de turbina Turgo depende da velocidade de eixo Assim Cobb e Shar em Impulse (Turgo and Pelton)
turbine performance characteristics and their impact on pico-hydro installations 2007
realizaram um estudo e constaram que o pico de eficiecircncia pode ser conseguido em
uma proporccedilatildeo de baixa velocidade
11
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
3242 De Reaccedilatildeo A turbina Francis escoamento radial eacute a mais usada em grandes usinas hidreleacutetricas
No Brasil a usina hidreleacutetrica mais conhecida Itaipu utiliza este tipo de turbina E de acordo com os dados oficiais da Usina tem-se uma queda liacutequida de projeto de 1184
metros vazatildeo nominal de 690 m3s e uma potecircncia nominal de 715MW Suas
caracteriacutesticas hidraacuteulicas especiais permitem fabricar unidades compactas de alta
velocidade ateacute as potecircncias mais elevadas Para valores inferiores da queda utilizam-
se turbinas de caixa aberta Ela pode ser usada para grandes meacutedias ou pequenas
hidreleacutetricas com quedas entre 1 metro e 900 metros Elbatran et al concluiu que a eficaacutecia de uma turbina Francis depende principalmente do desenvolvimento do seu
voacutertice helicoidal
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
12
O uacuteltimo tipo de turbina de reaccedilatildeo escoamento axial abrange subcategorias em sua
abrangecircncia As turbinas cujas as paacutes do rotor satildeo fixas conhecidas como turbinas
HelicePropeller e as com paacutes do rotor ajustaacuteveis tendo como turbina de referecircncia Kaplan Suas semelhanccedilas satildeo possuir baixa velocidade entre 70 e 350 rpm e
serem utilizadas em baixa queda (ANEEL 2002 p25) Outros tipos de maacutequinas
axiais satildeo as turbinas Tubulares Bulbo e Straflo
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
As mais utilizadas satildeo a de tipo HeacutelicePropeller e Kaplan A turbina Heacutelice veio da
necessidade da obtenccedilatildeo de turbinas com velocidades consideraacuteveis em baixas
quedas e grandes descargas que teve origem em 1908 (RAMOS 2008 Cap8)
Tambeacutem aliam caracteriacutesticas de serem simples e de baixo custo Elas consistem de basicamente de um rotor similar a heacutelice de navio ajustada internamente na
continuaccedilatildeo de um conduto com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a
tubulaccedilatildeo muda de direccedilatildeo (JUNIOR 2011 p15)
Jaacute a turbina Kaplan satildeo adaptadas a baixa altura topograacutefica e grandes descargas
As paacutes satildeo moacuteveis que permitem variar o seu acircngulo de ataque com um mecanismo de orientaccedilatildeo que eacute controlado pelo regulador da turbina isso faz com que a
inclinaccedilatildeo das paacutes se ajuste conforme a variaccedilatildeo da descarga e potecircncia sem
apreciaacutevel variaccedilatildeo do rendimento (GUEDES1994 p 6) A usina hidreleacutetrica de Trecircs
Marias funciona com turbina Kaplan por exemplo
13
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo Turbinas de impulso como o Turgo Pelton e turbinas de Fluxo Cruzado tecircm muitas
vantagens Elas tecircm uma eficiecircncia maior especialmente em condiccedilotildees de fluxo
parcial o que pode fornecer mais do que 90 de eficaacutecia A eficiecircncia tambeacutem eacute
passiacutevel de se manter em valores elevados mesmo variando-se as condiccedilotildees de
trabalho (ex vazatildeo variaacutevel) Satildeo faacuteceis de manter e fabricar os eixos natildeo
necessitam de qualquer selo de pressatildeo tendo uma maior toleracircncia a areia e outras partiacuteculas em aacutegua com pouco efeito sobre o desempenho das turbinas Aleacutem disso
a turbina Pelton e Turgo tecircm projetos simples e satildeo rentaacuteveis em escalas de micro
hidreleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 46)
Contudo a Turgo e Pelton em locais de baixa queda natildeo se mostram rentaacuteveis
14
quando leva-se em conta suas caracteriacutesticas de desempenho e anaacutelise de custo ao
contraacuterio da turbina de Fluxo Cruzado que eacute mais adequado para aplicaccedilotildees de baixa
queda porque a sua eficiecircncia depende basicamente da vazatildeo e os outros dois tipos natildeo Turbinas de impulso tambeacutem tem velocidade especiacutefica menor o que seria
necessaacuterio a instalaccedilatildeo de um sistema que aumentasse a velocidade da aacutegua
(ELBATRAN 2014 p 46)
As de reaccedilatildeo satildeo mais apropriadas para condiccedilotildees de baixa queda por possuiacuterem
maiores velocidades especiacuteficas jaacute que as turbinas estatildeo conectadas diretamente ao
alternador sem a necessidade do sistema de transmissatildeo Consequentemente o
custo de remoccedilatildeo do sistema de acionamento eacute significativamente baixo Estas
turbinas podem tambeacutem ser utilizadas em diferentes quedas a turbina Francis eacute
apropriada para o meacutedias a altas quedas enquanto a Propeller e BFT satildeo mais
adequados para as quedas menores (ELBATRAN 2014 p 46) FONTE
Por outro lado a implantaccedilatildeo de turbinas de reaccedilatildeo eacute mais complicada do que as
turbinas de impulso porque requerem a utilizaccedilatildeo de lacircminas de revestimento isto
pode causar o aumento no custo do orccedilamento inicial Portanto o uso de turbinas de
reaccedilatildeo nos esquemas de micro hidreleacutetricas eacute menos atraente especialmente em
aacutereas com populaccedilatildeo de baixa renda No entanto BFT e Propeller hoje em dia foram melhoradas para serem utilizadas em instalaccedilotildees de micro hidreleacutetricas mas com a
condiccedilatildeo de que os ambientes tenham queda e vazatildeo regulares (ELBATRAN 2014
p46)
Natildeo obstante haacute uma seacuterie de soluccedilotildees em relaccedilatildeo a este assunto tais como
condutas forccediladas de baixo custo tipo de desenvolvimento das turbinas e gerador de
induccedilatildeo tudo para eliminar o custo total dos sistemas e tornaacute-los mais acessiacuteveis nas
aplicaccedilotildees em zonas remotas e montanhosas A reduccedilatildeo do custo da turbina eacute a
maneira mais eficaz de reduzir o orccedilamento inicial de projeto pois eacute a parte mais
onerosa no sistema
Uma seacuterie de opccedilotildees de configuraccedilatildeo de turbina tecircm sido propostas para reduzir o custo do conjunto de microturbinas Bomba centrifuga funcionando como turbina
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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DATE Abhijit AKBARZADEH Aliakbar Design and cost analysis of low head simple reaction hydro turbine for remote area power supply 2008 Renewable
Energy Volume 34 (Agosto de 2008) Paacuteginas 409-415
LOOTS I VAN DIJK M BARTA B VAN VUUREN SJ BHAGWAN JN A review of low head hydropower technologies and applications in a South African context 2015 Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 50
(Junho de 2015) Paacuteginas 1254-1268
GUITARRARA Gabriel Bozzola Estimativa de vazatildeo para a implantaccedilatildeo de micro-centrais hidreleacutetricas com utilizaccedilatildeo do SIG 2012 44f Trabalho de
Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo
Paulo Satildeo Carlos 2012 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
ALEXANDER KV GIDDENS EP Microhydro Cost-effective modular systems for low heads 2007 Renewable Energy Volume 33 (2008) Paacuteginas 1379-1391
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Radial- and mixed-flow
turbines for low head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume
34 (2009) Paacuteginas 1885-1894
52
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Axial-flow turbines for low
head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume 34 (2009)
Paacuteginas 35-47
ALVES Gilberto Manoel Avaliaccedilatildeo da viabilidade de implantaccedilatildeo de uma microcentral hidreleacutetrica para atender consumidores localizados em regiotildees isoladas 2007 156 Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Doutorado em Agronomia) ndash
Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
XV
SUMAacuteRIO 1 INTRODUCcedilAtildeO 1 2 OBJETIVO 3 3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA 4
31 Energia Hidreleacutetrica 4 32 Turbinas 5
321 Retrospectiva 5 322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas 6 323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines 8 324 Classificaccedilatildeo das Turbinas 9
3241 De Impulso 9 3242 De Reaccedilatildeo 11
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo 13 33 Geradores 15
4 MATERIAL E MEacuteTODO 17 41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 17 42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis 17 43 Elementos constituintes preferenciais 18 44 Analise de rendimento e funcionalidade 19 45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 20
5 RESULTADOS 21 51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia 21 52 Normas aplicaacuteveis 23
521 Normas de Maior Relevacircncia 26 53 Elementos constituintes preferenciais 28
531 Heacutelice ou Propeller 28 5311 Fornecedores 30
532 Gerador 33 54 Analise de rendimento e funcionalidade 38 55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo 40
6 DISCUSSOtildeES 42 7 CONCLUSAtildeO 44 8 BIBLIOGRAFIA 46 9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016 53
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
A eletricidade se tornou a principal fonte de luz calor e forccedila utilizada no mundo
moderno Atividades cotidianas como assistir agrave televisatildeo ou navegar na internet satildeo
possiacuteveis porque a energia eleacutetrica chega ateacute a sua casa Shoppings supermercados
e fabricas por exemplo precisam dela para funcionar Grande parte dos avanccedilos
tecnoloacutegicos alcanccedilados se deve agrave energia eleacutetrica
Ao contraacuterio de outras fontes de energia eleacutetrica a energia hidraacuteulica jaacute possui uma
presenccedila relevante na matriz energeacutetica mundial e aleacutem de possuir tecnologias
consolidadas sendo a segunda maior fonte de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no
mundo com uma participaccedilatildeo de aproximadamente 18 (Atlas Energia Eleacutetrica no
Brasil ANEEL 2002 p25)
Em termos absolutos os cinco maiores produtores de energia hidreleacutetrica no mundo
satildeo China Canadaacute Brasil Estados Unidos e Ruacutessia Em 2001 esses paiacuteses foram
responsaacuteveis por quase 50 de toda a produccedilatildeo mundial de energia hidreleacutetrica
(AIE 2008)
Especificamente o Brasil deteacutem aproximadamente 12 da aacutegua doce superficial do
planeta e condiccedilotildees adequadas para exploraccedilatildeo Com um potencial hidreleacutetrico de
260 GW segundo o Plano 2015 da Eletrobraacutes - segundo uacuteltimo inventaacuterio produzido
no paiacutes em 1992 ndash ainda existe um grande espaccedilo para crescer entretanto as
usinas hidreleacutetricas causam grande impacto ambiental devido agrave aacuterea alagada represada pela barragem causando tambeacutem a perda de solos agricultaacuteveis
florestas fauna e a retirada de populaccedilotildees ribeirinhas
De acordo com a Agecircncia Internacional de Energia (AIE) cerca de 13 bilhatildeo de
pessoas 18 da populaccedilatildeo mundial ainda natildeo tecircm acesso agrave eletricidade Este
nuacutemero poderaacute dobrar no futuro a natildeo ser que se tenha uma soluccedilatildeo eficaz e que seja adaptaacutevel particularmente para paiacuteses perifeacutericos Soluccedilotildees como a Low Head
Turbine (Turbinas de Pequena Queda) estatildeo tornando-se uma perspectiva atraente
2
para satisfazer as necessidades baacutesicas de eletricidade de comunidades remotas
(LAHIMER 2012 p 5862)
Este meacutetodo de produccedilatildeo de energia eleacutetrica jaacute presente em alguns lugares do mundo poreacutem ainda natildeo implantado no Brasil O conceito de Low Head Turbine jaacute eacute
utilizado em paiacuteses como Camarotildees China Colocircmbia Filipinas Indoneacutesia Nepal
Sri Lanka e Vietnatilde (LAHIMER 2012) Um sistema de geraccedilatildeo de energia que natildeo
necessita grandes quedas d`aacuteguas nem intervenccedilotildees draacutesticas aleacutem de ter um custo
acessiacutevel
Aleacutem disso a produccedilatildeo de energia eleacutetrica em pequena escala eacute uma das
tecnologias de energia mais rentaacuteveis a ser considerado para a eletrificaccedilatildeo rural
nos paiacuteses menos desenvolvidos Eacute tambeacutem uma tecnologia chave para regiotildees que
jaacute possuem domiacutenio da produccedilatildeo de energia hidreleacutetrica poreacutem natildeo possuem mais espaccedilo geograacutefico para implantar uma hidreleacutetrica de grande porte ou os locais de
possiacutevel alocaccedilatildeo satildeo inviaacuteveis ambientalmente (PAISH 2002 p537) Provando ser
uma boa opccedilatildeo para distintas utilizaccedilotildees
Neste sentido se pergunta por que esta tecnologia ainda natildeo estaacute presente no
Brasil e se esta viesse a ser desenvolvida quais seriam as condicionantes para o seu projeto e ou fabricaccedilatildeo
Entende-se que um equipamento nacional deveraacute atender agraves normas teacutecnicas
brasileiras assim como deveraacute ndash tanto quanto possiacutevel ndash fazer uso de peccedilas e
equipamentos jaacute disponiacuteveis no mercado brasileiro numa oacutetica de reduccedilatildeo de custos
e busca de parcerias para a sua disseminaccedilatildeo
Este vem a ser o foco do presente trabalho o levantamento destas condicionantes para o projeto e desenvolvimento destas Turbinas de Pequena Queda ou Low Head
Turbine no Brasil
3
2 OBJETIVO
Com base em um projeto tiacutepico de turbina de impulso para baixo valor de queda drsquoaacutegua - Low Head Turbine (Turbina de Pequena Queda) - avaliar quais as normas
brasileiras aplicaacuteveis e qual o melhor entendimento destas para a adequaccedilatildeo dos
padrotildees internacionais para a realidade brasileira assim como identificar elementos
que poderiam ser norteadores no projeto deste tipo de equipamento no Brasil
Para que este objetivo seja atingido eacute necessaacuterio materializar objetivos parciais
1 Identificar as Normas Brasileiras aplicaacuteveis
2 Definir os elementos constituintes do sistema e sua disponibilidade no
mercado brasileiro
3 Com base em uma localizaccedilatildeo tiacutepica analisar seu rendimento e
funcionalidade
4 Finalizar avaliando a viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head
Turbine no Brasil
4
3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
31 Energia Hidreleacutetrica No Brasil a utilizaccedilatildeo de energia hidreleacutetrica no Brasil teve iniacutecio em 1883 com a
instalaccedilatildeo da usina de Ribeiratildeo do Inferno em Diamantina (MG) Jaacute em 1889 entrou
em operaccedilatildeo a usina de Marmelos Zero ndash instalada no rio Paraibuna a 7 km de Juiz
de Fora (MG) ndash foi a primeira com a finalidade de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para o
uso puacuteblico com 250 kW de potecircncia instalada (CACHAPUZ 2006 p15)
A primeira hidreleacutetrica de maior porte comeccedilou a ser construiacuteda no Nordeste (Paulo
Afonso I com potecircncia de 180 MW) pela Companhia Hidreleacutetrica do Satildeo Francisco
(estatal constituiacuteda em 1948) As demais erguidas ao longo dos 60 anos seguintes
concentraram-se nas regiotildees Sul Sudeste e Nordeste (com o aproveitamento
integral do rio Satildeo Francisco) No Norte foram construiacutedas Tucuruiacute no Paraacute e Balbina no Amazonas Nos anos 90 a Usina Serra da Mesa (GO) no rio Tocantins
(Atlas Energia Eleacutetrica no Brasil ANEEL 2008 p57) Todas as construiacutedas ateacute o
momento possuindo capacidade eleacutetrica entre 3984 MW a 8370 MW de acordo
com dados fornecidos pelo Governo Federal Brasileiro
Pacheco (2013 apud TUNDISI 2005) constatou que potencial hidreleacutetrico brasileiro
eacute estimado em cerca de 260 GW dos quais 405 estatildeo localizados na Bacia
Hidrograacutefica do Amazonas a Bacia do Paranaacute responde por 23 a do Tocantins
por 106 e a do Satildeo Francisco por 10 Apenas 63 do potencial foi inventariado
e a Regiatildeo Norte tem um grande potencial ainda por explorar
O estudo sobre energia hidreleacutetrica constante do Plano Nacional de Energia 2030
(PNE) realizado pela Empresa de Pesquisa Energeacutetica (EPE) e o Ministeacuterio de
Minas e Energia (MME) em 2007 relacionou o potencial de aproveitamento ainda
existente em cada uma das bacias hidrograacuteficas do paiacutes A bacia do rio Amazonas eacute
a maior com um potencial de 106000 MW superior agrave potecircncia jaacute instalada no
Brasil em 2008 de 102000 MW A bacia do TocantinsAraguaia possui potencial de 28000 MW dos quais quase 12200 MW jaacute estatildeo aproveitados pelas usinas
5
hidreleacutetricas (UHEs) e o potencial a ser aproveitado 90 poreacutem sofrem alguma
restriccedilatildeo ambiental (EPE 2013)
Outra bacia importante eacute a Tapajoacutes Em 2008 a Aneel estudava viabilidade de trecircs
aproveitamentos no rio Teles Pires Em 2013 o potencial hidraacuteulico do Brasil foi
avaliado como tendo somente 26 de sua totalidade utilizado como indicado na Figura 1 colocando o Brasil como 8ordm paiacutes em termos de menor aproveitamento de
seu potencial hidroeleacutetrico
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE 2013)
32 Turbinas
321 Retrospectiva Desde antes de Cristo os mesopotacircmicos e egiacutepcios jaacute utilizavam as maacutequinas
motrizes hidraacuteulicas sendo que o primeiro mecanismo antecessor a turbina
hidraacuteulica foram as rodas drsquoaacutegua que movimentavam-se por meio da aacutegua que
passava por debaixo da roda
6
No seacuteculo XVIII periacuteodo que teve grande desenvolvimento da ciecircncia hidraacuteulica
Daniel Bernoulli (1700-1782) publicou os fundamentos da hidrodinacircmica onde
continha a equaccedilatildeo de equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo de energia para fluidos No mesmo seacuteculo teve-se algumas tentativas para ocorrer a transiccedilatildeo da roda hidraacuteulica para agrave
turbina
Entretanto somente no seacuteculo XIX o termo turbina apareceu por meio de Claude Burdin (1790-1873) que publicou o trabalho ldquoDas turbinas hidraacuteulicas ou maacutequinas
rotativas de grande velocidaderdquo sobre uma anaacutelise teoacuterica que dava importacircncia a
velocidade de rotaccedilatildeo (JUNIOR 2013 p8)
Por fim seu aluno Benoit Fourneyron (1802-1867) desenhou e construiu rodas que
atingiam velocidades de rotaccedilatildeo de 60 rpm ou mais e que forneciam ateacute 50 CV nas
faacutebricas metaluacutergicas francesas Assim em 1827 construiu um turbina centriacutefuga de 6 CV e 80 de rendimento a primeira turbina industrial (ALVES 2007 apud
MACINTYPE 1983)
322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas As turbinas hidraacuteulicas no geral seguem a mesma loacutegica de funcionamento O
movimento giratoacuterio provocado pelo fluxo drsquoaacutegua faz girar o rotor do gerador eleacutetrico
que estaacute acoplado na turbina fazendo com que o deslocamento do campo magneacutetico
transforme a potecircncia de eixo em potecircncia eleacutetrica
As principais condiccedilotildees para a escolha da turbina ideal satildeo a queda d`aacutegua vazatildeo e
velocidade especiacutefica A altura da queda d`aacutegua eacute medida como a distacircncia vertical
entre a superfiacutecie mais alta e mais baixa da queda deduzido de eventuais perdas tais
como o atrito do tubo A vazatildeo eacute medida pela quantidade total de aacutegua que passa
atraveacutes da turbina
Turbinas em geral podem operar atraveacutes de distintas vazotildees Entretanto a eficiecircncia
da turbina diminui quando a taxa de vazatildeo varia em comparaccedilatildeo com a taxa de
vazatildeo ideal pois com o dimensionamento errocircneo pode-se instalar uma turbina que
em sua eficiecircncia maacutexima natildeo supere o fluxo disponiacutevel quando a vazatildeo eacute maacutexima
7
Assim aleacutem dos fatores citados a anaacutelise detalhada do fluxo ao longo do tempo deve
de ser realizada para que a escolha da turbina supra as necessidades de projeto
Vale ressaltar que atualmente a eficiecircncia das turbinas estaacute em torno de 85 a 95
sem as perdas hidraacuteulicas ou mecacircnicas que possam ocorrer (APPLEGATE INC
2013 p3)
As turbinas satildeo constituiacutedas essencialmente por distribuidor a roda moacutevel ou rotor o
difusor ou tubo de succcedilatildeo e sua carcaccedila O distribuidor conduz a aacutegua agrave roda pela
direccedilatildeo correta e regula a vazatildeo O rotor eacute responsaacutevel por transformar parte da
energia hidraacuteulica em trabalho mecacircnico O difusor recupera a altura entre a saiacuteda da
roda e o niacutevel do canal de fuga e a carcaccedila desacelera o fluxo drsquoaacutegua poacutes-turbina devolvendo-a ao corpo drsquoaacutegua (JUacuteNIOR 2013 p 9)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52)
8
323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines Nas aacutereas urbanas o percentual da populaccedilatildeo com acesso agrave eletricidade eacute elevado
devido ao baixo custo de conexatildeo agrave rede Em aacutereas rurais no entanto o acesso eacute
limitado devido ao alto custo de estender a rede aos centros de baixa densidade
populacional As tecnologias de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em baixa escala satildeo capazes de fornecer a eletricidade onde a extensatildeo da rede eacute muito cara e onde ndash
tradicionalmente haacute uma precariedade de atendimento das concessionarias de
energia e os consumidores tecircm baixo consumo de energia (WILLIAMSON 2012
p43) Com a energia eleacutetrica seria possiacutevel estender as atividades produtivas
aproveitar os recursos naturais aumentar o mercado de trabalho e melhorar sua
situaccedilatildeo econocircmica cultural e social (ALVES 2007 p2)
A tecnologia Low Head Turbine eacute uma tecnologia possiacutevel de ser utilizada nestas
comunidades que vivem em lugares de difiacutecil acesso e aleacutem disso possuem recursos
locais (rios de pequeno porte eou coacuterregos) capazes para produzir sua proacutepria
energia jaacute que dependendo da quantidade de energia gerada natildeo se precisa de retenccedilatildeo de aacutegua e grandes quedas d` aacutegua
As turbinas em questatildeo somente exigem uma queda de menos de 10 metros
(normal muito menos) e um fluxo de aacutegua suficiente (ateacute 5 m3s aprox) para prover
energia adequada pois num primeiro momento estes locais apresentam baixa
demanda de energia (ateacute 500 W) em especial representadas por iluminaccedilatildeo agrave noite e um raacutedio ou televisatildeo para entretenimento
As Low Head Turbines que produzem 200 a 1000 W de potecircncia e satildeo
particularmente populares em aacutereas rurais porque satildeo usadas para gerar
eletricidade para iluminaccedilatildeoTV raacutedio ventilador de mesa refrigeraccedilatildeo alimentaccedilatildeo
de ferramentas agriacutecolas processamento de alimentos e a carga da bateria em
aacutereas rurais (LAHIMER 2012 p 5865)
Em um relatoacuterio do Banco Mundial foi comprovado que a energia hidreleacutetrica em
baixa escala no geral representou a oportunidade mais barata para a geraccedilatildeo de
energia com menos de 5 kW em 2005 e foi projetado para ser de pelo menos 25
9
mais barata do que outras alternativas ainda depois de dez anos (WILLIAMSON
2012 p43)
324 Classificaccedilatildeo das Turbinas As turbinas satildeo divididas em duas categorias de reaccedilatildeo e impulso ou accedilatildeo As turbinas de impulso a energia hidraacuteulica disponiacutevel eacute transformada em energia
cineacutetica para apoacutes incidir nas paacutes do rotor transformar-se em mecacircnica todo o
escoamento ocorre sem variaccedilatildeo de pressatildeo atmosfeacuterica com mesma pressatildeo de
entrada e saiacuteda
Jaacute as de reaccedilatildeo o rotor eacute completamente imerso na aacutegua assim no escoamento ocorre uma queda de pressatildeo e de velocidade entre a entrada e a saiacuteda do rotor A
pressatildeo de saiacuteda eacute inferior agrave entrada e em funccedilatildeo disso satildeo normalmente utilizadas
para meacutedias e baixas quedas
Em baixas velocidades de operaccedilatildeo a eficiecircncia das turbinas de reaccedilatildeo eacute normalmente maior do que as de turbina de impulso Na categoria das turbinas de
reaccedilatildeo ainda tem-se uma subdivisatildeo entre turbinas de escoamento radiais e turbinas
de escoamento axiais No qual as radiais o fluxo eacute perpendicular ao eixo de rotaccedilatildeo
enquanto as axiais o fluxo eacute aproximadamente paralelo ao eixo de rotaccedilatildeo (JUNIOR
2003 p 11)
Tradicionalmente o uso de turbinas hidraacuteulicas tem-se concentrado no tipo Pelton
com um ou mais jatos no caso das maacutequinas de impulso na Francis Heacutelice e
Kaplan no caso do tipo de reaccedilatildeo (SANTOS 2010 p 31)
3241 De Impulso Turbina Pelton eacute utilizada em altas quedas e velocidade de rotaccedilatildeo mais baixa
Alturas superiores a 150 metros podendo chegar ateacute 2000 metros (EISENRING
1991) Com eixo horizontal para o caso de um ou dois jatos e eixo vertical para um
nuacutemero de jatos de trecircs a seis satildeo alcanccediladas potecircncias que podem chegar mais de
10
100 MW por unidade e quedas da ordem de 1900 metros Geralmente a turbina
Pelton possui alta eficiecircncia entre 70-90 NATIONAL RENEWABLE ENERGY
LABORATORY 2011)
Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
A turbina de fluxo cruzado eacute outra turbina que possui destaque nas classificadas
como de impulso Esse tipo de turbina eacute mais utilizado em altas vazotildees e baixas
quedas d`aacutegua do que as turbinas de Pelton e Turgo (GHOSH 2011) A eficiecircncia de
uma turbina de fluxo cruzado depende de seus paracircmetros geomeacutetricos como o
nuacutemero de laminas diacircmetro do rotor arco de entrada do bico e acircngulo de ataque
Turbina Turgo eacute uma maacutequina de impulso similar a turbina Pelton A eficaacutecia na transmissatildeo de energia a partir do jato de aacutegua para o gerador de turbina Turgo depende da velocidade de eixo Assim Cobb e Shar em Impulse (Turgo and Pelton)
turbine performance characteristics and their impact on pico-hydro installations 2007
realizaram um estudo e constaram que o pico de eficiecircncia pode ser conseguido em
uma proporccedilatildeo de baixa velocidade
11
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
3242 De Reaccedilatildeo A turbina Francis escoamento radial eacute a mais usada em grandes usinas hidreleacutetricas
No Brasil a usina hidreleacutetrica mais conhecida Itaipu utiliza este tipo de turbina E de acordo com os dados oficiais da Usina tem-se uma queda liacutequida de projeto de 1184
metros vazatildeo nominal de 690 m3s e uma potecircncia nominal de 715MW Suas
caracteriacutesticas hidraacuteulicas especiais permitem fabricar unidades compactas de alta
velocidade ateacute as potecircncias mais elevadas Para valores inferiores da queda utilizam-
se turbinas de caixa aberta Ela pode ser usada para grandes meacutedias ou pequenas
hidreleacutetricas com quedas entre 1 metro e 900 metros Elbatran et al concluiu que a eficaacutecia de uma turbina Francis depende principalmente do desenvolvimento do seu
voacutertice helicoidal
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
12
O uacuteltimo tipo de turbina de reaccedilatildeo escoamento axial abrange subcategorias em sua
abrangecircncia As turbinas cujas as paacutes do rotor satildeo fixas conhecidas como turbinas
HelicePropeller e as com paacutes do rotor ajustaacuteveis tendo como turbina de referecircncia Kaplan Suas semelhanccedilas satildeo possuir baixa velocidade entre 70 e 350 rpm e
serem utilizadas em baixa queda (ANEEL 2002 p25) Outros tipos de maacutequinas
axiais satildeo as turbinas Tubulares Bulbo e Straflo
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
As mais utilizadas satildeo a de tipo HeacutelicePropeller e Kaplan A turbina Heacutelice veio da
necessidade da obtenccedilatildeo de turbinas com velocidades consideraacuteveis em baixas
quedas e grandes descargas que teve origem em 1908 (RAMOS 2008 Cap8)
Tambeacutem aliam caracteriacutesticas de serem simples e de baixo custo Elas consistem de basicamente de um rotor similar a heacutelice de navio ajustada internamente na
continuaccedilatildeo de um conduto com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a
tubulaccedilatildeo muda de direccedilatildeo (JUNIOR 2011 p15)
Jaacute a turbina Kaplan satildeo adaptadas a baixa altura topograacutefica e grandes descargas
As paacutes satildeo moacuteveis que permitem variar o seu acircngulo de ataque com um mecanismo de orientaccedilatildeo que eacute controlado pelo regulador da turbina isso faz com que a
inclinaccedilatildeo das paacutes se ajuste conforme a variaccedilatildeo da descarga e potecircncia sem
apreciaacutevel variaccedilatildeo do rendimento (GUEDES1994 p 6) A usina hidreleacutetrica de Trecircs
Marias funciona com turbina Kaplan por exemplo
13
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo Turbinas de impulso como o Turgo Pelton e turbinas de Fluxo Cruzado tecircm muitas
vantagens Elas tecircm uma eficiecircncia maior especialmente em condiccedilotildees de fluxo
parcial o que pode fornecer mais do que 90 de eficaacutecia A eficiecircncia tambeacutem eacute
passiacutevel de se manter em valores elevados mesmo variando-se as condiccedilotildees de
trabalho (ex vazatildeo variaacutevel) Satildeo faacuteceis de manter e fabricar os eixos natildeo
necessitam de qualquer selo de pressatildeo tendo uma maior toleracircncia a areia e outras partiacuteculas em aacutegua com pouco efeito sobre o desempenho das turbinas Aleacutem disso
a turbina Pelton e Turgo tecircm projetos simples e satildeo rentaacuteveis em escalas de micro
hidreleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 46)
Contudo a Turgo e Pelton em locais de baixa queda natildeo se mostram rentaacuteveis
14
quando leva-se em conta suas caracteriacutesticas de desempenho e anaacutelise de custo ao
contraacuterio da turbina de Fluxo Cruzado que eacute mais adequado para aplicaccedilotildees de baixa
queda porque a sua eficiecircncia depende basicamente da vazatildeo e os outros dois tipos natildeo Turbinas de impulso tambeacutem tem velocidade especiacutefica menor o que seria
necessaacuterio a instalaccedilatildeo de um sistema que aumentasse a velocidade da aacutegua
(ELBATRAN 2014 p 46)
As de reaccedilatildeo satildeo mais apropriadas para condiccedilotildees de baixa queda por possuiacuterem
maiores velocidades especiacuteficas jaacute que as turbinas estatildeo conectadas diretamente ao
alternador sem a necessidade do sistema de transmissatildeo Consequentemente o
custo de remoccedilatildeo do sistema de acionamento eacute significativamente baixo Estas
turbinas podem tambeacutem ser utilizadas em diferentes quedas a turbina Francis eacute
apropriada para o meacutedias a altas quedas enquanto a Propeller e BFT satildeo mais
adequados para as quedas menores (ELBATRAN 2014 p 46) FONTE
Por outro lado a implantaccedilatildeo de turbinas de reaccedilatildeo eacute mais complicada do que as
turbinas de impulso porque requerem a utilizaccedilatildeo de lacircminas de revestimento isto
pode causar o aumento no custo do orccedilamento inicial Portanto o uso de turbinas de
reaccedilatildeo nos esquemas de micro hidreleacutetricas eacute menos atraente especialmente em
aacutereas com populaccedilatildeo de baixa renda No entanto BFT e Propeller hoje em dia foram melhoradas para serem utilizadas em instalaccedilotildees de micro hidreleacutetricas mas com a
condiccedilatildeo de que os ambientes tenham queda e vazatildeo regulares (ELBATRAN 2014
p46)
Natildeo obstante haacute uma seacuterie de soluccedilotildees em relaccedilatildeo a este assunto tais como
condutas forccediladas de baixo custo tipo de desenvolvimento das turbinas e gerador de
induccedilatildeo tudo para eliminar o custo total dos sistemas e tornaacute-los mais acessiacuteveis nas
aplicaccedilotildees em zonas remotas e montanhosas A reduccedilatildeo do custo da turbina eacute a
maneira mais eficaz de reduzir o orccedilamento inicial de projeto pois eacute a parte mais
onerosa no sistema
Uma seacuterie de opccedilotildees de configuraccedilatildeo de turbina tecircm sido propostas para reduzir o custo do conjunto de microturbinas Bomba centrifuga funcionando como turbina
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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MAIA Thales Alexandre Carvalho Projeto e Construccedilatildeo de um Gerador a Iacutematildes Permanentes de Fluxo Axial para Turbina Eoacutelica de Pequena Potecircncia 2011
197f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em Engenharia Eleacutetrica) ndash
Universidade Federal de Minas Gerais Belo Horizonte 2011 [Orientador Prof
Selecircnio Rocha Silva
DATE Abhijit AKBARZADEH Aliakbar Design and cost analysis of low head simple reaction hydro turbine for remote area power supply 2008 Renewable
Energy Volume 34 (Agosto de 2008) Paacuteginas 409-415
LOOTS I VAN DIJK M BARTA B VAN VUUREN SJ BHAGWAN JN A review of low head hydropower technologies and applications in a South African context 2015 Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 50
(Junho de 2015) Paacuteginas 1254-1268
GUITARRARA Gabriel Bozzola Estimativa de vazatildeo para a implantaccedilatildeo de micro-centrais hidreleacutetricas com utilizaccedilatildeo do SIG 2012 44f Trabalho de
Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo
Paulo Satildeo Carlos 2012 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
ALEXANDER KV GIDDENS EP Microhydro Cost-effective modular systems for low heads 2007 Renewable Energy Volume 33 (2008) Paacuteginas 1379-1391
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Radial- and mixed-flow
turbines for low head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume
34 (2009) Paacuteginas 1885-1894
52
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Axial-flow turbines for low
head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume 34 (2009)
Paacuteginas 35-47
ALVES Gilberto Manoel Avaliaccedilatildeo da viabilidade de implantaccedilatildeo de uma microcentral hidreleacutetrica para atender consumidores localizados em regiotildees isoladas 2007 156 Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Doutorado em Agronomia) ndash
Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
A eletricidade se tornou a principal fonte de luz calor e forccedila utilizada no mundo
moderno Atividades cotidianas como assistir agrave televisatildeo ou navegar na internet satildeo
possiacuteveis porque a energia eleacutetrica chega ateacute a sua casa Shoppings supermercados
e fabricas por exemplo precisam dela para funcionar Grande parte dos avanccedilos
tecnoloacutegicos alcanccedilados se deve agrave energia eleacutetrica
Ao contraacuterio de outras fontes de energia eleacutetrica a energia hidraacuteulica jaacute possui uma
presenccedila relevante na matriz energeacutetica mundial e aleacutem de possuir tecnologias
consolidadas sendo a segunda maior fonte de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no
mundo com uma participaccedilatildeo de aproximadamente 18 (Atlas Energia Eleacutetrica no
Brasil ANEEL 2002 p25)
Em termos absolutos os cinco maiores produtores de energia hidreleacutetrica no mundo
satildeo China Canadaacute Brasil Estados Unidos e Ruacutessia Em 2001 esses paiacuteses foram
responsaacuteveis por quase 50 de toda a produccedilatildeo mundial de energia hidreleacutetrica
(AIE 2008)
Especificamente o Brasil deteacutem aproximadamente 12 da aacutegua doce superficial do
planeta e condiccedilotildees adequadas para exploraccedilatildeo Com um potencial hidreleacutetrico de
260 GW segundo o Plano 2015 da Eletrobraacutes - segundo uacuteltimo inventaacuterio produzido
no paiacutes em 1992 ndash ainda existe um grande espaccedilo para crescer entretanto as
usinas hidreleacutetricas causam grande impacto ambiental devido agrave aacuterea alagada represada pela barragem causando tambeacutem a perda de solos agricultaacuteveis
florestas fauna e a retirada de populaccedilotildees ribeirinhas
De acordo com a Agecircncia Internacional de Energia (AIE) cerca de 13 bilhatildeo de
pessoas 18 da populaccedilatildeo mundial ainda natildeo tecircm acesso agrave eletricidade Este
nuacutemero poderaacute dobrar no futuro a natildeo ser que se tenha uma soluccedilatildeo eficaz e que seja adaptaacutevel particularmente para paiacuteses perifeacutericos Soluccedilotildees como a Low Head
Turbine (Turbinas de Pequena Queda) estatildeo tornando-se uma perspectiva atraente
2
para satisfazer as necessidades baacutesicas de eletricidade de comunidades remotas
(LAHIMER 2012 p 5862)
Este meacutetodo de produccedilatildeo de energia eleacutetrica jaacute presente em alguns lugares do mundo poreacutem ainda natildeo implantado no Brasil O conceito de Low Head Turbine jaacute eacute
utilizado em paiacuteses como Camarotildees China Colocircmbia Filipinas Indoneacutesia Nepal
Sri Lanka e Vietnatilde (LAHIMER 2012) Um sistema de geraccedilatildeo de energia que natildeo
necessita grandes quedas d`aacuteguas nem intervenccedilotildees draacutesticas aleacutem de ter um custo
acessiacutevel
Aleacutem disso a produccedilatildeo de energia eleacutetrica em pequena escala eacute uma das
tecnologias de energia mais rentaacuteveis a ser considerado para a eletrificaccedilatildeo rural
nos paiacuteses menos desenvolvidos Eacute tambeacutem uma tecnologia chave para regiotildees que
jaacute possuem domiacutenio da produccedilatildeo de energia hidreleacutetrica poreacutem natildeo possuem mais espaccedilo geograacutefico para implantar uma hidreleacutetrica de grande porte ou os locais de
possiacutevel alocaccedilatildeo satildeo inviaacuteveis ambientalmente (PAISH 2002 p537) Provando ser
uma boa opccedilatildeo para distintas utilizaccedilotildees
Neste sentido se pergunta por que esta tecnologia ainda natildeo estaacute presente no
Brasil e se esta viesse a ser desenvolvida quais seriam as condicionantes para o seu projeto e ou fabricaccedilatildeo
Entende-se que um equipamento nacional deveraacute atender agraves normas teacutecnicas
brasileiras assim como deveraacute ndash tanto quanto possiacutevel ndash fazer uso de peccedilas e
equipamentos jaacute disponiacuteveis no mercado brasileiro numa oacutetica de reduccedilatildeo de custos
e busca de parcerias para a sua disseminaccedilatildeo
Este vem a ser o foco do presente trabalho o levantamento destas condicionantes para o projeto e desenvolvimento destas Turbinas de Pequena Queda ou Low Head
Turbine no Brasil
3
2 OBJETIVO
Com base em um projeto tiacutepico de turbina de impulso para baixo valor de queda drsquoaacutegua - Low Head Turbine (Turbina de Pequena Queda) - avaliar quais as normas
brasileiras aplicaacuteveis e qual o melhor entendimento destas para a adequaccedilatildeo dos
padrotildees internacionais para a realidade brasileira assim como identificar elementos
que poderiam ser norteadores no projeto deste tipo de equipamento no Brasil
Para que este objetivo seja atingido eacute necessaacuterio materializar objetivos parciais
1 Identificar as Normas Brasileiras aplicaacuteveis
2 Definir os elementos constituintes do sistema e sua disponibilidade no
mercado brasileiro
3 Com base em uma localizaccedilatildeo tiacutepica analisar seu rendimento e
funcionalidade
4 Finalizar avaliando a viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head
Turbine no Brasil
4
3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
31 Energia Hidreleacutetrica No Brasil a utilizaccedilatildeo de energia hidreleacutetrica no Brasil teve iniacutecio em 1883 com a
instalaccedilatildeo da usina de Ribeiratildeo do Inferno em Diamantina (MG) Jaacute em 1889 entrou
em operaccedilatildeo a usina de Marmelos Zero ndash instalada no rio Paraibuna a 7 km de Juiz
de Fora (MG) ndash foi a primeira com a finalidade de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para o
uso puacuteblico com 250 kW de potecircncia instalada (CACHAPUZ 2006 p15)
A primeira hidreleacutetrica de maior porte comeccedilou a ser construiacuteda no Nordeste (Paulo
Afonso I com potecircncia de 180 MW) pela Companhia Hidreleacutetrica do Satildeo Francisco
(estatal constituiacuteda em 1948) As demais erguidas ao longo dos 60 anos seguintes
concentraram-se nas regiotildees Sul Sudeste e Nordeste (com o aproveitamento
integral do rio Satildeo Francisco) No Norte foram construiacutedas Tucuruiacute no Paraacute e Balbina no Amazonas Nos anos 90 a Usina Serra da Mesa (GO) no rio Tocantins
(Atlas Energia Eleacutetrica no Brasil ANEEL 2008 p57) Todas as construiacutedas ateacute o
momento possuindo capacidade eleacutetrica entre 3984 MW a 8370 MW de acordo
com dados fornecidos pelo Governo Federal Brasileiro
Pacheco (2013 apud TUNDISI 2005) constatou que potencial hidreleacutetrico brasileiro
eacute estimado em cerca de 260 GW dos quais 405 estatildeo localizados na Bacia
Hidrograacutefica do Amazonas a Bacia do Paranaacute responde por 23 a do Tocantins
por 106 e a do Satildeo Francisco por 10 Apenas 63 do potencial foi inventariado
e a Regiatildeo Norte tem um grande potencial ainda por explorar
O estudo sobre energia hidreleacutetrica constante do Plano Nacional de Energia 2030
(PNE) realizado pela Empresa de Pesquisa Energeacutetica (EPE) e o Ministeacuterio de
Minas e Energia (MME) em 2007 relacionou o potencial de aproveitamento ainda
existente em cada uma das bacias hidrograacuteficas do paiacutes A bacia do rio Amazonas eacute
a maior com um potencial de 106000 MW superior agrave potecircncia jaacute instalada no
Brasil em 2008 de 102000 MW A bacia do TocantinsAraguaia possui potencial de 28000 MW dos quais quase 12200 MW jaacute estatildeo aproveitados pelas usinas
5
hidreleacutetricas (UHEs) e o potencial a ser aproveitado 90 poreacutem sofrem alguma
restriccedilatildeo ambiental (EPE 2013)
Outra bacia importante eacute a Tapajoacutes Em 2008 a Aneel estudava viabilidade de trecircs
aproveitamentos no rio Teles Pires Em 2013 o potencial hidraacuteulico do Brasil foi
avaliado como tendo somente 26 de sua totalidade utilizado como indicado na Figura 1 colocando o Brasil como 8ordm paiacutes em termos de menor aproveitamento de
seu potencial hidroeleacutetrico
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE 2013)
32 Turbinas
321 Retrospectiva Desde antes de Cristo os mesopotacircmicos e egiacutepcios jaacute utilizavam as maacutequinas
motrizes hidraacuteulicas sendo que o primeiro mecanismo antecessor a turbina
hidraacuteulica foram as rodas drsquoaacutegua que movimentavam-se por meio da aacutegua que
passava por debaixo da roda
6
No seacuteculo XVIII periacuteodo que teve grande desenvolvimento da ciecircncia hidraacuteulica
Daniel Bernoulli (1700-1782) publicou os fundamentos da hidrodinacircmica onde
continha a equaccedilatildeo de equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo de energia para fluidos No mesmo seacuteculo teve-se algumas tentativas para ocorrer a transiccedilatildeo da roda hidraacuteulica para agrave
turbina
Entretanto somente no seacuteculo XIX o termo turbina apareceu por meio de Claude Burdin (1790-1873) que publicou o trabalho ldquoDas turbinas hidraacuteulicas ou maacutequinas
rotativas de grande velocidaderdquo sobre uma anaacutelise teoacuterica que dava importacircncia a
velocidade de rotaccedilatildeo (JUNIOR 2013 p8)
Por fim seu aluno Benoit Fourneyron (1802-1867) desenhou e construiu rodas que
atingiam velocidades de rotaccedilatildeo de 60 rpm ou mais e que forneciam ateacute 50 CV nas
faacutebricas metaluacutergicas francesas Assim em 1827 construiu um turbina centriacutefuga de 6 CV e 80 de rendimento a primeira turbina industrial (ALVES 2007 apud
MACINTYPE 1983)
322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas As turbinas hidraacuteulicas no geral seguem a mesma loacutegica de funcionamento O
movimento giratoacuterio provocado pelo fluxo drsquoaacutegua faz girar o rotor do gerador eleacutetrico
que estaacute acoplado na turbina fazendo com que o deslocamento do campo magneacutetico
transforme a potecircncia de eixo em potecircncia eleacutetrica
As principais condiccedilotildees para a escolha da turbina ideal satildeo a queda d`aacutegua vazatildeo e
velocidade especiacutefica A altura da queda d`aacutegua eacute medida como a distacircncia vertical
entre a superfiacutecie mais alta e mais baixa da queda deduzido de eventuais perdas tais
como o atrito do tubo A vazatildeo eacute medida pela quantidade total de aacutegua que passa
atraveacutes da turbina
Turbinas em geral podem operar atraveacutes de distintas vazotildees Entretanto a eficiecircncia
da turbina diminui quando a taxa de vazatildeo varia em comparaccedilatildeo com a taxa de
vazatildeo ideal pois com o dimensionamento errocircneo pode-se instalar uma turbina que
em sua eficiecircncia maacutexima natildeo supere o fluxo disponiacutevel quando a vazatildeo eacute maacutexima
7
Assim aleacutem dos fatores citados a anaacutelise detalhada do fluxo ao longo do tempo deve
de ser realizada para que a escolha da turbina supra as necessidades de projeto
Vale ressaltar que atualmente a eficiecircncia das turbinas estaacute em torno de 85 a 95
sem as perdas hidraacuteulicas ou mecacircnicas que possam ocorrer (APPLEGATE INC
2013 p3)
As turbinas satildeo constituiacutedas essencialmente por distribuidor a roda moacutevel ou rotor o
difusor ou tubo de succcedilatildeo e sua carcaccedila O distribuidor conduz a aacutegua agrave roda pela
direccedilatildeo correta e regula a vazatildeo O rotor eacute responsaacutevel por transformar parte da
energia hidraacuteulica em trabalho mecacircnico O difusor recupera a altura entre a saiacuteda da
roda e o niacutevel do canal de fuga e a carcaccedila desacelera o fluxo drsquoaacutegua poacutes-turbina devolvendo-a ao corpo drsquoaacutegua (JUacuteNIOR 2013 p 9)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52)
8
323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines Nas aacutereas urbanas o percentual da populaccedilatildeo com acesso agrave eletricidade eacute elevado
devido ao baixo custo de conexatildeo agrave rede Em aacutereas rurais no entanto o acesso eacute
limitado devido ao alto custo de estender a rede aos centros de baixa densidade
populacional As tecnologias de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em baixa escala satildeo capazes de fornecer a eletricidade onde a extensatildeo da rede eacute muito cara e onde ndash
tradicionalmente haacute uma precariedade de atendimento das concessionarias de
energia e os consumidores tecircm baixo consumo de energia (WILLIAMSON 2012
p43) Com a energia eleacutetrica seria possiacutevel estender as atividades produtivas
aproveitar os recursos naturais aumentar o mercado de trabalho e melhorar sua
situaccedilatildeo econocircmica cultural e social (ALVES 2007 p2)
A tecnologia Low Head Turbine eacute uma tecnologia possiacutevel de ser utilizada nestas
comunidades que vivem em lugares de difiacutecil acesso e aleacutem disso possuem recursos
locais (rios de pequeno porte eou coacuterregos) capazes para produzir sua proacutepria
energia jaacute que dependendo da quantidade de energia gerada natildeo se precisa de retenccedilatildeo de aacutegua e grandes quedas d` aacutegua
As turbinas em questatildeo somente exigem uma queda de menos de 10 metros
(normal muito menos) e um fluxo de aacutegua suficiente (ateacute 5 m3s aprox) para prover
energia adequada pois num primeiro momento estes locais apresentam baixa
demanda de energia (ateacute 500 W) em especial representadas por iluminaccedilatildeo agrave noite e um raacutedio ou televisatildeo para entretenimento
As Low Head Turbines que produzem 200 a 1000 W de potecircncia e satildeo
particularmente populares em aacutereas rurais porque satildeo usadas para gerar
eletricidade para iluminaccedilatildeoTV raacutedio ventilador de mesa refrigeraccedilatildeo alimentaccedilatildeo
de ferramentas agriacutecolas processamento de alimentos e a carga da bateria em
aacutereas rurais (LAHIMER 2012 p 5865)
Em um relatoacuterio do Banco Mundial foi comprovado que a energia hidreleacutetrica em
baixa escala no geral representou a oportunidade mais barata para a geraccedilatildeo de
energia com menos de 5 kW em 2005 e foi projetado para ser de pelo menos 25
9
mais barata do que outras alternativas ainda depois de dez anos (WILLIAMSON
2012 p43)
324 Classificaccedilatildeo das Turbinas As turbinas satildeo divididas em duas categorias de reaccedilatildeo e impulso ou accedilatildeo As turbinas de impulso a energia hidraacuteulica disponiacutevel eacute transformada em energia
cineacutetica para apoacutes incidir nas paacutes do rotor transformar-se em mecacircnica todo o
escoamento ocorre sem variaccedilatildeo de pressatildeo atmosfeacuterica com mesma pressatildeo de
entrada e saiacuteda
Jaacute as de reaccedilatildeo o rotor eacute completamente imerso na aacutegua assim no escoamento ocorre uma queda de pressatildeo e de velocidade entre a entrada e a saiacuteda do rotor A
pressatildeo de saiacuteda eacute inferior agrave entrada e em funccedilatildeo disso satildeo normalmente utilizadas
para meacutedias e baixas quedas
Em baixas velocidades de operaccedilatildeo a eficiecircncia das turbinas de reaccedilatildeo eacute normalmente maior do que as de turbina de impulso Na categoria das turbinas de
reaccedilatildeo ainda tem-se uma subdivisatildeo entre turbinas de escoamento radiais e turbinas
de escoamento axiais No qual as radiais o fluxo eacute perpendicular ao eixo de rotaccedilatildeo
enquanto as axiais o fluxo eacute aproximadamente paralelo ao eixo de rotaccedilatildeo (JUNIOR
2003 p 11)
Tradicionalmente o uso de turbinas hidraacuteulicas tem-se concentrado no tipo Pelton
com um ou mais jatos no caso das maacutequinas de impulso na Francis Heacutelice e
Kaplan no caso do tipo de reaccedilatildeo (SANTOS 2010 p 31)
3241 De Impulso Turbina Pelton eacute utilizada em altas quedas e velocidade de rotaccedilatildeo mais baixa
Alturas superiores a 150 metros podendo chegar ateacute 2000 metros (EISENRING
1991) Com eixo horizontal para o caso de um ou dois jatos e eixo vertical para um
nuacutemero de jatos de trecircs a seis satildeo alcanccediladas potecircncias que podem chegar mais de
10
100 MW por unidade e quedas da ordem de 1900 metros Geralmente a turbina
Pelton possui alta eficiecircncia entre 70-90 NATIONAL RENEWABLE ENERGY
LABORATORY 2011)
Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
A turbina de fluxo cruzado eacute outra turbina que possui destaque nas classificadas
como de impulso Esse tipo de turbina eacute mais utilizado em altas vazotildees e baixas
quedas d`aacutegua do que as turbinas de Pelton e Turgo (GHOSH 2011) A eficiecircncia de
uma turbina de fluxo cruzado depende de seus paracircmetros geomeacutetricos como o
nuacutemero de laminas diacircmetro do rotor arco de entrada do bico e acircngulo de ataque
Turbina Turgo eacute uma maacutequina de impulso similar a turbina Pelton A eficaacutecia na transmissatildeo de energia a partir do jato de aacutegua para o gerador de turbina Turgo depende da velocidade de eixo Assim Cobb e Shar em Impulse (Turgo and Pelton)
turbine performance characteristics and their impact on pico-hydro installations 2007
realizaram um estudo e constaram que o pico de eficiecircncia pode ser conseguido em
uma proporccedilatildeo de baixa velocidade
11
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
3242 De Reaccedilatildeo A turbina Francis escoamento radial eacute a mais usada em grandes usinas hidreleacutetricas
No Brasil a usina hidreleacutetrica mais conhecida Itaipu utiliza este tipo de turbina E de acordo com os dados oficiais da Usina tem-se uma queda liacutequida de projeto de 1184
metros vazatildeo nominal de 690 m3s e uma potecircncia nominal de 715MW Suas
caracteriacutesticas hidraacuteulicas especiais permitem fabricar unidades compactas de alta
velocidade ateacute as potecircncias mais elevadas Para valores inferiores da queda utilizam-
se turbinas de caixa aberta Ela pode ser usada para grandes meacutedias ou pequenas
hidreleacutetricas com quedas entre 1 metro e 900 metros Elbatran et al concluiu que a eficaacutecia de uma turbina Francis depende principalmente do desenvolvimento do seu
voacutertice helicoidal
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
12
O uacuteltimo tipo de turbina de reaccedilatildeo escoamento axial abrange subcategorias em sua
abrangecircncia As turbinas cujas as paacutes do rotor satildeo fixas conhecidas como turbinas
HelicePropeller e as com paacutes do rotor ajustaacuteveis tendo como turbina de referecircncia Kaplan Suas semelhanccedilas satildeo possuir baixa velocidade entre 70 e 350 rpm e
serem utilizadas em baixa queda (ANEEL 2002 p25) Outros tipos de maacutequinas
axiais satildeo as turbinas Tubulares Bulbo e Straflo
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
As mais utilizadas satildeo a de tipo HeacutelicePropeller e Kaplan A turbina Heacutelice veio da
necessidade da obtenccedilatildeo de turbinas com velocidades consideraacuteveis em baixas
quedas e grandes descargas que teve origem em 1908 (RAMOS 2008 Cap8)
Tambeacutem aliam caracteriacutesticas de serem simples e de baixo custo Elas consistem de basicamente de um rotor similar a heacutelice de navio ajustada internamente na
continuaccedilatildeo de um conduto com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a
tubulaccedilatildeo muda de direccedilatildeo (JUNIOR 2011 p15)
Jaacute a turbina Kaplan satildeo adaptadas a baixa altura topograacutefica e grandes descargas
As paacutes satildeo moacuteveis que permitem variar o seu acircngulo de ataque com um mecanismo de orientaccedilatildeo que eacute controlado pelo regulador da turbina isso faz com que a
inclinaccedilatildeo das paacutes se ajuste conforme a variaccedilatildeo da descarga e potecircncia sem
apreciaacutevel variaccedilatildeo do rendimento (GUEDES1994 p 6) A usina hidreleacutetrica de Trecircs
Marias funciona com turbina Kaplan por exemplo
13
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo Turbinas de impulso como o Turgo Pelton e turbinas de Fluxo Cruzado tecircm muitas
vantagens Elas tecircm uma eficiecircncia maior especialmente em condiccedilotildees de fluxo
parcial o que pode fornecer mais do que 90 de eficaacutecia A eficiecircncia tambeacutem eacute
passiacutevel de se manter em valores elevados mesmo variando-se as condiccedilotildees de
trabalho (ex vazatildeo variaacutevel) Satildeo faacuteceis de manter e fabricar os eixos natildeo
necessitam de qualquer selo de pressatildeo tendo uma maior toleracircncia a areia e outras partiacuteculas em aacutegua com pouco efeito sobre o desempenho das turbinas Aleacutem disso
a turbina Pelton e Turgo tecircm projetos simples e satildeo rentaacuteveis em escalas de micro
hidreleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 46)
Contudo a Turgo e Pelton em locais de baixa queda natildeo se mostram rentaacuteveis
14
quando leva-se em conta suas caracteriacutesticas de desempenho e anaacutelise de custo ao
contraacuterio da turbina de Fluxo Cruzado que eacute mais adequado para aplicaccedilotildees de baixa
queda porque a sua eficiecircncia depende basicamente da vazatildeo e os outros dois tipos natildeo Turbinas de impulso tambeacutem tem velocidade especiacutefica menor o que seria
necessaacuterio a instalaccedilatildeo de um sistema que aumentasse a velocidade da aacutegua
(ELBATRAN 2014 p 46)
As de reaccedilatildeo satildeo mais apropriadas para condiccedilotildees de baixa queda por possuiacuterem
maiores velocidades especiacuteficas jaacute que as turbinas estatildeo conectadas diretamente ao
alternador sem a necessidade do sistema de transmissatildeo Consequentemente o
custo de remoccedilatildeo do sistema de acionamento eacute significativamente baixo Estas
turbinas podem tambeacutem ser utilizadas em diferentes quedas a turbina Francis eacute
apropriada para o meacutedias a altas quedas enquanto a Propeller e BFT satildeo mais
adequados para as quedas menores (ELBATRAN 2014 p 46) FONTE
Por outro lado a implantaccedilatildeo de turbinas de reaccedilatildeo eacute mais complicada do que as
turbinas de impulso porque requerem a utilizaccedilatildeo de lacircminas de revestimento isto
pode causar o aumento no custo do orccedilamento inicial Portanto o uso de turbinas de
reaccedilatildeo nos esquemas de micro hidreleacutetricas eacute menos atraente especialmente em
aacutereas com populaccedilatildeo de baixa renda No entanto BFT e Propeller hoje em dia foram melhoradas para serem utilizadas em instalaccedilotildees de micro hidreleacutetricas mas com a
condiccedilatildeo de que os ambientes tenham queda e vazatildeo regulares (ELBATRAN 2014
p46)
Natildeo obstante haacute uma seacuterie de soluccedilotildees em relaccedilatildeo a este assunto tais como
condutas forccediladas de baixo custo tipo de desenvolvimento das turbinas e gerador de
induccedilatildeo tudo para eliminar o custo total dos sistemas e tornaacute-los mais acessiacuteveis nas
aplicaccedilotildees em zonas remotas e montanhosas A reduccedilatildeo do custo da turbina eacute a
maneira mais eficaz de reduzir o orccedilamento inicial de projeto pois eacute a parte mais
onerosa no sistema
Uma seacuterie de opccedilotildees de configuraccedilatildeo de turbina tecircm sido propostas para reduzir o custo do conjunto de microturbinas Bomba centrifuga funcionando como turbina
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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Paulo Satildeo Carlos 2012 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
ALEXANDER KV GIDDENS EP Microhydro Cost-effective modular systems for low heads 2007 Renewable Energy Volume 33 (2008) Paacuteginas 1379-1391
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Radial- and mixed-flow
turbines for low head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume
34 (2009) Paacuteginas 1885-1894
52
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Axial-flow turbines for low
head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume 34 (2009)
Paacuteginas 35-47
ALVES Gilberto Manoel Avaliaccedilatildeo da viabilidade de implantaccedilatildeo de uma microcentral hidreleacutetrica para atender consumidores localizados em regiotildees isoladas 2007 156 Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Doutorado em Agronomia) ndash
Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
2
para satisfazer as necessidades baacutesicas de eletricidade de comunidades remotas
(LAHIMER 2012 p 5862)
Este meacutetodo de produccedilatildeo de energia eleacutetrica jaacute presente em alguns lugares do mundo poreacutem ainda natildeo implantado no Brasil O conceito de Low Head Turbine jaacute eacute
utilizado em paiacuteses como Camarotildees China Colocircmbia Filipinas Indoneacutesia Nepal
Sri Lanka e Vietnatilde (LAHIMER 2012) Um sistema de geraccedilatildeo de energia que natildeo
necessita grandes quedas d`aacuteguas nem intervenccedilotildees draacutesticas aleacutem de ter um custo
acessiacutevel
Aleacutem disso a produccedilatildeo de energia eleacutetrica em pequena escala eacute uma das
tecnologias de energia mais rentaacuteveis a ser considerado para a eletrificaccedilatildeo rural
nos paiacuteses menos desenvolvidos Eacute tambeacutem uma tecnologia chave para regiotildees que
jaacute possuem domiacutenio da produccedilatildeo de energia hidreleacutetrica poreacutem natildeo possuem mais espaccedilo geograacutefico para implantar uma hidreleacutetrica de grande porte ou os locais de
possiacutevel alocaccedilatildeo satildeo inviaacuteveis ambientalmente (PAISH 2002 p537) Provando ser
uma boa opccedilatildeo para distintas utilizaccedilotildees
Neste sentido se pergunta por que esta tecnologia ainda natildeo estaacute presente no
Brasil e se esta viesse a ser desenvolvida quais seriam as condicionantes para o seu projeto e ou fabricaccedilatildeo
Entende-se que um equipamento nacional deveraacute atender agraves normas teacutecnicas
brasileiras assim como deveraacute ndash tanto quanto possiacutevel ndash fazer uso de peccedilas e
equipamentos jaacute disponiacuteveis no mercado brasileiro numa oacutetica de reduccedilatildeo de custos
e busca de parcerias para a sua disseminaccedilatildeo
Este vem a ser o foco do presente trabalho o levantamento destas condicionantes para o projeto e desenvolvimento destas Turbinas de Pequena Queda ou Low Head
Turbine no Brasil
3
2 OBJETIVO
Com base em um projeto tiacutepico de turbina de impulso para baixo valor de queda drsquoaacutegua - Low Head Turbine (Turbina de Pequena Queda) - avaliar quais as normas
brasileiras aplicaacuteveis e qual o melhor entendimento destas para a adequaccedilatildeo dos
padrotildees internacionais para a realidade brasileira assim como identificar elementos
que poderiam ser norteadores no projeto deste tipo de equipamento no Brasil
Para que este objetivo seja atingido eacute necessaacuterio materializar objetivos parciais
1 Identificar as Normas Brasileiras aplicaacuteveis
2 Definir os elementos constituintes do sistema e sua disponibilidade no
mercado brasileiro
3 Com base em uma localizaccedilatildeo tiacutepica analisar seu rendimento e
funcionalidade
4 Finalizar avaliando a viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head
Turbine no Brasil
4
3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
31 Energia Hidreleacutetrica No Brasil a utilizaccedilatildeo de energia hidreleacutetrica no Brasil teve iniacutecio em 1883 com a
instalaccedilatildeo da usina de Ribeiratildeo do Inferno em Diamantina (MG) Jaacute em 1889 entrou
em operaccedilatildeo a usina de Marmelos Zero ndash instalada no rio Paraibuna a 7 km de Juiz
de Fora (MG) ndash foi a primeira com a finalidade de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para o
uso puacuteblico com 250 kW de potecircncia instalada (CACHAPUZ 2006 p15)
A primeira hidreleacutetrica de maior porte comeccedilou a ser construiacuteda no Nordeste (Paulo
Afonso I com potecircncia de 180 MW) pela Companhia Hidreleacutetrica do Satildeo Francisco
(estatal constituiacuteda em 1948) As demais erguidas ao longo dos 60 anos seguintes
concentraram-se nas regiotildees Sul Sudeste e Nordeste (com o aproveitamento
integral do rio Satildeo Francisco) No Norte foram construiacutedas Tucuruiacute no Paraacute e Balbina no Amazonas Nos anos 90 a Usina Serra da Mesa (GO) no rio Tocantins
(Atlas Energia Eleacutetrica no Brasil ANEEL 2008 p57) Todas as construiacutedas ateacute o
momento possuindo capacidade eleacutetrica entre 3984 MW a 8370 MW de acordo
com dados fornecidos pelo Governo Federal Brasileiro
Pacheco (2013 apud TUNDISI 2005) constatou que potencial hidreleacutetrico brasileiro
eacute estimado em cerca de 260 GW dos quais 405 estatildeo localizados na Bacia
Hidrograacutefica do Amazonas a Bacia do Paranaacute responde por 23 a do Tocantins
por 106 e a do Satildeo Francisco por 10 Apenas 63 do potencial foi inventariado
e a Regiatildeo Norte tem um grande potencial ainda por explorar
O estudo sobre energia hidreleacutetrica constante do Plano Nacional de Energia 2030
(PNE) realizado pela Empresa de Pesquisa Energeacutetica (EPE) e o Ministeacuterio de
Minas e Energia (MME) em 2007 relacionou o potencial de aproveitamento ainda
existente em cada uma das bacias hidrograacuteficas do paiacutes A bacia do rio Amazonas eacute
a maior com um potencial de 106000 MW superior agrave potecircncia jaacute instalada no
Brasil em 2008 de 102000 MW A bacia do TocantinsAraguaia possui potencial de 28000 MW dos quais quase 12200 MW jaacute estatildeo aproveitados pelas usinas
5
hidreleacutetricas (UHEs) e o potencial a ser aproveitado 90 poreacutem sofrem alguma
restriccedilatildeo ambiental (EPE 2013)
Outra bacia importante eacute a Tapajoacutes Em 2008 a Aneel estudava viabilidade de trecircs
aproveitamentos no rio Teles Pires Em 2013 o potencial hidraacuteulico do Brasil foi
avaliado como tendo somente 26 de sua totalidade utilizado como indicado na Figura 1 colocando o Brasil como 8ordm paiacutes em termos de menor aproveitamento de
seu potencial hidroeleacutetrico
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE 2013)
32 Turbinas
321 Retrospectiva Desde antes de Cristo os mesopotacircmicos e egiacutepcios jaacute utilizavam as maacutequinas
motrizes hidraacuteulicas sendo que o primeiro mecanismo antecessor a turbina
hidraacuteulica foram as rodas drsquoaacutegua que movimentavam-se por meio da aacutegua que
passava por debaixo da roda
6
No seacuteculo XVIII periacuteodo que teve grande desenvolvimento da ciecircncia hidraacuteulica
Daniel Bernoulli (1700-1782) publicou os fundamentos da hidrodinacircmica onde
continha a equaccedilatildeo de equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo de energia para fluidos No mesmo seacuteculo teve-se algumas tentativas para ocorrer a transiccedilatildeo da roda hidraacuteulica para agrave
turbina
Entretanto somente no seacuteculo XIX o termo turbina apareceu por meio de Claude Burdin (1790-1873) que publicou o trabalho ldquoDas turbinas hidraacuteulicas ou maacutequinas
rotativas de grande velocidaderdquo sobre uma anaacutelise teoacuterica que dava importacircncia a
velocidade de rotaccedilatildeo (JUNIOR 2013 p8)
Por fim seu aluno Benoit Fourneyron (1802-1867) desenhou e construiu rodas que
atingiam velocidades de rotaccedilatildeo de 60 rpm ou mais e que forneciam ateacute 50 CV nas
faacutebricas metaluacutergicas francesas Assim em 1827 construiu um turbina centriacutefuga de 6 CV e 80 de rendimento a primeira turbina industrial (ALVES 2007 apud
MACINTYPE 1983)
322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas As turbinas hidraacuteulicas no geral seguem a mesma loacutegica de funcionamento O
movimento giratoacuterio provocado pelo fluxo drsquoaacutegua faz girar o rotor do gerador eleacutetrico
que estaacute acoplado na turbina fazendo com que o deslocamento do campo magneacutetico
transforme a potecircncia de eixo em potecircncia eleacutetrica
As principais condiccedilotildees para a escolha da turbina ideal satildeo a queda d`aacutegua vazatildeo e
velocidade especiacutefica A altura da queda d`aacutegua eacute medida como a distacircncia vertical
entre a superfiacutecie mais alta e mais baixa da queda deduzido de eventuais perdas tais
como o atrito do tubo A vazatildeo eacute medida pela quantidade total de aacutegua que passa
atraveacutes da turbina
Turbinas em geral podem operar atraveacutes de distintas vazotildees Entretanto a eficiecircncia
da turbina diminui quando a taxa de vazatildeo varia em comparaccedilatildeo com a taxa de
vazatildeo ideal pois com o dimensionamento errocircneo pode-se instalar uma turbina que
em sua eficiecircncia maacutexima natildeo supere o fluxo disponiacutevel quando a vazatildeo eacute maacutexima
7
Assim aleacutem dos fatores citados a anaacutelise detalhada do fluxo ao longo do tempo deve
de ser realizada para que a escolha da turbina supra as necessidades de projeto
Vale ressaltar que atualmente a eficiecircncia das turbinas estaacute em torno de 85 a 95
sem as perdas hidraacuteulicas ou mecacircnicas que possam ocorrer (APPLEGATE INC
2013 p3)
As turbinas satildeo constituiacutedas essencialmente por distribuidor a roda moacutevel ou rotor o
difusor ou tubo de succcedilatildeo e sua carcaccedila O distribuidor conduz a aacutegua agrave roda pela
direccedilatildeo correta e regula a vazatildeo O rotor eacute responsaacutevel por transformar parte da
energia hidraacuteulica em trabalho mecacircnico O difusor recupera a altura entre a saiacuteda da
roda e o niacutevel do canal de fuga e a carcaccedila desacelera o fluxo drsquoaacutegua poacutes-turbina devolvendo-a ao corpo drsquoaacutegua (JUacuteNIOR 2013 p 9)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52)
8
323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines Nas aacutereas urbanas o percentual da populaccedilatildeo com acesso agrave eletricidade eacute elevado
devido ao baixo custo de conexatildeo agrave rede Em aacutereas rurais no entanto o acesso eacute
limitado devido ao alto custo de estender a rede aos centros de baixa densidade
populacional As tecnologias de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em baixa escala satildeo capazes de fornecer a eletricidade onde a extensatildeo da rede eacute muito cara e onde ndash
tradicionalmente haacute uma precariedade de atendimento das concessionarias de
energia e os consumidores tecircm baixo consumo de energia (WILLIAMSON 2012
p43) Com a energia eleacutetrica seria possiacutevel estender as atividades produtivas
aproveitar os recursos naturais aumentar o mercado de trabalho e melhorar sua
situaccedilatildeo econocircmica cultural e social (ALVES 2007 p2)
A tecnologia Low Head Turbine eacute uma tecnologia possiacutevel de ser utilizada nestas
comunidades que vivem em lugares de difiacutecil acesso e aleacutem disso possuem recursos
locais (rios de pequeno porte eou coacuterregos) capazes para produzir sua proacutepria
energia jaacute que dependendo da quantidade de energia gerada natildeo se precisa de retenccedilatildeo de aacutegua e grandes quedas d` aacutegua
As turbinas em questatildeo somente exigem uma queda de menos de 10 metros
(normal muito menos) e um fluxo de aacutegua suficiente (ateacute 5 m3s aprox) para prover
energia adequada pois num primeiro momento estes locais apresentam baixa
demanda de energia (ateacute 500 W) em especial representadas por iluminaccedilatildeo agrave noite e um raacutedio ou televisatildeo para entretenimento
As Low Head Turbines que produzem 200 a 1000 W de potecircncia e satildeo
particularmente populares em aacutereas rurais porque satildeo usadas para gerar
eletricidade para iluminaccedilatildeoTV raacutedio ventilador de mesa refrigeraccedilatildeo alimentaccedilatildeo
de ferramentas agriacutecolas processamento de alimentos e a carga da bateria em
aacutereas rurais (LAHIMER 2012 p 5865)
Em um relatoacuterio do Banco Mundial foi comprovado que a energia hidreleacutetrica em
baixa escala no geral representou a oportunidade mais barata para a geraccedilatildeo de
energia com menos de 5 kW em 2005 e foi projetado para ser de pelo menos 25
9
mais barata do que outras alternativas ainda depois de dez anos (WILLIAMSON
2012 p43)
324 Classificaccedilatildeo das Turbinas As turbinas satildeo divididas em duas categorias de reaccedilatildeo e impulso ou accedilatildeo As turbinas de impulso a energia hidraacuteulica disponiacutevel eacute transformada em energia
cineacutetica para apoacutes incidir nas paacutes do rotor transformar-se em mecacircnica todo o
escoamento ocorre sem variaccedilatildeo de pressatildeo atmosfeacuterica com mesma pressatildeo de
entrada e saiacuteda
Jaacute as de reaccedilatildeo o rotor eacute completamente imerso na aacutegua assim no escoamento ocorre uma queda de pressatildeo e de velocidade entre a entrada e a saiacuteda do rotor A
pressatildeo de saiacuteda eacute inferior agrave entrada e em funccedilatildeo disso satildeo normalmente utilizadas
para meacutedias e baixas quedas
Em baixas velocidades de operaccedilatildeo a eficiecircncia das turbinas de reaccedilatildeo eacute normalmente maior do que as de turbina de impulso Na categoria das turbinas de
reaccedilatildeo ainda tem-se uma subdivisatildeo entre turbinas de escoamento radiais e turbinas
de escoamento axiais No qual as radiais o fluxo eacute perpendicular ao eixo de rotaccedilatildeo
enquanto as axiais o fluxo eacute aproximadamente paralelo ao eixo de rotaccedilatildeo (JUNIOR
2003 p 11)
Tradicionalmente o uso de turbinas hidraacuteulicas tem-se concentrado no tipo Pelton
com um ou mais jatos no caso das maacutequinas de impulso na Francis Heacutelice e
Kaplan no caso do tipo de reaccedilatildeo (SANTOS 2010 p 31)
3241 De Impulso Turbina Pelton eacute utilizada em altas quedas e velocidade de rotaccedilatildeo mais baixa
Alturas superiores a 150 metros podendo chegar ateacute 2000 metros (EISENRING
1991) Com eixo horizontal para o caso de um ou dois jatos e eixo vertical para um
nuacutemero de jatos de trecircs a seis satildeo alcanccediladas potecircncias que podem chegar mais de
10
100 MW por unidade e quedas da ordem de 1900 metros Geralmente a turbina
Pelton possui alta eficiecircncia entre 70-90 NATIONAL RENEWABLE ENERGY
LABORATORY 2011)
Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
A turbina de fluxo cruzado eacute outra turbina que possui destaque nas classificadas
como de impulso Esse tipo de turbina eacute mais utilizado em altas vazotildees e baixas
quedas d`aacutegua do que as turbinas de Pelton e Turgo (GHOSH 2011) A eficiecircncia de
uma turbina de fluxo cruzado depende de seus paracircmetros geomeacutetricos como o
nuacutemero de laminas diacircmetro do rotor arco de entrada do bico e acircngulo de ataque
Turbina Turgo eacute uma maacutequina de impulso similar a turbina Pelton A eficaacutecia na transmissatildeo de energia a partir do jato de aacutegua para o gerador de turbina Turgo depende da velocidade de eixo Assim Cobb e Shar em Impulse (Turgo and Pelton)
turbine performance characteristics and their impact on pico-hydro installations 2007
realizaram um estudo e constaram que o pico de eficiecircncia pode ser conseguido em
uma proporccedilatildeo de baixa velocidade
11
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
3242 De Reaccedilatildeo A turbina Francis escoamento radial eacute a mais usada em grandes usinas hidreleacutetricas
No Brasil a usina hidreleacutetrica mais conhecida Itaipu utiliza este tipo de turbina E de acordo com os dados oficiais da Usina tem-se uma queda liacutequida de projeto de 1184
metros vazatildeo nominal de 690 m3s e uma potecircncia nominal de 715MW Suas
caracteriacutesticas hidraacuteulicas especiais permitem fabricar unidades compactas de alta
velocidade ateacute as potecircncias mais elevadas Para valores inferiores da queda utilizam-
se turbinas de caixa aberta Ela pode ser usada para grandes meacutedias ou pequenas
hidreleacutetricas com quedas entre 1 metro e 900 metros Elbatran et al concluiu que a eficaacutecia de uma turbina Francis depende principalmente do desenvolvimento do seu
voacutertice helicoidal
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
12
O uacuteltimo tipo de turbina de reaccedilatildeo escoamento axial abrange subcategorias em sua
abrangecircncia As turbinas cujas as paacutes do rotor satildeo fixas conhecidas como turbinas
HelicePropeller e as com paacutes do rotor ajustaacuteveis tendo como turbina de referecircncia Kaplan Suas semelhanccedilas satildeo possuir baixa velocidade entre 70 e 350 rpm e
serem utilizadas em baixa queda (ANEEL 2002 p25) Outros tipos de maacutequinas
axiais satildeo as turbinas Tubulares Bulbo e Straflo
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
As mais utilizadas satildeo a de tipo HeacutelicePropeller e Kaplan A turbina Heacutelice veio da
necessidade da obtenccedilatildeo de turbinas com velocidades consideraacuteveis em baixas
quedas e grandes descargas que teve origem em 1908 (RAMOS 2008 Cap8)
Tambeacutem aliam caracteriacutesticas de serem simples e de baixo custo Elas consistem de basicamente de um rotor similar a heacutelice de navio ajustada internamente na
continuaccedilatildeo de um conduto com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a
tubulaccedilatildeo muda de direccedilatildeo (JUNIOR 2011 p15)
Jaacute a turbina Kaplan satildeo adaptadas a baixa altura topograacutefica e grandes descargas
As paacutes satildeo moacuteveis que permitem variar o seu acircngulo de ataque com um mecanismo de orientaccedilatildeo que eacute controlado pelo regulador da turbina isso faz com que a
inclinaccedilatildeo das paacutes se ajuste conforme a variaccedilatildeo da descarga e potecircncia sem
apreciaacutevel variaccedilatildeo do rendimento (GUEDES1994 p 6) A usina hidreleacutetrica de Trecircs
Marias funciona com turbina Kaplan por exemplo
13
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo Turbinas de impulso como o Turgo Pelton e turbinas de Fluxo Cruzado tecircm muitas
vantagens Elas tecircm uma eficiecircncia maior especialmente em condiccedilotildees de fluxo
parcial o que pode fornecer mais do que 90 de eficaacutecia A eficiecircncia tambeacutem eacute
passiacutevel de se manter em valores elevados mesmo variando-se as condiccedilotildees de
trabalho (ex vazatildeo variaacutevel) Satildeo faacuteceis de manter e fabricar os eixos natildeo
necessitam de qualquer selo de pressatildeo tendo uma maior toleracircncia a areia e outras partiacuteculas em aacutegua com pouco efeito sobre o desempenho das turbinas Aleacutem disso
a turbina Pelton e Turgo tecircm projetos simples e satildeo rentaacuteveis em escalas de micro
hidreleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 46)
Contudo a Turgo e Pelton em locais de baixa queda natildeo se mostram rentaacuteveis
14
quando leva-se em conta suas caracteriacutesticas de desempenho e anaacutelise de custo ao
contraacuterio da turbina de Fluxo Cruzado que eacute mais adequado para aplicaccedilotildees de baixa
queda porque a sua eficiecircncia depende basicamente da vazatildeo e os outros dois tipos natildeo Turbinas de impulso tambeacutem tem velocidade especiacutefica menor o que seria
necessaacuterio a instalaccedilatildeo de um sistema que aumentasse a velocidade da aacutegua
(ELBATRAN 2014 p 46)
As de reaccedilatildeo satildeo mais apropriadas para condiccedilotildees de baixa queda por possuiacuterem
maiores velocidades especiacuteficas jaacute que as turbinas estatildeo conectadas diretamente ao
alternador sem a necessidade do sistema de transmissatildeo Consequentemente o
custo de remoccedilatildeo do sistema de acionamento eacute significativamente baixo Estas
turbinas podem tambeacutem ser utilizadas em diferentes quedas a turbina Francis eacute
apropriada para o meacutedias a altas quedas enquanto a Propeller e BFT satildeo mais
adequados para as quedas menores (ELBATRAN 2014 p 46) FONTE
Por outro lado a implantaccedilatildeo de turbinas de reaccedilatildeo eacute mais complicada do que as
turbinas de impulso porque requerem a utilizaccedilatildeo de lacircminas de revestimento isto
pode causar o aumento no custo do orccedilamento inicial Portanto o uso de turbinas de
reaccedilatildeo nos esquemas de micro hidreleacutetricas eacute menos atraente especialmente em
aacutereas com populaccedilatildeo de baixa renda No entanto BFT e Propeller hoje em dia foram melhoradas para serem utilizadas em instalaccedilotildees de micro hidreleacutetricas mas com a
condiccedilatildeo de que os ambientes tenham queda e vazatildeo regulares (ELBATRAN 2014
p46)
Natildeo obstante haacute uma seacuterie de soluccedilotildees em relaccedilatildeo a este assunto tais como
condutas forccediladas de baixo custo tipo de desenvolvimento das turbinas e gerador de
induccedilatildeo tudo para eliminar o custo total dos sistemas e tornaacute-los mais acessiacuteveis nas
aplicaccedilotildees em zonas remotas e montanhosas A reduccedilatildeo do custo da turbina eacute a
maneira mais eficaz de reduzir o orccedilamento inicial de projeto pois eacute a parte mais
onerosa no sistema
Uma seacuterie de opccedilotildees de configuraccedilatildeo de turbina tecircm sido propostas para reduzir o custo do conjunto de microturbinas Bomba centrifuga funcionando como turbina
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
3
2 OBJETIVO
Com base em um projeto tiacutepico de turbina de impulso para baixo valor de queda drsquoaacutegua - Low Head Turbine (Turbina de Pequena Queda) - avaliar quais as normas
brasileiras aplicaacuteveis e qual o melhor entendimento destas para a adequaccedilatildeo dos
padrotildees internacionais para a realidade brasileira assim como identificar elementos
que poderiam ser norteadores no projeto deste tipo de equipamento no Brasil
Para que este objetivo seja atingido eacute necessaacuterio materializar objetivos parciais
1 Identificar as Normas Brasileiras aplicaacuteveis
2 Definir os elementos constituintes do sistema e sua disponibilidade no
mercado brasileiro
3 Com base em uma localizaccedilatildeo tiacutepica analisar seu rendimento e
funcionalidade
4 Finalizar avaliando a viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head
Turbine no Brasil
4
3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
31 Energia Hidreleacutetrica No Brasil a utilizaccedilatildeo de energia hidreleacutetrica no Brasil teve iniacutecio em 1883 com a
instalaccedilatildeo da usina de Ribeiratildeo do Inferno em Diamantina (MG) Jaacute em 1889 entrou
em operaccedilatildeo a usina de Marmelos Zero ndash instalada no rio Paraibuna a 7 km de Juiz
de Fora (MG) ndash foi a primeira com a finalidade de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para o
uso puacuteblico com 250 kW de potecircncia instalada (CACHAPUZ 2006 p15)
A primeira hidreleacutetrica de maior porte comeccedilou a ser construiacuteda no Nordeste (Paulo
Afonso I com potecircncia de 180 MW) pela Companhia Hidreleacutetrica do Satildeo Francisco
(estatal constituiacuteda em 1948) As demais erguidas ao longo dos 60 anos seguintes
concentraram-se nas regiotildees Sul Sudeste e Nordeste (com o aproveitamento
integral do rio Satildeo Francisco) No Norte foram construiacutedas Tucuruiacute no Paraacute e Balbina no Amazonas Nos anos 90 a Usina Serra da Mesa (GO) no rio Tocantins
(Atlas Energia Eleacutetrica no Brasil ANEEL 2008 p57) Todas as construiacutedas ateacute o
momento possuindo capacidade eleacutetrica entre 3984 MW a 8370 MW de acordo
com dados fornecidos pelo Governo Federal Brasileiro
Pacheco (2013 apud TUNDISI 2005) constatou que potencial hidreleacutetrico brasileiro
eacute estimado em cerca de 260 GW dos quais 405 estatildeo localizados na Bacia
Hidrograacutefica do Amazonas a Bacia do Paranaacute responde por 23 a do Tocantins
por 106 e a do Satildeo Francisco por 10 Apenas 63 do potencial foi inventariado
e a Regiatildeo Norte tem um grande potencial ainda por explorar
O estudo sobre energia hidreleacutetrica constante do Plano Nacional de Energia 2030
(PNE) realizado pela Empresa de Pesquisa Energeacutetica (EPE) e o Ministeacuterio de
Minas e Energia (MME) em 2007 relacionou o potencial de aproveitamento ainda
existente em cada uma das bacias hidrograacuteficas do paiacutes A bacia do rio Amazonas eacute
a maior com um potencial de 106000 MW superior agrave potecircncia jaacute instalada no
Brasil em 2008 de 102000 MW A bacia do TocantinsAraguaia possui potencial de 28000 MW dos quais quase 12200 MW jaacute estatildeo aproveitados pelas usinas
5
hidreleacutetricas (UHEs) e o potencial a ser aproveitado 90 poreacutem sofrem alguma
restriccedilatildeo ambiental (EPE 2013)
Outra bacia importante eacute a Tapajoacutes Em 2008 a Aneel estudava viabilidade de trecircs
aproveitamentos no rio Teles Pires Em 2013 o potencial hidraacuteulico do Brasil foi
avaliado como tendo somente 26 de sua totalidade utilizado como indicado na Figura 1 colocando o Brasil como 8ordm paiacutes em termos de menor aproveitamento de
seu potencial hidroeleacutetrico
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE 2013)
32 Turbinas
321 Retrospectiva Desde antes de Cristo os mesopotacircmicos e egiacutepcios jaacute utilizavam as maacutequinas
motrizes hidraacuteulicas sendo que o primeiro mecanismo antecessor a turbina
hidraacuteulica foram as rodas drsquoaacutegua que movimentavam-se por meio da aacutegua que
passava por debaixo da roda
6
No seacuteculo XVIII periacuteodo que teve grande desenvolvimento da ciecircncia hidraacuteulica
Daniel Bernoulli (1700-1782) publicou os fundamentos da hidrodinacircmica onde
continha a equaccedilatildeo de equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo de energia para fluidos No mesmo seacuteculo teve-se algumas tentativas para ocorrer a transiccedilatildeo da roda hidraacuteulica para agrave
turbina
Entretanto somente no seacuteculo XIX o termo turbina apareceu por meio de Claude Burdin (1790-1873) que publicou o trabalho ldquoDas turbinas hidraacuteulicas ou maacutequinas
rotativas de grande velocidaderdquo sobre uma anaacutelise teoacuterica que dava importacircncia a
velocidade de rotaccedilatildeo (JUNIOR 2013 p8)
Por fim seu aluno Benoit Fourneyron (1802-1867) desenhou e construiu rodas que
atingiam velocidades de rotaccedilatildeo de 60 rpm ou mais e que forneciam ateacute 50 CV nas
faacutebricas metaluacutergicas francesas Assim em 1827 construiu um turbina centriacutefuga de 6 CV e 80 de rendimento a primeira turbina industrial (ALVES 2007 apud
MACINTYPE 1983)
322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas As turbinas hidraacuteulicas no geral seguem a mesma loacutegica de funcionamento O
movimento giratoacuterio provocado pelo fluxo drsquoaacutegua faz girar o rotor do gerador eleacutetrico
que estaacute acoplado na turbina fazendo com que o deslocamento do campo magneacutetico
transforme a potecircncia de eixo em potecircncia eleacutetrica
As principais condiccedilotildees para a escolha da turbina ideal satildeo a queda d`aacutegua vazatildeo e
velocidade especiacutefica A altura da queda d`aacutegua eacute medida como a distacircncia vertical
entre a superfiacutecie mais alta e mais baixa da queda deduzido de eventuais perdas tais
como o atrito do tubo A vazatildeo eacute medida pela quantidade total de aacutegua que passa
atraveacutes da turbina
Turbinas em geral podem operar atraveacutes de distintas vazotildees Entretanto a eficiecircncia
da turbina diminui quando a taxa de vazatildeo varia em comparaccedilatildeo com a taxa de
vazatildeo ideal pois com o dimensionamento errocircneo pode-se instalar uma turbina que
em sua eficiecircncia maacutexima natildeo supere o fluxo disponiacutevel quando a vazatildeo eacute maacutexima
7
Assim aleacutem dos fatores citados a anaacutelise detalhada do fluxo ao longo do tempo deve
de ser realizada para que a escolha da turbina supra as necessidades de projeto
Vale ressaltar que atualmente a eficiecircncia das turbinas estaacute em torno de 85 a 95
sem as perdas hidraacuteulicas ou mecacircnicas que possam ocorrer (APPLEGATE INC
2013 p3)
As turbinas satildeo constituiacutedas essencialmente por distribuidor a roda moacutevel ou rotor o
difusor ou tubo de succcedilatildeo e sua carcaccedila O distribuidor conduz a aacutegua agrave roda pela
direccedilatildeo correta e regula a vazatildeo O rotor eacute responsaacutevel por transformar parte da
energia hidraacuteulica em trabalho mecacircnico O difusor recupera a altura entre a saiacuteda da
roda e o niacutevel do canal de fuga e a carcaccedila desacelera o fluxo drsquoaacutegua poacutes-turbina devolvendo-a ao corpo drsquoaacutegua (JUacuteNIOR 2013 p 9)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52)
8
323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines Nas aacutereas urbanas o percentual da populaccedilatildeo com acesso agrave eletricidade eacute elevado
devido ao baixo custo de conexatildeo agrave rede Em aacutereas rurais no entanto o acesso eacute
limitado devido ao alto custo de estender a rede aos centros de baixa densidade
populacional As tecnologias de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em baixa escala satildeo capazes de fornecer a eletricidade onde a extensatildeo da rede eacute muito cara e onde ndash
tradicionalmente haacute uma precariedade de atendimento das concessionarias de
energia e os consumidores tecircm baixo consumo de energia (WILLIAMSON 2012
p43) Com a energia eleacutetrica seria possiacutevel estender as atividades produtivas
aproveitar os recursos naturais aumentar o mercado de trabalho e melhorar sua
situaccedilatildeo econocircmica cultural e social (ALVES 2007 p2)
A tecnologia Low Head Turbine eacute uma tecnologia possiacutevel de ser utilizada nestas
comunidades que vivem em lugares de difiacutecil acesso e aleacutem disso possuem recursos
locais (rios de pequeno porte eou coacuterregos) capazes para produzir sua proacutepria
energia jaacute que dependendo da quantidade de energia gerada natildeo se precisa de retenccedilatildeo de aacutegua e grandes quedas d` aacutegua
As turbinas em questatildeo somente exigem uma queda de menos de 10 metros
(normal muito menos) e um fluxo de aacutegua suficiente (ateacute 5 m3s aprox) para prover
energia adequada pois num primeiro momento estes locais apresentam baixa
demanda de energia (ateacute 500 W) em especial representadas por iluminaccedilatildeo agrave noite e um raacutedio ou televisatildeo para entretenimento
As Low Head Turbines que produzem 200 a 1000 W de potecircncia e satildeo
particularmente populares em aacutereas rurais porque satildeo usadas para gerar
eletricidade para iluminaccedilatildeoTV raacutedio ventilador de mesa refrigeraccedilatildeo alimentaccedilatildeo
de ferramentas agriacutecolas processamento de alimentos e a carga da bateria em
aacutereas rurais (LAHIMER 2012 p 5865)
Em um relatoacuterio do Banco Mundial foi comprovado que a energia hidreleacutetrica em
baixa escala no geral representou a oportunidade mais barata para a geraccedilatildeo de
energia com menos de 5 kW em 2005 e foi projetado para ser de pelo menos 25
9
mais barata do que outras alternativas ainda depois de dez anos (WILLIAMSON
2012 p43)
324 Classificaccedilatildeo das Turbinas As turbinas satildeo divididas em duas categorias de reaccedilatildeo e impulso ou accedilatildeo As turbinas de impulso a energia hidraacuteulica disponiacutevel eacute transformada em energia
cineacutetica para apoacutes incidir nas paacutes do rotor transformar-se em mecacircnica todo o
escoamento ocorre sem variaccedilatildeo de pressatildeo atmosfeacuterica com mesma pressatildeo de
entrada e saiacuteda
Jaacute as de reaccedilatildeo o rotor eacute completamente imerso na aacutegua assim no escoamento ocorre uma queda de pressatildeo e de velocidade entre a entrada e a saiacuteda do rotor A
pressatildeo de saiacuteda eacute inferior agrave entrada e em funccedilatildeo disso satildeo normalmente utilizadas
para meacutedias e baixas quedas
Em baixas velocidades de operaccedilatildeo a eficiecircncia das turbinas de reaccedilatildeo eacute normalmente maior do que as de turbina de impulso Na categoria das turbinas de
reaccedilatildeo ainda tem-se uma subdivisatildeo entre turbinas de escoamento radiais e turbinas
de escoamento axiais No qual as radiais o fluxo eacute perpendicular ao eixo de rotaccedilatildeo
enquanto as axiais o fluxo eacute aproximadamente paralelo ao eixo de rotaccedilatildeo (JUNIOR
2003 p 11)
Tradicionalmente o uso de turbinas hidraacuteulicas tem-se concentrado no tipo Pelton
com um ou mais jatos no caso das maacutequinas de impulso na Francis Heacutelice e
Kaplan no caso do tipo de reaccedilatildeo (SANTOS 2010 p 31)
3241 De Impulso Turbina Pelton eacute utilizada em altas quedas e velocidade de rotaccedilatildeo mais baixa
Alturas superiores a 150 metros podendo chegar ateacute 2000 metros (EISENRING
1991) Com eixo horizontal para o caso de um ou dois jatos e eixo vertical para um
nuacutemero de jatos de trecircs a seis satildeo alcanccediladas potecircncias que podem chegar mais de
10
100 MW por unidade e quedas da ordem de 1900 metros Geralmente a turbina
Pelton possui alta eficiecircncia entre 70-90 NATIONAL RENEWABLE ENERGY
LABORATORY 2011)
Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
A turbina de fluxo cruzado eacute outra turbina que possui destaque nas classificadas
como de impulso Esse tipo de turbina eacute mais utilizado em altas vazotildees e baixas
quedas d`aacutegua do que as turbinas de Pelton e Turgo (GHOSH 2011) A eficiecircncia de
uma turbina de fluxo cruzado depende de seus paracircmetros geomeacutetricos como o
nuacutemero de laminas diacircmetro do rotor arco de entrada do bico e acircngulo de ataque
Turbina Turgo eacute uma maacutequina de impulso similar a turbina Pelton A eficaacutecia na transmissatildeo de energia a partir do jato de aacutegua para o gerador de turbina Turgo depende da velocidade de eixo Assim Cobb e Shar em Impulse (Turgo and Pelton)
turbine performance characteristics and their impact on pico-hydro installations 2007
realizaram um estudo e constaram que o pico de eficiecircncia pode ser conseguido em
uma proporccedilatildeo de baixa velocidade
11
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
3242 De Reaccedilatildeo A turbina Francis escoamento radial eacute a mais usada em grandes usinas hidreleacutetricas
No Brasil a usina hidreleacutetrica mais conhecida Itaipu utiliza este tipo de turbina E de acordo com os dados oficiais da Usina tem-se uma queda liacutequida de projeto de 1184
metros vazatildeo nominal de 690 m3s e uma potecircncia nominal de 715MW Suas
caracteriacutesticas hidraacuteulicas especiais permitem fabricar unidades compactas de alta
velocidade ateacute as potecircncias mais elevadas Para valores inferiores da queda utilizam-
se turbinas de caixa aberta Ela pode ser usada para grandes meacutedias ou pequenas
hidreleacutetricas com quedas entre 1 metro e 900 metros Elbatran et al concluiu que a eficaacutecia de uma turbina Francis depende principalmente do desenvolvimento do seu
voacutertice helicoidal
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
12
O uacuteltimo tipo de turbina de reaccedilatildeo escoamento axial abrange subcategorias em sua
abrangecircncia As turbinas cujas as paacutes do rotor satildeo fixas conhecidas como turbinas
HelicePropeller e as com paacutes do rotor ajustaacuteveis tendo como turbina de referecircncia Kaplan Suas semelhanccedilas satildeo possuir baixa velocidade entre 70 e 350 rpm e
serem utilizadas em baixa queda (ANEEL 2002 p25) Outros tipos de maacutequinas
axiais satildeo as turbinas Tubulares Bulbo e Straflo
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
As mais utilizadas satildeo a de tipo HeacutelicePropeller e Kaplan A turbina Heacutelice veio da
necessidade da obtenccedilatildeo de turbinas com velocidades consideraacuteveis em baixas
quedas e grandes descargas que teve origem em 1908 (RAMOS 2008 Cap8)
Tambeacutem aliam caracteriacutesticas de serem simples e de baixo custo Elas consistem de basicamente de um rotor similar a heacutelice de navio ajustada internamente na
continuaccedilatildeo de um conduto com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a
tubulaccedilatildeo muda de direccedilatildeo (JUNIOR 2011 p15)
Jaacute a turbina Kaplan satildeo adaptadas a baixa altura topograacutefica e grandes descargas
As paacutes satildeo moacuteveis que permitem variar o seu acircngulo de ataque com um mecanismo de orientaccedilatildeo que eacute controlado pelo regulador da turbina isso faz com que a
inclinaccedilatildeo das paacutes se ajuste conforme a variaccedilatildeo da descarga e potecircncia sem
apreciaacutevel variaccedilatildeo do rendimento (GUEDES1994 p 6) A usina hidreleacutetrica de Trecircs
Marias funciona com turbina Kaplan por exemplo
13
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo Turbinas de impulso como o Turgo Pelton e turbinas de Fluxo Cruzado tecircm muitas
vantagens Elas tecircm uma eficiecircncia maior especialmente em condiccedilotildees de fluxo
parcial o que pode fornecer mais do que 90 de eficaacutecia A eficiecircncia tambeacutem eacute
passiacutevel de se manter em valores elevados mesmo variando-se as condiccedilotildees de
trabalho (ex vazatildeo variaacutevel) Satildeo faacuteceis de manter e fabricar os eixos natildeo
necessitam de qualquer selo de pressatildeo tendo uma maior toleracircncia a areia e outras partiacuteculas em aacutegua com pouco efeito sobre o desempenho das turbinas Aleacutem disso
a turbina Pelton e Turgo tecircm projetos simples e satildeo rentaacuteveis em escalas de micro
hidreleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 46)
Contudo a Turgo e Pelton em locais de baixa queda natildeo se mostram rentaacuteveis
14
quando leva-se em conta suas caracteriacutesticas de desempenho e anaacutelise de custo ao
contraacuterio da turbina de Fluxo Cruzado que eacute mais adequado para aplicaccedilotildees de baixa
queda porque a sua eficiecircncia depende basicamente da vazatildeo e os outros dois tipos natildeo Turbinas de impulso tambeacutem tem velocidade especiacutefica menor o que seria
necessaacuterio a instalaccedilatildeo de um sistema que aumentasse a velocidade da aacutegua
(ELBATRAN 2014 p 46)
As de reaccedilatildeo satildeo mais apropriadas para condiccedilotildees de baixa queda por possuiacuterem
maiores velocidades especiacuteficas jaacute que as turbinas estatildeo conectadas diretamente ao
alternador sem a necessidade do sistema de transmissatildeo Consequentemente o
custo de remoccedilatildeo do sistema de acionamento eacute significativamente baixo Estas
turbinas podem tambeacutem ser utilizadas em diferentes quedas a turbina Francis eacute
apropriada para o meacutedias a altas quedas enquanto a Propeller e BFT satildeo mais
adequados para as quedas menores (ELBATRAN 2014 p 46) FONTE
Por outro lado a implantaccedilatildeo de turbinas de reaccedilatildeo eacute mais complicada do que as
turbinas de impulso porque requerem a utilizaccedilatildeo de lacircminas de revestimento isto
pode causar o aumento no custo do orccedilamento inicial Portanto o uso de turbinas de
reaccedilatildeo nos esquemas de micro hidreleacutetricas eacute menos atraente especialmente em
aacutereas com populaccedilatildeo de baixa renda No entanto BFT e Propeller hoje em dia foram melhoradas para serem utilizadas em instalaccedilotildees de micro hidreleacutetricas mas com a
condiccedilatildeo de que os ambientes tenham queda e vazatildeo regulares (ELBATRAN 2014
p46)
Natildeo obstante haacute uma seacuterie de soluccedilotildees em relaccedilatildeo a este assunto tais como
condutas forccediladas de baixo custo tipo de desenvolvimento das turbinas e gerador de
induccedilatildeo tudo para eliminar o custo total dos sistemas e tornaacute-los mais acessiacuteveis nas
aplicaccedilotildees em zonas remotas e montanhosas A reduccedilatildeo do custo da turbina eacute a
maneira mais eficaz de reduzir o orccedilamento inicial de projeto pois eacute a parte mais
onerosa no sistema
Uma seacuterie de opccedilotildees de configuraccedilatildeo de turbina tecircm sido propostas para reduzir o custo do conjunto de microturbinas Bomba centrifuga funcionando como turbina
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
4
3 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
31 Energia Hidreleacutetrica No Brasil a utilizaccedilatildeo de energia hidreleacutetrica no Brasil teve iniacutecio em 1883 com a
instalaccedilatildeo da usina de Ribeiratildeo do Inferno em Diamantina (MG) Jaacute em 1889 entrou
em operaccedilatildeo a usina de Marmelos Zero ndash instalada no rio Paraibuna a 7 km de Juiz
de Fora (MG) ndash foi a primeira com a finalidade de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para o
uso puacuteblico com 250 kW de potecircncia instalada (CACHAPUZ 2006 p15)
A primeira hidreleacutetrica de maior porte comeccedilou a ser construiacuteda no Nordeste (Paulo
Afonso I com potecircncia de 180 MW) pela Companhia Hidreleacutetrica do Satildeo Francisco
(estatal constituiacuteda em 1948) As demais erguidas ao longo dos 60 anos seguintes
concentraram-se nas regiotildees Sul Sudeste e Nordeste (com o aproveitamento
integral do rio Satildeo Francisco) No Norte foram construiacutedas Tucuruiacute no Paraacute e Balbina no Amazonas Nos anos 90 a Usina Serra da Mesa (GO) no rio Tocantins
(Atlas Energia Eleacutetrica no Brasil ANEEL 2008 p57) Todas as construiacutedas ateacute o
momento possuindo capacidade eleacutetrica entre 3984 MW a 8370 MW de acordo
com dados fornecidos pelo Governo Federal Brasileiro
Pacheco (2013 apud TUNDISI 2005) constatou que potencial hidreleacutetrico brasileiro
eacute estimado em cerca de 260 GW dos quais 405 estatildeo localizados na Bacia
Hidrograacutefica do Amazonas a Bacia do Paranaacute responde por 23 a do Tocantins
por 106 e a do Satildeo Francisco por 10 Apenas 63 do potencial foi inventariado
e a Regiatildeo Norte tem um grande potencial ainda por explorar
O estudo sobre energia hidreleacutetrica constante do Plano Nacional de Energia 2030
(PNE) realizado pela Empresa de Pesquisa Energeacutetica (EPE) e o Ministeacuterio de
Minas e Energia (MME) em 2007 relacionou o potencial de aproveitamento ainda
existente em cada uma das bacias hidrograacuteficas do paiacutes A bacia do rio Amazonas eacute
a maior com um potencial de 106000 MW superior agrave potecircncia jaacute instalada no
Brasil em 2008 de 102000 MW A bacia do TocantinsAraguaia possui potencial de 28000 MW dos quais quase 12200 MW jaacute estatildeo aproveitados pelas usinas
5
hidreleacutetricas (UHEs) e o potencial a ser aproveitado 90 poreacutem sofrem alguma
restriccedilatildeo ambiental (EPE 2013)
Outra bacia importante eacute a Tapajoacutes Em 2008 a Aneel estudava viabilidade de trecircs
aproveitamentos no rio Teles Pires Em 2013 o potencial hidraacuteulico do Brasil foi
avaliado como tendo somente 26 de sua totalidade utilizado como indicado na Figura 1 colocando o Brasil como 8ordm paiacutes em termos de menor aproveitamento de
seu potencial hidroeleacutetrico
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE 2013)
32 Turbinas
321 Retrospectiva Desde antes de Cristo os mesopotacircmicos e egiacutepcios jaacute utilizavam as maacutequinas
motrizes hidraacuteulicas sendo que o primeiro mecanismo antecessor a turbina
hidraacuteulica foram as rodas drsquoaacutegua que movimentavam-se por meio da aacutegua que
passava por debaixo da roda
6
No seacuteculo XVIII periacuteodo que teve grande desenvolvimento da ciecircncia hidraacuteulica
Daniel Bernoulli (1700-1782) publicou os fundamentos da hidrodinacircmica onde
continha a equaccedilatildeo de equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo de energia para fluidos No mesmo seacuteculo teve-se algumas tentativas para ocorrer a transiccedilatildeo da roda hidraacuteulica para agrave
turbina
Entretanto somente no seacuteculo XIX o termo turbina apareceu por meio de Claude Burdin (1790-1873) que publicou o trabalho ldquoDas turbinas hidraacuteulicas ou maacutequinas
rotativas de grande velocidaderdquo sobre uma anaacutelise teoacuterica que dava importacircncia a
velocidade de rotaccedilatildeo (JUNIOR 2013 p8)
Por fim seu aluno Benoit Fourneyron (1802-1867) desenhou e construiu rodas que
atingiam velocidades de rotaccedilatildeo de 60 rpm ou mais e que forneciam ateacute 50 CV nas
faacutebricas metaluacutergicas francesas Assim em 1827 construiu um turbina centriacutefuga de 6 CV e 80 de rendimento a primeira turbina industrial (ALVES 2007 apud
MACINTYPE 1983)
322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas As turbinas hidraacuteulicas no geral seguem a mesma loacutegica de funcionamento O
movimento giratoacuterio provocado pelo fluxo drsquoaacutegua faz girar o rotor do gerador eleacutetrico
que estaacute acoplado na turbina fazendo com que o deslocamento do campo magneacutetico
transforme a potecircncia de eixo em potecircncia eleacutetrica
As principais condiccedilotildees para a escolha da turbina ideal satildeo a queda d`aacutegua vazatildeo e
velocidade especiacutefica A altura da queda d`aacutegua eacute medida como a distacircncia vertical
entre a superfiacutecie mais alta e mais baixa da queda deduzido de eventuais perdas tais
como o atrito do tubo A vazatildeo eacute medida pela quantidade total de aacutegua que passa
atraveacutes da turbina
Turbinas em geral podem operar atraveacutes de distintas vazotildees Entretanto a eficiecircncia
da turbina diminui quando a taxa de vazatildeo varia em comparaccedilatildeo com a taxa de
vazatildeo ideal pois com o dimensionamento errocircneo pode-se instalar uma turbina que
em sua eficiecircncia maacutexima natildeo supere o fluxo disponiacutevel quando a vazatildeo eacute maacutexima
7
Assim aleacutem dos fatores citados a anaacutelise detalhada do fluxo ao longo do tempo deve
de ser realizada para que a escolha da turbina supra as necessidades de projeto
Vale ressaltar que atualmente a eficiecircncia das turbinas estaacute em torno de 85 a 95
sem as perdas hidraacuteulicas ou mecacircnicas que possam ocorrer (APPLEGATE INC
2013 p3)
As turbinas satildeo constituiacutedas essencialmente por distribuidor a roda moacutevel ou rotor o
difusor ou tubo de succcedilatildeo e sua carcaccedila O distribuidor conduz a aacutegua agrave roda pela
direccedilatildeo correta e regula a vazatildeo O rotor eacute responsaacutevel por transformar parte da
energia hidraacuteulica em trabalho mecacircnico O difusor recupera a altura entre a saiacuteda da
roda e o niacutevel do canal de fuga e a carcaccedila desacelera o fluxo drsquoaacutegua poacutes-turbina devolvendo-a ao corpo drsquoaacutegua (JUacuteNIOR 2013 p 9)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52)
8
323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines Nas aacutereas urbanas o percentual da populaccedilatildeo com acesso agrave eletricidade eacute elevado
devido ao baixo custo de conexatildeo agrave rede Em aacutereas rurais no entanto o acesso eacute
limitado devido ao alto custo de estender a rede aos centros de baixa densidade
populacional As tecnologias de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em baixa escala satildeo capazes de fornecer a eletricidade onde a extensatildeo da rede eacute muito cara e onde ndash
tradicionalmente haacute uma precariedade de atendimento das concessionarias de
energia e os consumidores tecircm baixo consumo de energia (WILLIAMSON 2012
p43) Com a energia eleacutetrica seria possiacutevel estender as atividades produtivas
aproveitar os recursos naturais aumentar o mercado de trabalho e melhorar sua
situaccedilatildeo econocircmica cultural e social (ALVES 2007 p2)
A tecnologia Low Head Turbine eacute uma tecnologia possiacutevel de ser utilizada nestas
comunidades que vivem em lugares de difiacutecil acesso e aleacutem disso possuem recursos
locais (rios de pequeno porte eou coacuterregos) capazes para produzir sua proacutepria
energia jaacute que dependendo da quantidade de energia gerada natildeo se precisa de retenccedilatildeo de aacutegua e grandes quedas d` aacutegua
As turbinas em questatildeo somente exigem uma queda de menos de 10 metros
(normal muito menos) e um fluxo de aacutegua suficiente (ateacute 5 m3s aprox) para prover
energia adequada pois num primeiro momento estes locais apresentam baixa
demanda de energia (ateacute 500 W) em especial representadas por iluminaccedilatildeo agrave noite e um raacutedio ou televisatildeo para entretenimento
As Low Head Turbines que produzem 200 a 1000 W de potecircncia e satildeo
particularmente populares em aacutereas rurais porque satildeo usadas para gerar
eletricidade para iluminaccedilatildeoTV raacutedio ventilador de mesa refrigeraccedilatildeo alimentaccedilatildeo
de ferramentas agriacutecolas processamento de alimentos e a carga da bateria em
aacutereas rurais (LAHIMER 2012 p 5865)
Em um relatoacuterio do Banco Mundial foi comprovado que a energia hidreleacutetrica em
baixa escala no geral representou a oportunidade mais barata para a geraccedilatildeo de
energia com menos de 5 kW em 2005 e foi projetado para ser de pelo menos 25
9
mais barata do que outras alternativas ainda depois de dez anos (WILLIAMSON
2012 p43)
324 Classificaccedilatildeo das Turbinas As turbinas satildeo divididas em duas categorias de reaccedilatildeo e impulso ou accedilatildeo As turbinas de impulso a energia hidraacuteulica disponiacutevel eacute transformada em energia
cineacutetica para apoacutes incidir nas paacutes do rotor transformar-se em mecacircnica todo o
escoamento ocorre sem variaccedilatildeo de pressatildeo atmosfeacuterica com mesma pressatildeo de
entrada e saiacuteda
Jaacute as de reaccedilatildeo o rotor eacute completamente imerso na aacutegua assim no escoamento ocorre uma queda de pressatildeo e de velocidade entre a entrada e a saiacuteda do rotor A
pressatildeo de saiacuteda eacute inferior agrave entrada e em funccedilatildeo disso satildeo normalmente utilizadas
para meacutedias e baixas quedas
Em baixas velocidades de operaccedilatildeo a eficiecircncia das turbinas de reaccedilatildeo eacute normalmente maior do que as de turbina de impulso Na categoria das turbinas de
reaccedilatildeo ainda tem-se uma subdivisatildeo entre turbinas de escoamento radiais e turbinas
de escoamento axiais No qual as radiais o fluxo eacute perpendicular ao eixo de rotaccedilatildeo
enquanto as axiais o fluxo eacute aproximadamente paralelo ao eixo de rotaccedilatildeo (JUNIOR
2003 p 11)
Tradicionalmente o uso de turbinas hidraacuteulicas tem-se concentrado no tipo Pelton
com um ou mais jatos no caso das maacutequinas de impulso na Francis Heacutelice e
Kaplan no caso do tipo de reaccedilatildeo (SANTOS 2010 p 31)
3241 De Impulso Turbina Pelton eacute utilizada em altas quedas e velocidade de rotaccedilatildeo mais baixa
Alturas superiores a 150 metros podendo chegar ateacute 2000 metros (EISENRING
1991) Com eixo horizontal para o caso de um ou dois jatos e eixo vertical para um
nuacutemero de jatos de trecircs a seis satildeo alcanccediladas potecircncias que podem chegar mais de
10
100 MW por unidade e quedas da ordem de 1900 metros Geralmente a turbina
Pelton possui alta eficiecircncia entre 70-90 NATIONAL RENEWABLE ENERGY
LABORATORY 2011)
Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
A turbina de fluxo cruzado eacute outra turbina que possui destaque nas classificadas
como de impulso Esse tipo de turbina eacute mais utilizado em altas vazotildees e baixas
quedas d`aacutegua do que as turbinas de Pelton e Turgo (GHOSH 2011) A eficiecircncia de
uma turbina de fluxo cruzado depende de seus paracircmetros geomeacutetricos como o
nuacutemero de laminas diacircmetro do rotor arco de entrada do bico e acircngulo de ataque
Turbina Turgo eacute uma maacutequina de impulso similar a turbina Pelton A eficaacutecia na transmissatildeo de energia a partir do jato de aacutegua para o gerador de turbina Turgo depende da velocidade de eixo Assim Cobb e Shar em Impulse (Turgo and Pelton)
turbine performance characteristics and their impact on pico-hydro installations 2007
realizaram um estudo e constaram que o pico de eficiecircncia pode ser conseguido em
uma proporccedilatildeo de baixa velocidade
11
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
3242 De Reaccedilatildeo A turbina Francis escoamento radial eacute a mais usada em grandes usinas hidreleacutetricas
No Brasil a usina hidreleacutetrica mais conhecida Itaipu utiliza este tipo de turbina E de acordo com os dados oficiais da Usina tem-se uma queda liacutequida de projeto de 1184
metros vazatildeo nominal de 690 m3s e uma potecircncia nominal de 715MW Suas
caracteriacutesticas hidraacuteulicas especiais permitem fabricar unidades compactas de alta
velocidade ateacute as potecircncias mais elevadas Para valores inferiores da queda utilizam-
se turbinas de caixa aberta Ela pode ser usada para grandes meacutedias ou pequenas
hidreleacutetricas com quedas entre 1 metro e 900 metros Elbatran et al concluiu que a eficaacutecia de uma turbina Francis depende principalmente do desenvolvimento do seu
voacutertice helicoidal
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
12
O uacuteltimo tipo de turbina de reaccedilatildeo escoamento axial abrange subcategorias em sua
abrangecircncia As turbinas cujas as paacutes do rotor satildeo fixas conhecidas como turbinas
HelicePropeller e as com paacutes do rotor ajustaacuteveis tendo como turbina de referecircncia Kaplan Suas semelhanccedilas satildeo possuir baixa velocidade entre 70 e 350 rpm e
serem utilizadas em baixa queda (ANEEL 2002 p25) Outros tipos de maacutequinas
axiais satildeo as turbinas Tubulares Bulbo e Straflo
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
As mais utilizadas satildeo a de tipo HeacutelicePropeller e Kaplan A turbina Heacutelice veio da
necessidade da obtenccedilatildeo de turbinas com velocidades consideraacuteveis em baixas
quedas e grandes descargas que teve origem em 1908 (RAMOS 2008 Cap8)
Tambeacutem aliam caracteriacutesticas de serem simples e de baixo custo Elas consistem de basicamente de um rotor similar a heacutelice de navio ajustada internamente na
continuaccedilatildeo de um conduto com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a
tubulaccedilatildeo muda de direccedilatildeo (JUNIOR 2011 p15)
Jaacute a turbina Kaplan satildeo adaptadas a baixa altura topograacutefica e grandes descargas
As paacutes satildeo moacuteveis que permitem variar o seu acircngulo de ataque com um mecanismo de orientaccedilatildeo que eacute controlado pelo regulador da turbina isso faz com que a
inclinaccedilatildeo das paacutes se ajuste conforme a variaccedilatildeo da descarga e potecircncia sem
apreciaacutevel variaccedilatildeo do rendimento (GUEDES1994 p 6) A usina hidreleacutetrica de Trecircs
Marias funciona com turbina Kaplan por exemplo
13
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo Turbinas de impulso como o Turgo Pelton e turbinas de Fluxo Cruzado tecircm muitas
vantagens Elas tecircm uma eficiecircncia maior especialmente em condiccedilotildees de fluxo
parcial o que pode fornecer mais do que 90 de eficaacutecia A eficiecircncia tambeacutem eacute
passiacutevel de se manter em valores elevados mesmo variando-se as condiccedilotildees de
trabalho (ex vazatildeo variaacutevel) Satildeo faacuteceis de manter e fabricar os eixos natildeo
necessitam de qualquer selo de pressatildeo tendo uma maior toleracircncia a areia e outras partiacuteculas em aacutegua com pouco efeito sobre o desempenho das turbinas Aleacutem disso
a turbina Pelton e Turgo tecircm projetos simples e satildeo rentaacuteveis em escalas de micro
hidreleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 46)
Contudo a Turgo e Pelton em locais de baixa queda natildeo se mostram rentaacuteveis
14
quando leva-se em conta suas caracteriacutesticas de desempenho e anaacutelise de custo ao
contraacuterio da turbina de Fluxo Cruzado que eacute mais adequado para aplicaccedilotildees de baixa
queda porque a sua eficiecircncia depende basicamente da vazatildeo e os outros dois tipos natildeo Turbinas de impulso tambeacutem tem velocidade especiacutefica menor o que seria
necessaacuterio a instalaccedilatildeo de um sistema que aumentasse a velocidade da aacutegua
(ELBATRAN 2014 p 46)
As de reaccedilatildeo satildeo mais apropriadas para condiccedilotildees de baixa queda por possuiacuterem
maiores velocidades especiacuteficas jaacute que as turbinas estatildeo conectadas diretamente ao
alternador sem a necessidade do sistema de transmissatildeo Consequentemente o
custo de remoccedilatildeo do sistema de acionamento eacute significativamente baixo Estas
turbinas podem tambeacutem ser utilizadas em diferentes quedas a turbina Francis eacute
apropriada para o meacutedias a altas quedas enquanto a Propeller e BFT satildeo mais
adequados para as quedas menores (ELBATRAN 2014 p 46) FONTE
Por outro lado a implantaccedilatildeo de turbinas de reaccedilatildeo eacute mais complicada do que as
turbinas de impulso porque requerem a utilizaccedilatildeo de lacircminas de revestimento isto
pode causar o aumento no custo do orccedilamento inicial Portanto o uso de turbinas de
reaccedilatildeo nos esquemas de micro hidreleacutetricas eacute menos atraente especialmente em
aacutereas com populaccedilatildeo de baixa renda No entanto BFT e Propeller hoje em dia foram melhoradas para serem utilizadas em instalaccedilotildees de micro hidreleacutetricas mas com a
condiccedilatildeo de que os ambientes tenham queda e vazatildeo regulares (ELBATRAN 2014
p46)
Natildeo obstante haacute uma seacuterie de soluccedilotildees em relaccedilatildeo a este assunto tais como
condutas forccediladas de baixo custo tipo de desenvolvimento das turbinas e gerador de
induccedilatildeo tudo para eliminar o custo total dos sistemas e tornaacute-los mais acessiacuteveis nas
aplicaccedilotildees em zonas remotas e montanhosas A reduccedilatildeo do custo da turbina eacute a
maneira mais eficaz de reduzir o orccedilamento inicial de projeto pois eacute a parte mais
onerosa no sistema
Uma seacuterie de opccedilotildees de configuraccedilatildeo de turbina tecircm sido propostas para reduzir o custo do conjunto de microturbinas Bomba centrifuga funcionando como turbina
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
5
hidreleacutetricas (UHEs) e o potencial a ser aproveitado 90 poreacutem sofrem alguma
restriccedilatildeo ambiental (EPE 2013)
Outra bacia importante eacute a Tapajoacutes Em 2008 a Aneel estudava viabilidade de trecircs
aproveitamentos no rio Teles Pires Em 2013 o potencial hidraacuteulico do Brasil foi
avaliado como tendo somente 26 de sua totalidade utilizado como indicado na Figura 1 colocando o Brasil como 8ordm paiacutes em termos de menor aproveitamento de
seu potencial hidroeleacutetrico
Figura 1 Potencial hidraacuteulico utilizado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica (EPE 2013)
32 Turbinas
321 Retrospectiva Desde antes de Cristo os mesopotacircmicos e egiacutepcios jaacute utilizavam as maacutequinas
motrizes hidraacuteulicas sendo que o primeiro mecanismo antecessor a turbina
hidraacuteulica foram as rodas drsquoaacutegua que movimentavam-se por meio da aacutegua que
passava por debaixo da roda
6
No seacuteculo XVIII periacuteodo que teve grande desenvolvimento da ciecircncia hidraacuteulica
Daniel Bernoulli (1700-1782) publicou os fundamentos da hidrodinacircmica onde
continha a equaccedilatildeo de equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo de energia para fluidos No mesmo seacuteculo teve-se algumas tentativas para ocorrer a transiccedilatildeo da roda hidraacuteulica para agrave
turbina
Entretanto somente no seacuteculo XIX o termo turbina apareceu por meio de Claude Burdin (1790-1873) que publicou o trabalho ldquoDas turbinas hidraacuteulicas ou maacutequinas
rotativas de grande velocidaderdquo sobre uma anaacutelise teoacuterica que dava importacircncia a
velocidade de rotaccedilatildeo (JUNIOR 2013 p8)
Por fim seu aluno Benoit Fourneyron (1802-1867) desenhou e construiu rodas que
atingiam velocidades de rotaccedilatildeo de 60 rpm ou mais e que forneciam ateacute 50 CV nas
faacutebricas metaluacutergicas francesas Assim em 1827 construiu um turbina centriacutefuga de 6 CV e 80 de rendimento a primeira turbina industrial (ALVES 2007 apud
MACINTYPE 1983)
322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas As turbinas hidraacuteulicas no geral seguem a mesma loacutegica de funcionamento O
movimento giratoacuterio provocado pelo fluxo drsquoaacutegua faz girar o rotor do gerador eleacutetrico
que estaacute acoplado na turbina fazendo com que o deslocamento do campo magneacutetico
transforme a potecircncia de eixo em potecircncia eleacutetrica
As principais condiccedilotildees para a escolha da turbina ideal satildeo a queda d`aacutegua vazatildeo e
velocidade especiacutefica A altura da queda d`aacutegua eacute medida como a distacircncia vertical
entre a superfiacutecie mais alta e mais baixa da queda deduzido de eventuais perdas tais
como o atrito do tubo A vazatildeo eacute medida pela quantidade total de aacutegua que passa
atraveacutes da turbina
Turbinas em geral podem operar atraveacutes de distintas vazotildees Entretanto a eficiecircncia
da turbina diminui quando a taxa de vazatildeo varia em comparaccedilatildeo com a taxa de
vazatildeo ideal pois com o dimensionamento errocircneo pode-se instalar uma turbina que
em sua eficiecircncia maacutexima natildeo supere o fluxo disponiacutevel quando a vazatildeo eacute maacutexima
7
Assim aleacutem dos fatores citados a anaacutelise detalhada do fluxo ao longo do tempo deve
de ser realizada para que a escolha da turbina supra as necessidades de projeto
Vale ressaltar que atualmente a eficiecircncia das turbinas estaacute em torno de 85 a 95
sem as perdas hidraacuteulicas ou mecacircnicas que possam ocorrer (APPLEGATE INC
2013 p3)
As turbinas satildeo constituiacutedas essencialmente por distribuidor a roda moacutevel ou rotor o
difusor ou tubo de succcedilatildeo e sua carcaccedila O distribuidor conduz a aacutegua agrave roda pela
direccedilatildeo correta e regula a vazatildeo O rotor eacute responsaacutevel por transformar parte da
energia hidraacuteulica em trabalho mecacircnico O difusor recupera a altura entre a saiacuteda da
roda e o niacutevel do canal de fuga e a carcaccedila desacelera o fluxo drsquoaacutegua poacutes-turbina devolvendo-a ao corpo drsquoaacutegua (JUacuteNIOR 2013 p 9)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52)
8
323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines Nas aacutereas urbanas o percentual da populaccedilatildeo com acesso agrave eletricidade eacute elevado
devido ao baixo custo de conexatildeo agrave rede Em aacutereas rurais no entanto o acesso eacute
limitado devido ao alto custo de estender a rede aos centros de baixa densidade
populacional As tecnologias de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em baixa escala satildeo capazes de fornecer a eletricidade onde a extensatildeo da rede eacute muito cara e onde ndash
tradicionalmente haacute uma precariedade de atendimento das concessionarias de
energia e os consumidores tecircm baixo consumo de energia (WILLIAMSON 2012
p43) Com a energia eleacutetrica seria possiacutevel estender as atividades produtivas
aproveitar os recursos naturais aumentar o mercado de trabalho e melhorar sua
situaccedilatildeo econocircmica cultural e social (ALVES 2007 p2)
A tecnologia Low Head Turbine eacute uma tecnologia possiacutevel de ser utilizada nestas
comunidades que vivem em lugares de difiacutecil acesso e aleacutem disso possuem recursos
locais (rios de pequeno porte eou coacuterregos) capazes para produzir sua proacutepria
energia jaacute que dependendo da quantidade de energia gerada natildeo se precisa de retenccedilatildeo de aacutegua e grandes quedas d` aacutegua
As turbinas em questatildeo somente exigem uma queda de menos de 10 metros
(normal muito menos) e um fluxo de aacutegua suficiente (ateacute 5 m3s aprox) para prover
energia adequada pois num primeiro momento estes locais apresentam baixa
demanda de energia (ateacute 500 W) em especial representadas por iluminaccedilatildeo agrave noite e um raacutedio ou televisatildeo para entretenimento
As Low Head Turbines que produzem 200 a 1000 W de potecircncia e satildeo
particularmente populares em aacutereas rurais porque satildeo usadas para gerar
eletricidade para iluminaccedilatildeoTV raacutedio ventilador de mesa refrigeraccedilatildeo alimentaccedilatildeo
de ferramentas agriacutecolas processamento de alimentos e a carga da bateria em
aacutereas rurais (LAHIMER 2012 p 5865)
Em um relatoacuterio do Banco Mundial foi comprovado que a energia hidreleacutetrica em
baixa escala no geral representou a oportunidade mais barata para a geraccedilatildeo de
energia com menos de 5 kW em 2005 e foi projetado para ser de pelo menos 25
9
mais barata do que outras alternativas ainda depois de dez anos (WILLIAMSON
2012 p43)
324 Classificaccedilatildeo das Turbinas As turbinas satildeo divididas em duas categorias de reaccedilatildeo e impulso ou accedilatildeo As turbinas de impulso a energia hidraacuteulica disponiacutevel eacute transformada em energia
cineacutetica para apoacutes incidir nas paacutes do rotor transformar-se em mecacircnica todo o
escoamento ocorre sem variaccedilatildeo de pressatildeo atmosfeacuterica com mesma pressatildeo de
entrada e saiacuteda
Jaacute as de reaccedilatildeo o rotor eacute completamente imerso na aacutegua assim no escoamento ocorre uma queda de pressatildeo e de velocidade entre a entrada e a saiacuteda do rotor A
pressatildeo de saiacuteda eacute inferior agrave entrada e em funccedilatildeo disso satildeo normalmente utilizadas
para meacutedias e baixas quedas
Em baixas velocidades de operaccedilatildeo a eficiecircncia das turbinas de reaccedilatildeo eacute normalmente maior do que as de turbina de impulso Na categoria das turbinas de
reaccedilatildeo ainda tem-se uma subdivisatildeo entre turbinas de escoamento radiais e turbinas
de escoamento axiais No qual as radiais o fluxo eacute perpendicular ao eixo de rotaccedilatildeo
enquanto as axiais o fluxo eacute aproximadamente paralelo ao eixo de rotaccedilatildeo (JUNIOR
2003 p 11)
Tradicionalmente o uso de turbinas hidraacuteulicas tem-se concentrado no tipo Pelton
com um ou mais jatos no caso das maacutequinas de impulso na Francis Heacutelice e
Kaplan no caso do tipo de reaccedilatildeo (SANTOS 2010 p 31)
3241 De Impulso Turbina Pelton eacute utilizada em altas quedas e velocidade de rotaccedilatildeo mais baixa
Alturas superiores a 150 metros podendo chegar ateacute 2000 metros (EISENRING
1991) Com eixo horizontal para o caso de um ou dois jatos e eixo vertical para um
nuacutemero de jatos de trecircs a seis satildeo alcanccediladas potecircncias que podem chegar mais de
10
100 MW por unidade e quedas da ordem de 1900 metros Geralmente a turbina
Pelton possui alta eficiecircncia entre 70-90 NATIONAL RENEWABLE ENERGY
LABORATORY 2011)
Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
A turbina de fluxo cruzado eacute outra turbina que possui destaque nas classificadas
como de impulso Esse tipo de turbina eacute mais utilizado em altas vazotildees e baixas
quedas d`aacutegua do que as turbinas de Pelton e Turgo (GHOSH 2011) A eficiecircncia de
uma turbina de fluxo cruzado depende de seus paracircmetros geomeacutetricos como o
nuacutemero de laminas diacircmetro do rotor arco de entrada do bico e acircngulo de ataque
Turbina Turgo eacute uma maacutequina de impulso similar a turbina Pelton A eficaacutecia na transmissatildeo de energia a partir do jato de aacutegua para o gerador de turbina Turgo depende da velocidade de eixo Assim Cobb e Shar em Impulse (Turgo and Pelton)
turbine performance characteristics and their impact on pico-hydro installations 2007
realizaram um estudo e constaram que o pico de eficiecircncia pode ser conseguido em
uma proporccedilatildeo de baixa velocidade
11
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
3242 De Reaccedilatildeo A turbina Francis escoamento radial eacute a mais usada em grandes usinas hidreleacutetricas
No Brasil a usina hidreleacutetrica mais conhecida Itaipu utiliza este tipo de turbina E de acordo com os dados oficiais da Usina tem-se uma queda liacutequida de projeto de 1184
metros vazatildeo nominal de 690 m3s e uma potecircncia nominal de 715MW Suas
caracteriacutesticas hidraacuteulicas especiais permitem fabricar unidades compactas de alta
velocidade ateacute as potecircncias mais elevadas Para valores inferiores da queda utilizam-
se turbinas de caixa aberta Ela pode ser usada para grandes meacutedias ou pequenas
hidreleacutetricas com quedas entre 1 metro e 900 metros Elbatran et al concluiu que a eficaacutecia de uma turbina Francis depende principalmente do desenvolvimento do seu
voacutertice helicoidal
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
12
O uacuteltimo tipo de turbina de reaccedilatildeo escoamento axial abrange subcategorias em sua
abrangecircncia As turbinas cujas as paacutes do rotor satildeo fixas conhecidas como turbinas
HelicePropeller e as com paacutes do rotor ajustaacuteveis tendo como turbina de referecircncia Kaplan Suas semelhanccedilas satildeo possuir baixa velocidade entre 70 e 350 rpm e
serem utilizadas em baixa queda (ANEEL 2002 p25) Outros tipos de maacutequinas
axiais satildeo as turbinas Tubulares Bulbo e Straflo
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
As mais utilizadas satildeo a de tipo HeacutelicePropeller e Kaplan A turbina Heacutelice veio da
necessidade da obtenccedilatildeo de turbinas com velocidades consideraacuteveis em baixas
quedas e grandes descargas que teve origem em 1908 (RAMOS 2008 Cap8)
Tambeacutem aliam caracteriacutesticas de serem simples e de baixo custo Elas consistem de basicamente de um rotor similar a heacutelice de navio ajustada internamente na
continuaccedilatildeo de um conduto com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a
tubulaccedilatildeo muda de direccedilatildeo (JUNIOR 2011 p15)
Jaacute a turbina Kaplan satildeo adaptadas a baixa altura topograacutefica e grandes descargas
As paacutes satildeo moacuteveis que permitem variar o seu acircngulo de ataque com um mecanismo de orientaccedilatildeo que eacute controlado pelo regulador da turbina isso faz com que a
inclinaccedilatildeo das paacutes se ajuste conforme a variaccedilatildeo da descarga e potecircncia sem
apreciaacutevel variaccedilatildeo do rendimento (GUEDES1994 p 6) A usina hidreleacutetrica de Trecircs
Marias funciona com turbina Kaplan por exemplo
13
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo Turbinas de impulso como o Turgo Pelton e turbinas de Fluxo Cruzado tecircm muitas
vantagens Elas tecircm uma eficiecircncia maior especialmente em condiccedilotildees de fluxo
parcial o que pode fornecer mais do que 90 de eficaacutecia A eficiecircncia tambeacutem eacute
passiacutevel de se manter em valores elevados mesmo variando-se as condiccedilotildees de
trabalho (ex vazatildeo variaacutevel) Satildeo faacuteceis de manter e fabricar os eixos natildeo
necessitam de qualquer selo de pressatildeo tendo uma maior toleracircncia a areia e outras partiacuteculas em aacutegua com pouco efeito sobre o desempenho das turbinas Aleacutem disso
a turbina Pelton e Turgo tecircm projetos simples e satildeo rentaacuteveis em escalas de micro
hidreleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 46)
Contudo a Turgo e Pelton em locais de baixa queda natildeo se mostram rentaacuteveis
14
quando leva-se em conta suas caracteriacutesticas de desempenho e anaacutelise de custo ao
contraacuterio da turbina de Fluxo Cruzado que eacute mais adequado para aplicaccedilotildees de baixa
queda porque a sua eficiecircncia depende basicamente da vazatildeo e os outros dois tipos natildeo Turbinas de impulso tambeacutem tem velocidade especiacutefica menor o que seria
necessaacuterio a instalaccedilatildeo de um sistema que aumentasse a velocidade da aacutegua
(ELBATRAN 2014 p 46)
As de reaccedilatildeo satildeo mais apropriadas para condiccedilotildees de baixa queda por possuiacuterem
maiores velocidades especiacuteficas jaacute que as turbinas estatildeo conectadas diretamente ao
alternador sem a necessidade do sistema de transmissatildeo Consequentemente o
custo de remoccedilatildeo do sistema de acionamento eacute significativamente baixo Estas
turbinas podem tambeacutem ser utilizadas em diferentes quedas a turbina Francis eacute
apropriada para o meacutedias a altas quedas enquanto a Propeller e BFT satildeo mais
adequados para as quedas menores (ELBATRAN 2014 p 46) FONTE
Por outro lado a implantaccedilatildeo de turbinas de reaccedilatildeo eacute mais complicada do que as
turbinas de impulso porque requerem a utilizaccedilatildeo de lacircminas de revestimento isto
pode causar o aumento no custo do orccedilamento inicial Portanto o uso de turbinas de
reaccedilatildeo nos esquemas de micro hidreleacutetricas eacute menos atraente especialmente em
aacutereas com populaccedilatildeo de baixa renda No entanto BFT e Propeller hoje em dia foram melhoradas para serem utilizadas em instalaccedilotildees de micro hidreleacutetricas mas com a
condiccedilatildeo de que os ambientes tenham queda e vazatildeo regulares (ELBATRAN 2014
p46)
Natildeo obstante haacute uma seacuterie de soluccedilotildees em relaccedilatildeo a este assunto tais como
condutas forccediladas de baixo custo tipo de desenvolvimento das turbinas e gerador de
induccedilatildeo tudo para eliminar o custo total dos sistemas e tornaacute-los mais acessiacuteveis nas
aplicaccedilotildees em zonas remotas e montanhosas A reduccedilatildeo do custo da turbina eacute a
maneira mais eficaz de reduzir o orccedilamento inicial de projeto pois eacute a parte mais
onerosa no sistema
Uma seacuterie de opccedilotildees de configuraccedilatildeo de turbina tecircm sido propostas para reduzir o custo do conjunto de microturbinas Bomba centrifuga funcionando como turbina
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
8 BIBLIOGRAFIA CACHAPUZ Paulo Brandi de Barros Usinas da Cemig 1952-2005 A histoacuteria da eletricidade em Minas e no Brasil Rio de Janeiro Centro da Memoacuteria da
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
6
No seacuteculo XVIII periacuteodo que teve grande desenvolvimento da ciecircncia hidraacuteulica
Daniel Bernoulli (1700-1782) publicou os fundamentos da hidrodinacircmica onde
continha a equaccedilatildeo de equaccedilatildeo de conservaccedilatildeo de energia para fluidos No mesmo seacuteculo teve-se algumas tentativas para ocorrer a transiccedilatildeo da roda hidraacuteulica para agrave
turbina
Entretanto somente no seacuteculo XIX o termo turbina apareceu por meio de Claude Burdin (1790-1873) que publicou o trabalho ldquoDas turbinas hidraacuteulicas ou maacutequinas
rotativas de grande velocidaderdquo sobre uma anaacutelise teoacuterica que dava importacircncia a
velocidade de rotaccedilatildeo (JUNIOR 2013 p8)
Por fim seu aluno Benoit Fourneyron (1802-1867) desenhou e construiu rodas que
atingiam velocidades de rotaccedilatildeo de 60 rpm ou mais e que forneciam ateacute 50 CV nas
faacutebricas metaluacutergicas francesas Assim em 1827 construiu um turbina centriacutefuga de 6 CV e 80 de rendimento a primeira turbina industrial (ALVES 2007 apud
MACINTYPE 1983)
322 Caracteriacutesticas e Funcionamento das Turbinas Hidraacuteulicas As turbinas hidraacuteulicas no geral seguem a mesma loacutegica de funcionamento O
movimento giratoacuterio provocado pelo fluxo drsquoaacutegua faz girar o rotor do gerador eleacutetrico
que estaacute acoplado na turbina fazendo com que o deslocamento do campo magneacutetico
transforme a potecircncia de eixo em potecircncia eleacutetrica
As principais condiccedilotildees para a escolha da turbina ideal satildeo a queda d`aacutegua vazatildeo e
velocidade especiacutefica A altura da queda d`aacutegua eacute medida como a distacircncia vertical
entre a superfiacutecie mais alta e mais baixa da queda deduzido de eventuais perdas tais
como o atrito do tubo A vazatildeo eacute medida pela quantidade total de aacutegua que passa
atraveacutes da turbina
Turbinas em geral podem operar atraveacutes de distintas vazotildees Entretanto a eficiecircncia
da turbina diminui quando a taxa de vazatildeo varia em comparaccedilatildeo com a taxa de
vazatildeo ideal pois com o dimensionamento errocircneo pode-se instalar uma turbina que
em sua eficiecircncia maacutexima natildeo supere o fluxo disponiacutevel quando a vazatildeo eacute maacutexima
7
Assim aleacutem dos fatores citados a anaacutelise detalhada do fluxo ao longo do tempo deve
de ser realizada para que a escolha da turbina supra as necessidades de projeto
Vale ressaltar que atualmente a eficiecircncia das turbinas estaacute em torno de 85 a 95
sem as perdas hidraacuteulicas ou mecacircnicas que possam ocorrer (APPLEGATE INC
2013 p3)
As turbinas satildeo constituiacutedas essencialmente por distribuidor a roda moacutevel ou rotor o
difusor ou tubo de succcedilatildeo e sua carcaccedila O distribuidor conduz a aacutegua agrave roda pela
direccedilatildeo correta e regula a vazatildeo O rotor eacute responsaacutevel por transformar parte da
energia hidraacuteulica em trabalho mecacircnico O difusor recupera a altura entre a saiacuteda da
roda e o niacutevel do canal de fuga e a carcaccedila desacelera o fluxo drsquoaacutegua poacutes-turbina devolvendo-a ao corpo drsquoaacutegua (JUacuteNIOR 2013 p 9)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52)
8
323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines Nas aacutereas urbanas o percentual da populaccedilatildeo com acesso agrave eletricidade eacute elevado
devido ao baixo custo de conexatildeo agrave rede Em aacutereas rurais no entanto o acesso eacute
limitado devido ao alto custo de estender a rede aos centros de baixa densidade
populacional As tecnologias de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em baixa escala satildeo capazes de fornecer a eletricidade onde a extensatildeo da rede eacute muito cara e onde ndash
tradicionalmente haacute uma precariedade de atendimento das concessionarias de
energia e os consumidores tecircm baixo consumo de energia (WILLIAMSON 2012
p43) Com a energia eleacutetrica seria possiacutevel estender as atividades produtivas
aproveitar os recursos naturais aumentar o mercado de trabalho e melhorar sua
situaccedilatildeo econocircmica cultural e social (ALVES 2007 p2)
A tecnologia Low Head Turbine eacute uma tecnologia possiacutevel de ser utilizada nestas
comunidades que vivem em lugares de difiacutecil acesso e aleacutem disso possuem recursos
locais (rios de pequeno porte eou coacuterregos) capazes para produzir sua proacutepria
energia jaacute que dependendo da quantidade de energia gerada natildeo se precisa de retenccedilatildeo de aacutegua e grandes quedas d` aacutegua
As turbinas em questatildeo somente exigem uma queda de menos de 10 metros
(normal muito menos) e um fluxo de aacutegua suficiente (ateacute 5 m3s aprox) para prover
energia adequada pois num primeiro momento estes locais apresentam baixa
demanda de energia (ateacute 500 W) em especial representadas por iluminaccedilatildeo agrave noite e um raacutedio ou televisatildeo para entretenimento
As Low Head Turbines que produzem 200 a 1000 W de potecircncia e satildeo
particularmente populares em aacutereas rurais porque satildeo usadas para gerar
eletricidade para iluminaccedilatildeoTV raacutedio ventilador de mesa refrigeraccedilatildeo alimentaccedilatildeo
de ferramentas agriacutecolas processamento de alimentos e a carga da bateria em
aacutereas rurais (LAHIMER 2012 p 5865)
Em um relatoacuterio do Banco Mundial foi comprovado que a energia hidreleacutetrica em
baixa escala no geral representou a oportunidade mais barata para a geraccedilatildeo de
energia com menos de 5 kW em 2005 e foi projetado para ser de pelo menos 25
9
mais barata do que outras alternativas ainda depois de dez anos (WILLIAMSON
2012 p43)
324 Classificaccedilatildeo das Turbinas As turbinas satildeo divididas em duas categorias de reaccedilatildeo e impulso ou accedilatildeo As turbinas de impulso a energia hidraacuteulica disponiacutevel eacute transformada em energia
cineacutetica para apoacutes incidir nas paacutes do rotor transformar-se em mecacircnica todo o
escoamento ocorre sem variaccedilatildeo de pressatildeo atmosfeacuterica com mesma pressatildeo de
entrada e saiacuteda
Jaacute as de reaccedilatildeo o rotor eacute completamente imerso na aacutegua assim no escoamento ocorre uma queda de pressatildeo e de velocidade entre a entrada e a saiacuteda do rotor A
pressatildeo de saiacuteda eacute inferior agrave entrada e em funccedilatildeo disso satildeo normalmente utilizadas
para meacutedias e baixas quedas
Em baixas velocidades de operaccedilatildeo a eficiecircncia das turbinas de reaccedilatildeo eacute normalmente maior do que as de turbina de impulso Na categoria das turbinas de
reaccedilatildeo ainda tem-se uma subdivisatildeo entre turbinas de escoamento radiais e turbinas
de escoamento axiais No qual as radiais o fluxo eacute perpendicular ao eixo de rotaccedilatildeo
enquanto as axiais o fluxo eacute aproximadamente paralelo ao eixo de rotaccedilatildeo (JUNIOR
2003 p 11)
Tradicionalmente o uso de turbinas hidraacuteulicas tem-se concentrado no tipo Pelton
com um ou mais jatos no caso das maacutequinas de impulso na Francis Heacutelice e
Kaplan no caso do tipo de reaccedilatildeo (SANTOS 2010 p 31)
3241 De Impulso Turbina Pelton eacute utilizada em altas quedas e velocidade de rotaccedilatildeo mais baixa
Alturas superiores a 150 metros podendo chegar ateacute 2000 metros (EISENRING
1991) Com eixo horizontal para o caso de um ou dois jatos e eixo vertical para um
nuacutemero de jatos de trecircs a seis satildeo alcanccediladas potecircncias que podem chegar mais de
10
100 MW por unidade e quedas da ordem de 1900 metros Geralmente a turbina
Pelton possui alta eficiecircncia entre 70-90 NATIONAL RENEWABLE ENERGY
LABORATORY 2011)
Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
A turbina de fluxo cruzado eacute outra turbina que possui destaque nas classificadas
como de impulso Esse tipo de turbina eacute mais utilizado em altas vazotildees e baixas
quedas d`aacutegua do que as turbinas de Pelton e Turgo (GHOSH 2011) A eficiecircncia de
uma turbina de fluxo cruzado depende de seus paracircmetros geomeacutetricos como o
nuacutemero de laminas diacircmetro do rotor arco de entrada do bico e acircngulo de ataque
Turbina Turgo eacute uma maacutequina de impulso similar a turbina Pelton A eficaacutecia na transmissatildeo de energia a partir do jato de aacutegua para o gerador de turbina Turgo depende da velocidade de eixo Assim Cobb e Shar em Impulse (Turgo and Pelton)
turbine performance characteristics and their impact on pico-hydro installations 2007
realizaram um estudo e constaram que o pico de eficiecircncia pode ser conseguido em
uma proporccedilatildeo de baixa velocidade
11
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
3242 De Reaccedilatildeo A turbina Francis escoamento radial eacute a mais usada em grandes usinas hidreleacutetricas
No Brasil a usina hidreleacutetrica mais conhecida Itaipu utiliza este tipo de turbina E de acordo com os dados oficiais da Usina tem-se uma queda liacutequida de projeto de 1184
metros vazatildeo nominal de 690 m3s e uma potecircncia nominal de 715MW Suas
caracteriacutesticas hidraacuteulicas especiais permitem fabricar unidades compactas de alta
velocidade ateacute as potecircncias mais elevadas Para valores inferiores da queda utilizam-
se turbinas de caixa aberta Ela pode ser usada para grandes meacutedias ou pequenas
hidreleacutetricas com quedas entre 1 metro e 900 metros Elbatran et al concluiu que a eficaacutecia de uma turbina Francis depende principalmente do desenvolvimento do seu
voacutertice helicoidal
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
12
O uacuteltimo tipo de turbina de reaccedilatildeo escoamento axial abrange subcategorias em sua
abrangecircncia As turbinas cujas as paacutes do rotor satildeo fixas conhecidas como turbinas
HelicePropeller e as com paacutes do rotor ajustaacuteveis tendo como turbina de referecircncia Kaplan Suas semelhanccedilas satildeo possuir baixa velocidade entre 70 e 350 rpm e
serem utilizadas em baixa queda (ANEEL 2002 p25) Outros tipos de maacutequinas
axiais satildeo as turbinas Tubulares Bulbo e Straflo
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
As mais utilizadas satildeo a de tipo HeacutelicePropeller e Kaplan A turbina Heacutelice veio da
necessidade da obtenccedilatildeo de turbinas com velocidades consideraacuteveis em baixas
quedas e grandes descargas que teve origem em 1908 (RAMOS 2008 Cap8)
Tambeacutem aliam caracteriacutesticas de serem simples e de baixo custo Elas consistem de basicamente de um rotor similar a heacutelice de navio ajustada internamente na
continuaccedilatildeo de um conduto com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a
tubulaccedilatildeo muda de direccedilatildeo (JUNIOR 2011 p15)
Jaacute a turbina Kaplan satildeo adaptadas a baixa altura topograacutefica e grandes descargas
As paacutes satildeo moacuteveis que permitem variar o seu acircngulo de ataque com um mecanismo de orientaccedilatildeo que eacute controlado pelo regulador da turbina isso faz com que a
inclinaccedilatildeo das paacutes se ajuste conforme a variaccedilatildeo da descarga e potecircncia sem
apreciaacutevel variaccedilatildeo do rendimento (GUEDES1994 p 6) A usina hidreleacutetrica de Trecircs
Marias funciona com turbina Kaplan por exemplo
13
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo Turbinas de impulso como o Turgo Pelton e turbinas de Fluxo Cruzado tecircm muitas
vantagens Elas tecircm uma eficiecircncia maior especialmente em condiccedilotildees de fluxo
parcial o que pode fornecer mais do que 90 de eficaacutecia A eficiecircncia tambeacutem eacute
passiacutevel de se manter em valores elevados mesmo variando-se as condiccedilotildees de
trabalho (ex vazatildeo variaacutevel) Satildeo faacuteceis de manter e fabricar os eixos natildeo
necessitam de qualquer selo de pressatildeo tendo uma maior toleracircncia a areia e outras partiacuteculas em aacutegua com pouco efeito sobre o desempenho das turbinas Aleacutem disso
a turbina Pelton e Turgo tecircm projetos simples e satildeo rentaacuteveis em escalas de micro
hidreleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 46)
Contudo a Turgo e Pelton em locais de baixa queda natildeo se mostram rentaacuteveis
14
quando leva-se em conta suas caracteriacutesticas de desempenho e anaacutelise de custo ao
contraacuterio da turbina de Fluxo Cruzado que eacute mais adequado para aplicaccedilotildees de baixa
queda porque a sua eficiecircncia depende basicamente da vazatildeo e os outros dois tipos natildeo Turbinas de impulso tambeacutem tem velocidade especiacutefica menor o que seria
necessaacuterio a instalaccedilatildeo de um sistema que aumentasse a velocidade da aacutegua
(ELBATRAN 2014 p 46)
As de reaccedilatildeo satildeo mais apropriadas para condiccedilotildees de baixa queda por possuiacuterem
maiores velocidades especiacuteficas jaacute que as turbinas estatildeo conectadas diretamente ao
alternador sem a necessidade do sistema de transmissatildeo Consequentemente o
custo de remoccedilatildeo do sistema de acionamento eacute significativamente baixo Estas
turbinas podem tambeacutem ser utilizadas em diferentes quedas a turbina Francis eacute
apropriada para o meacutedias a altas quedas enquanto a Propeller e BFT satildeo mais
adequados para as quedas menores (ELBATRAN 2014 p 46) FONTE
Por outro lado a implantaccedilatildeo de turbinas de reaccedilatildeo eacute mais complicada do que as
turbinas de impulso porque requerem a utilizaccedilatildeo de lacircminas de revestimento isto
pode causar o aumento no custo do orccedilamento inicial Portanto o uso de turbinas de
reaccedilatildeo nos esquemas de micro hidreleacutetricas eacute menos atraente especialmente em
aacutereas com populaccedilatildeo de baixa renda No entanto BFT e Propeller hoje em dia foram melhoradas para serem utilizadas em instalaccedilotildees de micro hidreleacutetricas mas com a
condiccedilatildeo de que os ambientes tenham queda e vazatildeo regulares (ELBATRAN 2014
p46)
Natildeo obstante haacute uma seacuterie de soluccedilotildees em relaccedilatildeo a este assunto tais como
condutas forccediladas de baixo custo tipo de desenvolvimento das turbinas e gerador de
induccedilatildeo tudo para eliminar o custo total dos sistemas e tornaacute-los mais acessiacuteveis nas
aplicaccedilotildees em zonas remotas e montanhosas A reduccedilatildeo do custo da turbina eacute a
maneira mais eficaz de reduzir o orccedilamento inicial de projeto pois eacute a parte mais
onerosa no sistema
Uma seacuterie de opccedilotildees de configuraccedilatildeo de turbina tecircm sido propostas para reduzir o custo do conjunto de microturbinas Bomba centrifuga funcionando como turbina
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
7
Assim aleacutem dos fatores citados a anaacutelise detalhada do fluxo ao longo do tempo deve
de ser realizada para que a escolha da turbina supra as necessidades de projeto
Vale ressaltar que atualmente a eficiecircncia das turbinas estaacute em torno de 85 a 95
sem as perdas hidraacuteulicas ou mecacircnicas que possam ocorrer (APPLEGATE INC
2013 p3)
As turbinas satildeo constituiacutedas essencialmente por distribuidor a roda moacutevel ou rotor o
difusor ou tubo de succcedilatildeo e sua carcaccedila O distribuidor conduz a aacutegua agrave roda pela
direccedilatildeo correta e regula a vazatildeo O rotor eacute responsaacutevel por transformar parte da
energia hidraacuteulica em trabalho mecacircnico O difusor recupera a altura entre a saiacuteda da
roda e o niacutevel do canal de fuga e a carcaccedila desacelera o fluxo drsquoaacutegua poacutes-turbina devolvendo-a ao corpo drsquoaacutegua (JUacuteNIOR 2013 p 9)
Figura 2 Variaccedilatildeo de pressatildeo e velocidade da aacutegua pelo seu caminho na turbina de reaccedilatildeo (a) e na turbina de accedilatildeo (b) (MACINRYRE 1983 p52)
8
323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines Nas aacutereas urbanas o percentual da populaccedilatildeo com acesso agrave eletricidade eacute elevado
devido ao baixo custo de conexatildeo agrave rede Em aacutereas rurais no entanto o acesso eacute
limitado devido ao alto custo de estender a rede aos centros de baixa densidade
populacional As tecnologias de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em baixa escala satildeo capazes de fornecer a eletricidade onde a extensatildeo da rede eacute muito cara e onde ndash
tradicionalmente haacute uma precariedade de atendimento das concessionarias de
energia e os consumidores tecircm baixo consumo de energia (WILLIAMSON 2012
p43) Com a energia eleacutetrica seria possiacutevel estender as atividades produtivas
aproveitar os recursos naturais aumentar o mercado de trabalho e melhorar sua
situaccedilatildeo econocircmica cultural e social (ALVES 2007 p2)
A tecnologia Low Head Turbine eacute uma tecnologia possiacutevel de ser utilizada nestas
comunidades que vivem em lugares de difiacutecil acesso e aleacutem disso possuem recursos
locais (rios de pequeno porte eou coacuterregos) capazes para produzir sua proacutepria
energia jaacute que dependendo da quantidade de energia gerada natildeo se precisa de retenccedilatildeo de aacutegua e grandes quedas d` aacutegua
As turbinas em questatildeo somente exigem uma queda de menos de 10 metros
(normal muito menos) e um fluxo de aacutegua suficiente (ateacute 5 m3s aprox) para prover
energia adequada pois num primeiro momento estes locais apresentam baixa
demanda de energia (ateacute 500 W) em especial representadas por iluminaccedilatildeo agrave noite e um raacutedio ou televisatildeo para entretenimento
As Low Head Turbines que produzem 200 a 1000 W de potecircncia e satildeo
particularmente populares em aacutereas rurais porque satildeo usadas para gerar
eletricidade para iluminaccedilatildeoTV raacutedio ventilador de mesa refrigeraccedilatildeo alimentaccedilatildeo
de ferramentas agriacutecolas processamento de alimentos e a carga da bateria em
aacutereas rurais (LAHIMER 2012 p 5865)
Em um relatoacuterio do Banco Mundial foi comprovado que a energia hidreleacutetrica em
baixa escala no geral representou a oportunidade mais barata para a geraccedilatildeo de
energia com menos de 5 kW em 2005 e foi projetado para ser de pelo menos 25
9
mais barata do que outras alternativas ainda depois de dez anos (WILLIAMSON
2012 p43)
324 Classificaccedilatildeo das Turbinas As turbinas satildeo divididas em duas categorias de reaccedilatildeo e impulso ou accedilatildeo As turbinas de impulso a energia hidraacuteulica disponiacutevel eacute transformada em energia
cineacutetica para apoacutes incidir nas paacutes do rotor transformar-se em mecacircnica todo o
escoamento ocorre sem variaccedilatildeo de pressatildeo atmosfeacuterica com mesma pressatildeo de
entrada e saiacuteda
Jaacute as de reaccedilatildeo o rotor eacute completamente imerso na aacutegua assim no escoamento ocorre uma queda de pressatildeo e de velocidade entre a entrada e a saiacuteda do rotor A
pressatildeo de saiacuteda eacute inferior agrave entrada e em funccedilatildeo disso satildeo normalmente utilizadas
para meacutedias e baixas quedas
Em baixas velocidades de operaccedilatildeo a eficiecircncia das turbinas de reaccedilatildeo eacute normalmente maior do que as de turbina de impulso Na categoria das turbinas de
reaccedilatildeo ainda tem-se uma subdivisatildeo entre turbinas de escoamento radiais e turbinas
de escoamento axiais No qual as radiais o fluxo eacute perpendicular ao eixo de rotaccedilatildeo
enquanto as axiais o fluxo eacute aproximadamente paralelo ao eixo de rotaccedilatildeo (JUNIOR
2003 p 11)
Tradicionalmente o uso de turbinas hidraacuteulicas tem-se concentrado no tipo Pelton
com um ou mais jatos no caso das maacutequinas de impulso na Francis Heacutelice e
Kaplan no caso do tipo de reaccedilatildeo (SANTOS 2010 p 31)
3241 De Impulso Turbina Pelton eacute utilizada em altas quedas e velocidade de rotaccedilatildeo mais baixa
Alturas superiores a 150 metros podendo chegar ateacute 2000 metros (EISENRING
1991) Com eixo horizontal para o caso de um ou dois jatos e eixo vertical para um
nuacutemero de jatos de trecircs a seis satildeo alcanccediladas potecircncias que podem chegar mais de
10
100 MW por unidade e quedas da ordem de 1900 metros Geralmente a turbina
Pelton possui alta eficiecircncia entre 70-90 NATIONAL RENEWABLE ENERGY
LABORATORY 2011)
Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
A turbina de fluxo cruzado eacute outra turbina que possui destaque nas classificadas
como de impulso Esse tipo de turbina eacute mais utilizado em altas vazotildees e baixas
quedas d`aacutegua do que as turbinas de Pelton e Turgo (GHOSH 2011) A eficiecircncia de
uma turbina de fluxo cruzado depende de seus paracircmetros geomeacutetricos como o
nuacutemero de laminas diacircmetro do rotor arco de entrada do bico e acircngulo de ataque
Turbina Turgo eacute uma maacutequina de impulso similar a turbina Pelton A eficaacutecia na transmissatildeo de energia a partir do jato de aacutegua para o gerador de turbina Turgo depende da velocidade de eixo Assim Cobb e Shar em Impulse (Turgo and Pelton)
turbine performance characteristics and their impact on pico-hydro installations 2007
realizaram um estudo e constaram que o pico de eficiecircncia pode ser conseguido em
uma proporccedilatildeo de baixa velocidade
11
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
3242 De Reaccedilatildeo A turbina Francis escoamento radial eacute a mais usada em grandes usinas hidreleacutetricas
No Brasil a usina hidreleacutetrica mais conhecida Itaipu utiliza este tipo de turbina E de acordo com os dados oficiais da Usina tem-se uma queda liacutequida de projeto de 1184
metros vazatildeo nominal de 690 m3s e uma potecircncia nominal de 715MW Suas
caracteriacutesticas hidraacuteulicas especiais permitem fabricar unidades compactas de alta
velocidade ateacute as potecircncias mais elevadas Para valores inferiores da queda utilizam-
se turbinas de caixa aberta Ela pode ser usada para grandes meacutedias ou pequenas
hidreleacutetricas com quedas entre 1 metro e 900 metros Elbatran et al concluiu que a eficaacutecia de uma turbina Francis depende principalmente do desenvolvimento do seu
voacutertice helicoidal
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
12
O uacuteltimo tipo de turbina de reaccedilatildeo escoamento axial abrange subcategorias em sua
abrangecircncia As turbinas cujas as paacutes do rotor satildeo fixas conhecidas como turbinas
HelicePropeller e as com paacutes do rotor ajustaacuteveis tendo como turbina de referecircncia Kaplan Suas semelhanccedilas satildeo possuir baixa velocidade entre 70 e 350 rpm e
serem utilizadas em baixa queda (ANEEL 2002 p25) Outros tipos de maacutequinas
axiais satildeo as turbinas Tubulares Bulbo e Straflo
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
As mais utilizadas satildeo a de tipo HeacutelicePropeller e Kaplan A turbina Heacutelice veio da
necessidade da obtenccedilatildeo de turbinas com velocidades consideraacuteveis em baixas
quedas e grandes descargas que teve origem em 1908 (RAMOS 2008 Cap8)
Tambeacutem aliam caracteriacutesticas de serem simples e de baixo custo Elas consistem de basicamente de um rotor similar a heacutelice de navio ajustada internamente na
continuaccedilatildeo de um conduto com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a
tubulaccedilatildeo muda de direccedilatildeo (JUNIOR 2011 p15)
Jaacute a turbina Kaplan satildeo adaptadas a baixa altura topograacutefica e grandes descargas
As paacutes satildeo moacuteveis que permitem variar o seu acircngulo de ataque com um mecanismo de orientaccedilatildeo que eacute controlado pelo regulador da turbina isso faz com que a
inclinaccedilatildeo das paacutes se ajuste conforme a variaccedilatildeo da descarga e potecircncia sem
apreciaacutevel variaccedilatildeo do rendimento (GUEDES1994 p 6) A usina hidreleacutetrica de Trecircs
Marias funciona com turbina Kaplan por exemplo
13
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo Turbinas de impulso como o Turgo Pelton e turbinas de Fluxo Cruzado tecircm muitas
vantagens Elas tecircm uma eficiecircncia maior especialmente em condiccedilotildees de fluxo
parcial o que pode fornecer mais do que 90 de eficaacutecia A eficiecircncia tambeacutem eacute
passiacutevel de se manter em valores elevados mesmo variando-se as condiccedilotildees de
trabalho (ex vazatildeo variaacutevel) Satildeo faacuteceis de manter e fabricar os eixos natildeo
necessitam de qualquer selo de pressatildeo tendo uma maior toleracircncia a areia e outras partiacuteculas em aacutegua com pouco efeito sobre o desempenho das turbinas Aleacutem disso
a turbina Pelton e Turgo tecircm projetos simples e satildeo rentaacuteveis em escalas de micro
hidreleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 46)
Contudo a Turgo e Pelton em locais de baixa queda natildeo se mostram rentaacuteveis
14
quando leva-se em conta suas caracteriacutesticas de desempenho e anaacutelise de custo ao
contraacuterio da turbina de Fluxo Cruzado que eacute mais adequado para aplicaccedilotildees de baixa
queda porque a sua eficiecircncia depende basicamente da vazatildeo e os outros dois tipos natildeo Turbinas de impulso tambeacutem tem velocidade especiacutefica menor o que seria
necessaacuterio a instalaccedilatildeo de um sistema que aumentasse a velocidade da aacutegua
(ELBATRAN 2014 p 46)
As de reaccedilatildeo satildeo mais apropriadas para condiccedilotildees de baixa queda por possuiacuterem
maiores velocidades especiacuteficas jaacute que as turbinas estatildeo conectadas diretamente ao
alternador sem a necessidade do sistema de transmissatildeo Consequentemente o
custo de remoccedilatildeo do sistema de acionamento eacute significativamente baixo Estas
turbinas podem tambeacutem ser utilizadas em diferentes quedas a turbina Francis eacute
apropriada para o meacutedias a altas quedas enquanto a Propeller e BFT satildeo mais
adequados para as quedas menores (ELBATRAN 2014 p 46) FONTE
Por outro lado a implantaccedilatildeo de turbinas de reaccedilatildeo eacute mais complicada do que as
turbinas de impulso porque requerem a utilizaccedilatildeo de lacircminas de revestimento isto
pode causar o aumento no custo do orccedilamento inicial Portanto o uso de turbinas de
reaccedilatildeo nos esquemas de micro hidreleacutetricas eacute menos atraente especialmente em
aacutereas com populaccedilatildeo de baixa renda No entanto BFT e Propeller hoje em dia foram melhoradas para serem utilizadas em instalaccedilotildees de micro hidreleacutetricas mas com a
condiccedilatildeo de que os ambientes tenham queda e vazatildeo regulares (ELBATRAN 2014
p46)
Natildeo obstante haacute uma seacuterie de soluccedilotildees em relaccedilatildeo a este assunto tais como
condutas forccediladas de baixo custo tipo de desenvolvimento das turbinas e gerador de
induccedilatildeo tudo para eliminar o custo total dos sistemas e tornaacute-los mais acessiacuteveis nas
aplicaccedilotildees em zonas remotas e montanhosas A reduccedilatildeo do custo da turbina eacute a
maneira mais eficaz de reduzir o orccedilamento inicial de projeto pois eacute a parte mais
onerosa no sistema
Uma seacuterie de opccedilotildees de configuraccedilatildeo de turbina tecircm sido propostas para reduzir o custo do conjunto de microturbinas Bomba centrifuga funcionando como turbina
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
8
323 Turbinas de Pequena Queda ndash Low Head Turbines Nas aacutereas urbanas o percentual da populaccedilatildeo com acesso agrave eletricidade eacute elevado
devido ao baixo custo de conexatildeo agrave rede Em aacutereas rurais no entanto o acesso eacute
limitado devido ao alto custo de estender a rede aos centros de baixa densidade
populacional As tecnologias de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em baixa escala satildeo capazes de fornecer a eletricidade onde a extensatildeo da rede eacute muito cara e onde ndash
tradicionalmente haacute uma precariedade de atendimento das concessionarias de
energia e os consumidores tecircm baixo consumo de energia (WILLIAMSON 2012
p43) Com a energia eleacutetrica seria possiacutevel estender as atividades produtivas
aproveitar os recursos naturais aumentar o mercado de trabalho e melhorar sua
situaccedilatildeo econocircmica cultural e social (ALVES 2007 p2)
A tecnologia Low Head Turbine eacute uma tecnologia possiacutevel de ser utilizada nestas
comunidades que vivem em lugares de difiacutecil acesso e aleacutem disso possuem recursos
locais (rios de pequeno porte eou coacuterregos) capazes para produzir sua proacutepria
energia jaacute que dependendo da quantidade de energia gerada natildeo se precisa de retenccedilatildeo de aacutegua e grandes quedas d` aacutegua
As turbinas em questatildeo somente exigem uma queda de menos de 10 metros
(normal muito menos) e um fluxo de aacutegua suficiente (ateacute 5 m3s aprox) para prover
energia adequada pois num primeiro momento estes locais apresentam baixa
demanda de energia (ateacute 500 W) em especial representadas por iluminaccedilatildeo agrave noite e um raacutedio ou televisatildeo para entretenimento
As Low Head Turbines que produzem 200 a 1000 W de potecircncia e satildeo
particularmente populares em aacutereas rurais porque satildeo usadas para gerar
eletricidade para iluminaccedilatildeoTV raacutedio ventilador de mesa refrigeraccedilatildeo alimentaccedilatildeo
de ferramentas agriacutecolas processamento de alimentos e a carga da bateria em
aacutereas rurais (LAHIMER 2012 p 5865)
Em um relatoacuterio do Banco Mundial foi comprovado que a energia hidreleacutetrica em
baixa escala no geral representou a oportunidade mais barata para a geraccedilatildeo de
energia com menos de 5 kW em 2005 e foi projetado para ser de pelo menos 25
9
mais barata do que outras alternativas ainda depois de dez anos (WILLIAMSON
2012 p43)
324 Classificaccedilatildeo das Turbinas As turbinas satildeo divididas em duas categorias de reaccedilatildeo e impulso ou accedilatildeo As turbinas de impulso a energia hidraacuteulica disponiacutevel eacute transformada em energia
cineacutetica para apoacutes incidir nas paacutes do rotor transformar-se em mecacircnica todo o
escoamento ocorre sem variaccedilatildeo de pressatildeo atmosfeacuterica com mesma pressatildeo de
entrada e saiacuteda
Jaacute as de reaccedilatildeo o rotor eacute completamente imerso na aacutegua assim no escoamento ocorre uma queda de pressatildeo e de velocidade entre a entrada e a saiacuteda do rotor A
pressatildeo de saiacuteda eacute inferior agrave entrada e em funccedilatildeo disso satildeo normalmente utilizadas
para meacutedias e baixas quedas
Em baixas velocidades de operaccedilatildeo a eficiecircncia das turbinas de reaccedilatildeo eacute normalmente maior do que as de turbina de impulso Na categoria das turbinas de
reaccedilatildeo ainda tem-se uma subdivisatildeo entre turbinas de escoamento radiais e turbinas
de escoamento axiais No qual as radiais o fluxo eacute perpendicular ao eixo de rotaccedilatildeo
enquanto as axiais o fluxo eacute aproximadamente paralelo ao eixo de rotaccedilatildeo (JUNIOR
2003 p 11)
Tradicionalmente o uso de turbinas hidraacuteulicas tem-se concentrado no tipo Pelton
com um ou mais jatos no caso das maacutequinas de impulso na Francis Heacutelice e
Kaplan no caso do tipo de reaccedilatildeo (SANTOS 2010 p 31)
3241 De Impulso Turbina Pelton eacute utilizada em altas quedas e velocidade de rotaccedilatildeo mais baixa
Alturas superiores a 150 metros podendo chegar ateacute 2000 metros (EISENRING
1991) Com eixo horizontal para o caso de um ou dois jatos e eixo vertical para um
nuacutemero de jatos de trecircs a seis satildeo alcanccediladas potecircncias que podem chegar mais de
10
100 MW por unidade e quedas da ordem de 1900 metros Geralmente a turbina
Pelton possui alta eficiecircncia entre 70-90 NATIONAL RENEWABLE ENERGY
LABORATORY 2011)
Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
A turbina de fluxo cruzado eacute outra turbina que possui destaque nas classificadas
como de impulso Esse tipo de turbina eacute mais utilizado em altas vazotildees e baixas
quedas d`aacutegua do que as turbinas de Pelton e Turgo (GHOSH 2011) A eficiecircncia de
uma turbina de fluxo cruzado depende de seus paracircmetros geomeacutetricos como o
nuacutemero de laminas diacircmetro do rotor arco de entrada do bico e acircngulo de ataque
Turbina Turgo eacute uma maacutequina de impulso similar a turbina Pelton A eficaacutecia na transmissatildeo de energia a partir do jato de aacutegua para o gerador de turbina Turgo depende da velocidade de eixo Assim Cobb e Shar em Impulse (Turgo and Pelton)
turbine performance characteristics and their impact on pico-hydro installations 2007
realizaram um estudo e constaram que o pico de eficiecircncia pode ser conseguido em
uma proporccedilatildeo de baixa velocidade
11
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
3242 De Reaccedilatildeo A turbina Francis escoamento radial eacute a mais usada em grandes usinas hidreleacutetricas
No Brasil a usina hidreleacutetrica mais conhecida Itaipu utiliza este tipo de turbina E de acordo com os dados oficiais da Usina tem-se uma queda liacutequida de projeto de 1184
metros vazatildeo nominal de 690 m3s e uma potecircncia nominal de 715MW Suas
caracteriacutesticas hidraacuteulicas especiais permitem fabricar unidades compactas de alta
velocidade ateacute as potecircncias mais elevadas Para valores inferiores da queda utilizam-
se turbinas de caixa aberta Ela pode ser usada para grandes meacutedias ou pequenas
hidreleacutetricas com quedas entre 1 metro e 900 metros Elbatran et al concluiu que a eficaacutecia de uma turbina Francis depende principalmente do desenvolvimento do seu
voacutertice helicoidal
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
12
O uacuteltimo tipo de turbina de reaccedilatildeo escoamento axial abrange subcategorias em sua
abrangecircncia As turbinas cujas as paacutes do rotor satildeo fixas conhecidas como turbinas
HelicePropeller e as com paacutes do rotor ajustaacuteveis tendo como turbina de referecircncia Kaplan Suas semelhanccedilas satildeo possuir baixa velocidade entre 70 e 350 rpm e
serem utilizadas em baixa queda (ANEEL 2002 p25) Outros tipos de maacutequinas
axiais satildeo as turbinas Tubulares Bulbo e Straflo
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
As mais utilizadas satildeo a de tipo HeacutelicePropeller e Kaplan A turbina Heacutelice veio da
necessidade da obtenccedilatildeo de turbinas com velocidades consideraacuteveis em baixas
quedas e grandes descargas que teve origem em 1908 (RAMOS 2008 Cap8)
Tambeacutem aliam caracteriacutesticas de serem simples e de baixo custo Elas consistem de basicamente de um rotor similar a heacutelice de navio ajustada internamente na
continuaccedilatildeo de um conduto com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a
tubulaccedilatildeo muda de direccedilatildeo (JUNIOR 2011 p15)
Jaacute a turbina Kaplan satildeo adaptadas a baixa altura topograacutefica e grandes descargas
As paacutes satildeo moacuteveis que permitem variar o seu acircngulo de ataque com um mecanismo de orientaccedilatildeo que eacute controlado pelo regulador da turbina isso faz com que a
inclinaccedilatildeo das paacutes se ajuste conforme a variaccedilatildeo da descarga e potecircncia sem
apreciaacutevel variaccedilatildeo do rendimento (GUEDES1994 p 6) A usina hidreleacutetrica de Trecircs
Marias funciona com turbina Kaplan por exemplo
13
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo Turbinas de impulso como o Turgo Pelton e turbinas de Fluxo Cruzado tecircm muitas
vantagens Elas tecircm uma eficiecircncia maior especialmente em condiccedilotildees de fluxo
parcial o que pode fornecer mais do que 90 de eficaacutecia A eficiecircncia tambeacutem eacute
passiacutevel de se manter em valores elevados mesmo variando-se as condiccedilotildees de
trabalho (ex vazatildeo variaacutevel) Satildeo faacuteceis de manter e fabricar os eixos natildeo
necessitam de qualquer selo de pressatildeo tendo uma maior toleracircncia a areia e outras partiacuteculas em aacutegua com pouco efeito sobre o desempenho das turbinas Aleacutem disso
a turbina Pelton e Turgo tecircm projetos simples e satildeo rentaacuteveis em escalas de micro
hidreleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 46)
Contudo a Turgo e Pelton em locais de baixa queda natildeo se mostram rentaacuteveis
14
quando leva-se em conta suas caracteriacutesticas de desempenho e anaacutelise de custo ao
contraacuterio da turbina de Fluxo Cruzado que eacute mais adequado para aplicaccedilotildees de baixa
queda porque a sua eficiecircncia depende basicamente da vazatildeo e os outros dois tipos natildeo Turbinas de impulso tambeacutem tem velocidade especiacutefica menor o que seria
necessaacuterio a instalaccedilatildeo de um sistema que aumentasse a velocidade da aacutegua
(ELBATRAN 2014 p 46)
As de reaccedilatildeo satildeo mais apropriadas para condiccedilotildees de baixa queda por possuiacuterem
maiores velocidades especiacuteficas jaacute que as turbinas estatildeo conectadas diretamente ao
alternador sem a necessidade do sistema de transmissatildeo Consequentemente o
custo de remoccedilatildeo do sistema de acionamento eacute significativamente baixo Estas
turbinas podem tambeacutem ser utilizadas em diferentes quedas a turbina Francis eacute
apropriada para o meacutedias a altas quedas enquanto a Propeller e BFT satildeo mais
adequados para as quedas menores (ELBATRAN 2014 p 46) FONTE
Por outro lado a implantaccedilatildeo de turbinas de reaccedilatildeo eacute mais complicada do que as
turbinas de impulso porque requerem a utilizaccedilatildeo de lacircminas de revestimento isto
pode causar o aumento no custo do orccedilamento inicial Portanto o uso de turbinas de
reaccedilatildeo nos esquemas de micro hidreleacutetricas eacute menos atraente especialmente em
aacutereas com populaccedilatildeo de baixa renda No entanto BFT e Propeller hoje em dia foram melhoradas para serem utilizadas em instalaccedilotildees de micro hidreleacutetricas mas com a
condiccedilatildeo de que os ambientes tenham queda e vazatildeo regulares (ELBATRAN 2014
p46)
Natildeo obstante haacute uma seacuterie de soluccedilotildees em relaccedilatildeo a este assunto tais como
condutas forccediladas de baixo custo tipo de desenvolvimento das turbinas e gerador de
induccedilatildeo tudo para eliminar o custo total dos sistemas e tornaacute-los mais acessiacuteveis nas
aplicaccedilotildees em zonas remotas e montanhosas A reduccedilatildeo do custo da turbina eacute a
maneira mais eficaz de reduzir o orccedilamento inicial de projeto pois eacute a parte mais
onerosa no sistema
Uma seacuterie de opccedilotildees de configuraccedilatildeo de turbina tecircm sido propostas para reduzir o custo do conjunto de microturbinas Bomba centrifuga funcionando como turbina
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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MEDEIROS Daniel de Macedo VIANA Augusto Nelson Carvalho REZEK Acircngelo Joseacute Junqueira Estudo de geradores de induccedilatildeo na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em microcentrais hidreleacutetricas 2005 Universidade Federal de Itajubaacute Minas
Gerais Revista Ciecircncias Exatas Taubateacute v 11 n 2 p 9-14 2005
51
SANTOS Renan Mesquita Eficiecircncia energeacutetica no serviccedilo auxiliar de uma pequena central hidreleacutetrica 2010 71f Trabalho de Conclusatildeo de Curso
(Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo Paulo Satildeo Carlos 2010 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
MAIA Thales Alexandre Carvalho Projeto e Construccedilatildeo de um Gerador a Iacutematildes Permanentes de Fluxo Axial para Turbina Eoacutelica de Pequena Potecircncia 2011
197f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em Engenharia Eleacutetrica) ndash
Universidade Federal de Minas Gerais Belo Horizonte 2011 [Orientador Prof
Selecircnio Rocha Silva
DATE Abhijit AKBARZADEH Aliakbar Design and cost analysis of low head simple reaction hydro turbine for remote area power supply 2008 Renewable
Energy Volume 34 (Agosto de 2008) Paacuteginas 409-415
LOOTS I VAN DIJK M BARTA B VAN VUUREN SJ BHAGWAN JN A review of low head hydropower technologies and applications in a South African context 2015 Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 50
(Junho de 2015) Paacuteginas 1254-1268
GUITARRARA Gabriel Bozzola Estimativa de vazatildeo para a implantaccedilatildeo de micro-centrais hidreleacutetricas com utilizaccedilatildeo do SIG 2012 44f Trabalho de
Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo
Paulo Satildeo Carlos 2012 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
ALEXANDER KV GIDDENS EP Microhydro Cost-effective modular systems for low heads 2007 Renewable Energy Volume 33 (2008) Paacuteginas 1379-1391
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Radial- and mixed-flow
turbines for low head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume
34 (2009) Paacuteginas 1885-1894
52
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Axial-flow turbines for low
head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume 34 (2009)
Paacuteginas 35-47
ALVES Gilberto Manoel Avaliaccedilatildeo da viabilidade de implantaccedilatildeo de uma microcentral hidreleacutetrica para atender consumidores localizados em regiotildees isoladas 2007 156 Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Doutorado em Agronomia) ndash
Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
9
mais barata do que outras alternativas ainda depois de dez anos (WILLIAMSON
2012 p43)
324 Classificaccedilatildeo das Turbinas As turbinas satildeo divididas em duas categorias de reaccedilatildeo e impulso ou accedilatildeo As turbinas de impulso a energia hidraacuteulica disponiacutevel eacute transformada em energia
cineacutetica para apoacutes incidir nas paacutes do rotor transformar-se em mecacircnica todo o
escoamento ocorre sem variaccedilatildeo de pressatildeo atmosfeacuterica com mesma pressatildeo de
entrada e saiacuteda
Jaacute as de reaccedilatildeo o rotor eacute completamente imerso na aacutegua assim no escoamento ocorre uma queda de pressatildeo e de velocidade entre a entrada e a saiacuteda do rotor A
pressatildeo de saiacuteda eacute inferior agrave entrada e em funccedilatildeo disso satildeo normalmente utilizadas
para meacutedias e baixas quedas
Em baixas velocidades de operaccedilatildeo a eficiecircncia das turbinas de reaccedilatildeo eacute normalmente maior do que as de turbina de impulso Na categoria das turbinas de
reaccedilatildeo ainda tem-se uma subdivisatildeo entre turbinas de escoamento radiais e turbinas
de escoamento axiais No qual as radiais o fluxo eacute perpendicular ao eixo de rotaccedilatildeo
enquanto as axiais o fluxo eacute aproximadamente paralelo ao eixo de rotaccedilatildeo (JUNIOR
2003 p 11)
Tradicionalmente o uso de turbinas hidraacuteulicas tem-se concentrado no tipo Pelton
com um ou mais jatos no caso das maacutequinas de impulso na Francis Heacutelice e
Kaplan no caso do tipo de reaccedilatildeo (SANTOS 2010 p 31)
3241 De Impulso Turbina Pelton eacute utilizada em altas quedas e velocidade de rotaccedilatildeo mais baixa
Alturas superiores a 150 metros podendo chegar ateacute 2000 metros (EISENRING
1991) Com eixo horizontal para o caso de um ou dois jatos e eixo vertical para um
nuacutemero de jatos de trecircs a seis satildeo alcanccediladas potecircncias que podem chegar mais de
10
100 MW por unidade e quedas da ordem de 1900 metros Geralmente a turbina
Pelton possui alta eficiecircncia entre 70-90 NATIONAL RENEWABLE ENERGY
LABORATORY 2011)
Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
A turbina de fluxo cruzado eacute outra turbina que possui destaque nas classificadas
como de impulso Esse tipo de turbina eacute mais utilizado em altas vazotildees e baixas
quedas d`aacutegua do que as turbinas de Pelton e Turgo (GHOSH 2011) A eficiecircncia de
uma turbina de fluxo cruzado depende de seus paracircmetros geomeacutetricos como o
nuacutemero de laminas diacircmetro do rotor arco de entrada do bico e acircngulo de ataque
Turbina Turgo eacute uma maacutequina de impulso similar a turbina Pelton A eficaacutecia na transmissatildeo de energia a partir do jato de aacutegua para o gerador de turbina Turgo depende da velocidade de eixo Assim Cobb e Shar em Impulse (Turgo and Pelton)
turbine performance characteristics and their impact on pico-hydro installations 2007
realizaram um estudo e constaram que o pico de eficiecircncia pode ser conseguido em
uma proporccedilatildeo de baixa velocidade
11
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
3242 De Reaccedilatildeo A turbina Francis escoamento radial eacute a mais usada em grandes usinas hidreleacutetricas
No Brasil a usina hidreleacutetrica mais conhecida Itaipu utiliza este tipo de turbina E de acordo com os dados oficiais da Usina tem-se uma queda liacutequida de projeto de 1184
metros vazatildeo nominal de 690 m3s e uma potecircncia nominal de 715MW Suas
caracteriacutesticas hidraacuteulicas especiais permitem fabricar unidades compactas de alta
velocidade ateacute as potecircncias mais elevadas Para valores inferiores da queda utilizam-
se turbinas de caixa aberta Ela pode ser usada para grandes meacutedias ou pequenas
hidreleacutetricas com quedas entre 1 metro e 900 metros Elbatran et al concluiu que a eficaacutecia de uma turbina Francis depende principalmente do desenvolvimento do seu
voacutertice helicoidal
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
12
O uacuteltimo tipo de turbina de reaccedilatildeo escoamento axial abrange subcategorias em sua
abrangecircncia As turbinas cujas as paacutes do rotor satildeo fixas conhecidas como turbinas
HelicePropeller e as com paacutes do rotor ajustaacuteveis tendo como turbina de referecircncia Kaplan Suas semelhanccedilas satildeo possuir baixa velocidade entre 70 e 350 rpm e
serem utilizadas em baixa queda (ANEEL 2002 p25) Outros tipos de maacutequinas
axiais satildeo as turbinas Tubulares Bulbo e Straflo
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
As mais utilizadas satildeo a de tipo HeacutelicePropeller e Kaplan A turbina Heacutelice veio da
necessidade da obtenccedilatildeo de turbinas com velocidades consideraacuteveis em baixas
quedas e grandes descargas que teve origem em 1908 (RAMOS 2008 Cap8)
Tambeacutem aliam caracteriacutesticas de serem simples e de baixo custo Elas consistem de basicamente de um rotor similar a heacutelice de navio ajustada internamente na
continuaccedilatildeo de um conduto com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a
tubulaccedilatildeo muda de direccedilatildeo (JUNIOR 2011 p15)
Jaacute a turbina Kaplan satildeo adaptadas a baixa altura topograacutefica e grandes descargas
As paacutes satildeo moacuteveis que permitem variar o seu acircngulo de ataque com um mecanismo de orientaccedilatildeo que eacute controlado pelo regulador da turbina isso faz com que a
inclinaccedilatildeo das paacutes se ajuste conforme a variaccedilatildeo da descarga e potecircncia sem
apreciaacutevel variaccedilatildeo do rendimento (GUEDES1994 p 6) A usina hidreleacutetrica de Trecircs
Marias funciona com turbina Kaplan por exemplo
13
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo Turbinas de impulso como o Turgo Pelton e turbinas de Fluxo Cruzado tecircm muitas
vantagens Elas tecircm uma eficiecircncia maior especialmente em condiccedilotildees de fluxo
parcial o que pode fornecer mais do que 90 de eficaacutecia A eficiecircncia tambeacutem eacute
passiacutevel de se manter em valores elevados mesmo variando-se as condiccedilotildees de
trabalho (ex vazatildeo variaacutevel) Satildeo faacuteceis de manter e fabricar os eixos natildeo
necessitam de qualquer selo de pressatildeo tendo uma maior toleracircncia a areia e outras partiacuteculas em aacutegua com pouco efeito sobre o desempenho das turbinas Aleacutem disso
a turbina Pelton e Turgo tecircm projetos simples e satildeo rentaacuteveis em escalas de micro
hidreleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 46)
Contudo a Turgo e Pelton em locais de baixa queda natildeo se mostram rentaacuteveis
14
quando leva-se em conta suas caracteriacutesticas de desempenho e anaacutelise de custo ao
contraacuterio da turbina de Fluxo Cruzado que eacute mais adequado para aplicaccedilotildees de baixa
queda porque a sua eficiecircncia depende basicamente da vazatildeo e os outros dois tipos natildeo Turbinas de impulso tambeacutem tem velocidade especiacutefica menor o que seria
necessaacuterio a instalaccedilatildeo de um sistema que aumentasse a velocidade da aacutegua
(ELBATRAN 2014 p 46)
As de reaccedilatildeo satildeo mais apropriadas para condiccedilotildees de baixa queda por possuiacuterem
maiores velocidades especiacuteficas jaacute que as turbinas estatildeo conectadas diretamente ao
alternador sem a necessidade do sistema de transmissatildeo Consequentemente o
custo de remoccedilatildeo do sistema de acionamento eacute significativamente baixo Estas
turbinas podem tambeacutem ser utilizadas em diferentes quedas a turbina Francis eacute
apropriada para o meacutedias a altas quedas enquanto a Propeller e BFT satildeo mais
adequados para as quedas menores (ELBATRAN 2014 p 46) FONTE
Por outro lado a implantaccedilatildeo de turbinas de reaccedilatildeo eacute mais complicada do que as
turbinas de impulso porque requerem a utilizaccedilatildeo de lacircminas de revestimento isto
pode causar o aumento no custo do orccedilamento inicial Portanto o uso de turbinas de
reaccedilatildeo nos esquemas de micro hidreleacutetricas eacute menos atraente especialmente em
aacutereas com populaccedilatildeo de baixa renda No entanto BFT e Propeller hoje em dia foram melhoradas para serem utilizadas em instalaccedilotildees de micro hidreleacutetricas mas com a
condiccedilatildeo de que os ambientes tenham queda e vazatildeo regulares (ELBATRAN 2014
p46)
Natildeo obstante haacute uma seacuterie de soluccedilotildees em relaccedilatildeo a este assunto tais como
condutas forccediladas de baixo custo tipo de desenvolvimento das turbinas e gerador de
induccedilatildeo tudo para eliminar o custo total dos sistemas e tornaacute-los mais acessiacuteveis nas
aplicaccedilotildees em zonas remotas e montanhosas A reduccedilatildeo do custo da turbina eacute a
maneira mais eficaz de reduzir o orccedilamento inicial de projeto pois eacute a parte mais
onerosa no sistema
Uma seacuterie de opccedilotildees de configuraccedilatildeo de turbina tecircm sido propostas para reduzir o custo do conjunto de microturbinas Bomba centrifuga funcionando como turbina
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
10
100 MW por unidade e quedas da ordem de 1900 metros Geralmente a turbina
Pelton possui alta eficiecircncia entre 70-90 NATIONAL RENEWABLE ENERGY
LABORATORY 2011)
Figura 3 Turbina Pelton (MELLO 2000)
A turbina de fluxo cruzado eacute outra turbina que possui destaque nas classificadas
como de impulso Esse tipo de turbina eacute mais utilizado em altas vazotildees e baixas
quedas d`aacutegua do que as turbinas de Pelton e Turgo (GHOSH 2011) A eficiecircncia de
uma turbina de fluxo cruzado depende de seus paracircmetros geomeacutetricos como o
nuacutemero de laminas diacircmetro do rotor arco de entrada do bico e acircngulo de ataque
Turbina Turgo eacute uma maacutequina de impulso similar a turbina Pelton A eficaacutecia na transmissatildeo de energia a partir do jato de aacutegua para o gerador de turbina Turgo depende da velocidade de eixo Assim Cobb e Shar em Impulse (Turgo and Pelton)
turbine performance characteristics and their impact on pico-hydro installations 2007
realizaram um estudo e constaram que o pico de eficiecircncia pode ser conseguido em
uma proporccedilatildeo de baixa velocidade
11
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
3242 De Reaccedilatildeo A turbina Francis escoamento radial eacute a mais usada em grandes usinas hidreleacutetricas
No Brasil a usina hidreleacutetrica mais conhecida Itaipu utiliza este tipo de turbina E de acordo com os dados oficiais da Usina tem-se uma queda liacutequida de projeto de 1184
metros vazatildeo nominal de 690 m3s e uma potecircncia nominal de 715MW Suas
caracteriacutesticas hidraacuteulicas especiais permitem fabricar unidades compactas de alta
velocidade ateacute as potecircncias mais elevadas Para valores inferiores da queda utilizam-
se turbinas de caixa aberta Ela pode ser usada para grandes meacutedias ou pequenas
hidreleacutetricas com quedas entre 1 metro e 900 metros Elbatran et al concluiu que a eficaacutecia de uma turbina Francis depende principalmente do desenvolvimento do seu
voacutertice helicoidal
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
12
O uacuteltimo tipo de turbina de reaccedilatildeo escoamento axial abrange subcategorias em sua
abrangecircncia As turbinas cujas as paacutes do rotor satildeo fixas conhecidas como turbinas
HelicePropeller e as com paacutes do rotor ajustaacuteveis tendo como turbina de referecircncia Kaplan Suas semelhanccedilas satildeo possuir baixa velocidade entre 70 e 350 rpm e
serem utilizadas em baixa queda (ANEEL 2002 p25) Outros tipos de maacutequinas
axiais satildeo as turbinas Tubulares Bulbo e Straflo
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
As mais utilizadas satildeo a de tipo HeacutelicePropeller e Kaplan A turbina Heacutelice veio da
necessidade da obtenccedilatildeo de turbinas com velocidades consideraacuteveis em baixas
quedas e grandes descargas que teve origem em 1908 (RAMOS 2008 Cap8)
Tambeacutem aliam caracteriacutesticas de serem simples e de baixo custo Elas consistem de basicamente de um rotor similar a heacutelice de navio ajustada internamente na
continuaccedilatildeo de um conduto com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a
tubulaccedilatildeo muda de direccedilatildeo (JUNIOR 2011 p15)
Jaacute a turbina Kaplan satildeo adaptadas a baixa altura topograacutefica e grandes descargas
As paacutes satildeo moacuteveis que permitem variar o seu acircngulo de ataque com um mecanismo de orientaccedilatildeo que eacute controlado pelo regulador da turbina isso faz com que a
inclinaccedilatildeo das paacutes se ajuste conforme a variaccedilatildeo da descarga e potecircncia sem
apreciaacutevel variaccedilatildeo do rendimento (GUEDES1994 p 6) A usina hidreleacutetrica de Trecircs
Marias funciona com turbina Kaplan por exemplo
13
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo Turbinas de impulso como o Turgo Pelton e turbinas de Fluxo Cruzado tecircm muitas
vantagens Elas tecircm uma eficiecircncia maior especialmente em condiccedilotildees de fluxo
parcial o que pode fornecer mais do que 90 de eficaacutecia A eficiecircncia tambeacutem eacute
passiacutevel de se manter em valores elevados mesmo variando-se as condiccedilotildees de
trabalho (ex vazatildeo variaacutevel) Satildeo faacuteceis de manter e fabricar os eixos natildeo
necessitam de qualquer selo de pressatildeo tendo uma maior toleracircncia a areia e outras partiacuteculas em aacutegua com pouco efeito sobre o desempenho das turbinas Aleacutem disso
a turbina Pelton e Turgo tecircm projetos simples e satildeo rentaacuteveis em escalas de micro
hidreleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 46)
Contudo a Turgo e Pelton em locais de baixa queda natildeo se mostram rentaacuteveis
14
quando leva-se em conta suas caracteriacutesticas de desempenho e anaacutelise de custo ao
contraacuterio da turbina de Fluxo Cruzado que eacute mais adequado para aplicaccedilotildees de baixa
queda porque a sua eficiecircncia depende basicamente da vazatildeo e os outros dois tipos natildeo Turbinas de impulso tambeacutem tem velocidade especiacutefica menor o que seria
necessaacuterio a instalaccedilatildeo de um sistema que aumentasse a velocidade da aacutegua
(ELBATRAN 2014 p 46)
As de reaccedilatildeo satildeo mais apropriadas para condiccedilotildees de baixa queda por possuiacuterem
maiores velocidades especiacuteficas jaacute que as turbinas estatildeo conectadas diretamente ao
alternador sem a necessidade do sistema de transmissatildeo Consequentemente o
custo de remoccedilatildeo do sistema de acionamento eacute significativamente baixo Estas
turbinas podem tambeacutem ser utilizadas em diferentes quedas a turbina Francis eacute
apropriada para o meacutedias a altas quedas enquanto a Propeller e BFT satildeo mais
adequados para as quedas menores (ELBATRAN 2014 p 46) FONTE
Por outro lado a implantaccedilatildeo de turbinas de reaccedilatildeo eacute mais complicada do que as
turbinas de impulso porque requerem a utilizaccedilatildeo de lacircminas de revestimento isto
pode causar o aumento no custo do orccedilamento inicial Portanto o uso de turbinas de
reaccedilatildeo nos esquemas de micro hidreleacutetricas eacute menos atraente especialmente em
aacutereas com populaccedilatildeo de baixa renda No entanto BFT e Propeller hoje em dia foram melhoradas para serem utilizadas em instalaccedilotildees de micro hidreleacutetricas mas com a
condiccedilatildeo de que os ambientes tenham queda e vazatildeo regulares (ELBATRAN 2014
p46)
Natildeo obstante haacute uma seacuterie de soluccedilotildees em relaccedilatildeo a este assunto tais como
condutas forccediladas de baixo custo tipo de desenvolvimento das turbinas e gerador de
induccedilatildeo tudo para eliminar o custo total dos sistemas e tornaacute-los mais acessiacuteveis nas
aplicaccedilotildees em zonas remotas e montanhosas A reduccedilatildeo do custo da turbina eacute a
maneira mais eficaz de reduzir o orccedilamento inicial de projeto pois eacute a parte mais
onerosa no sistema
Uma seacuterie de opccedilotildees de configuraccedilatildeo de turbina tecircm sido propostas para reduzir o custo do conjunto de microturbinas Bomba centrifuga funcionando como turbina
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
11
Figura 4 Turbina Turgo e de Fluxo Cruzado respectivamente (MELLO 2000)
3242 De Reaccedilatildeo A turbina Francis escoamento radial eacute a mais usada em grandes usinas hidreleacutetricas
No Brasil a usina hidreleacutetrica mais conhecida Itaipu utiliza este tipo de turbina E de acordo com os dados oficiais da Usina tem-se uma queda liacutequida de projeto de 1184
metros vazatildeo nominal de 690 m3s e uma potecircncia nominal de 715MW Suas
caracteriacutesticas hidraacuteulicas especiais permitem fabricar unidades compactas de alta
velocidade ateacute as potecircncias mais elevadas Para valores inferiores da queda utilizam-
se turbinas de caixa aberta Ela pode ser usada para grandes meacutedias ou pequenas
hidreleacutetricas com quedas entre 1 metro e 900 metros Elbatran et al concluiu que a eficaacutecia de uma turbina Francis depende principalmente do desenvolvimento do seu
voacutertice helicoidal
Figura 5 Turbina Francis (MELLO 2000)
12
O uacuteltimo tipo de turbina de reaccedilatildeo escoamento axial abrange subcategorias em sua
abrangecircncia As turbinas cujas as paacutes do rotor satildeo fixas conhecidas como turbinas
HelicePropeller e as com paacutes do rotor ajustaacuteveis tendo como turbina de referecircncia Kaplan Suas semelhanccedilas satildeo possuir baixa velocidade entre 70 e 350 rpm e
serem utilizadas em baixa queda (ANEEL 2002 p25) Outros tipos de maacutequinas
axiais satildeo as turbinas Tubulares Bulbo e Straflo
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
As mais utilizadas satildeo a de tipo HeacutelicePropeller e Kaplan A turbina Heacutelice veio da
necessidade da obtenccedilatildeo de turbinas com velocidades consideraacuteveis em baixas
quedas e grandes descargas que teve origem em 1908 (RAMOS 2008 Cap8)
Tambeacutem aliam caracteriacutesticas de serem simples e de baixo custo Elas consistem de basicamente de um rotor similar a heacutelice de navio ajustada internamente na
continuaccedilatildeo de um conduto com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a
tubulaccedilatildeo muda de direccedilatildeo (JUNIOR 2011 p15)
Jaacute a turbina Kaplan satildeo adaptadas a baixa altura topograacutefica e grandes descargas
As paacutes satildeo moacuteveis que permitem variar o seu acircngulo de ataque com um mecanismo de orientaccedilatildeo que eacute controlado pelo regulador da turbina isso faz com que a
inclinaccedilatildeo das paacutes se ajuste conforme a variaccedilatildeo da descarga e potecircncia sem
apreciaacutevel variaccedilatildeo do rendimento (GUEDES1994 p 6) A usina hidreleacutetrica de Trecircs
Marias funciona com turbina Kaplan por exemplo
13
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo Turbinas de impulso como o Turgo Pelton e turbinas de Fluxo Cruzado tecircm muitas
vantagens Elas tecircm uma eficiecircncia maior especialmente em condiccedilotildees de fluxo
parcial o que pode fornecer mais do que 90 de eficaacutecia A eficiecircncia tambeacutem eacute
passiacutevel de se manter em valores elevados mesmo variando-se as condiccedilotildees de
trabalho (ex vazatildeo variaacutevel) Satildeo faacuteceis de manter e fabricar os eixos natildeo
necessitam de qualquer selo de pressatildeo tendo uma maior toleracircncia a areia e outras partiacuteculas em aacutegua com pouco efeito sobre o desempenho das turbinas Aleacutem disso
a turbina Pelton e Turgo tecircm projetos simples e satildeo rentaacuteveis em escalas de micro
hidreleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 46)
Contudo a Turgo e Pelton em locais de baixa queda natildeo se mostram rentaacuteveis
14
quando leva-se em conta suas caracteriacutesticas de desempenho e anaacutelise de custo ao
contraacuterio da turbina de Fluxo Cruzado que eacute mais adequado para aplicaccedilotildees de baixa
queda porque a sua eficiecircncia depende basicamente da vazatildeo e os outros dois tipos natildeo Turbinas de impulso tambeacutem tem velocidade especiacutefica menor o que seria
necessaacuterio a instalaccedilatildeo de um sistema que aumentasse a velocidade da aacutegua
(ELBATRAN 2014 p 46)
As de reaccedilatildeo satildeo mais apropriadas para condiccedilotildees de baixa queda por possuiacuterem
maiores velocidades especiacuteficas jaacute que as turbinas estatildeo conectadas diretamente ao
alternador sem a necessidade do sistema de transmissatildeo Consequentemente o
custo de remoccedilatildeo do sistema de acionamento eacute significativamente baixo Estas
turbinas podem tambeacutem ser utilizadas em diferentes quedas a turbina Francis eacute
apropriada para o meacutedias a altas quedas enquanto a Propeller e BFT satildeo mais
adequados para as quedas menores (ELBATRAN 2014 p 46) FONTE
Por outro lado a implantaccedilatildeo de turbinas de reaccedilatildeo eacute mais complicada do que as
turbinas de impulso porque requerem a utilizaccedilatildeo de lacircminas de revestimento isto
pode causar o aumento no custo do orccedilamento inicial Portanto o uso de turbinas de
reaccedilatildeo nos esquemas de micro hidreleacutetricas eacute menos atraente especialmente em
aacutereas com populaccedilatildeo de baixa renda No entanto BFT e Propeller hoje em dia foram melhoradas para serem utilizadas em instalaccedilotildees de micro hidreleacutetricas mas com a
condiccedilatildeo de que os ambientes tenham queda e vazatildeo regulares (ELBATRAN 2014
p46)
Natildeo obstante haacute uma seacuterie de soluccedilotildees em relaccedilatildeo a este assunto tais como
condutas forccediladas de baixo custo tipo de desenvolvimento das turbinas e gerador de
induccedilatildeo tudo para eliminar o custo total dos sistemas e tornaacute-los mais acessiacuteveis nas
aplicaccedilotildees em zonas remotas e montanhosas A reduccedilatildeo do custo da turbina eacute a
maneira mais eficaz de reduzir o orccedilamento inicial de projeto pois eacute a parte mais
onerosa no sistema
Uma seacuterie de opccedilotildees de configuraccedilatildeo de turbina tecircm sido propostas para reduzir o custo do conjunto de microturbinas Bomba centrifuga funcionando como turbina
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
8 BIBLIOGRAFIA CACHAPUZ Paulo Brandi de Barros Usinas da Cemig 1952-2005 A histoacuteria da eletricidade em Minas e no Brasil Rio de Janeiro Centro da Memoacuteria da
Eletricidade no Brasil 2006
SUPERINTENDEcircNCIA DE ESTUDOS E INFORMACcedilOtildeES HIDROLOacuteGICAS DA ANEEL (SIH) Atlas de energia eleacutetrica do Brasil Agecircncia Nacional de Energia Eleacutetrica 2 ed ndash Brasiacutelia ANEEL 2002
SUPERINTENDEcircNCIA DE ESTUDOS E INFORMACcedilOtildeES HIDROLOacuteGICAS DA ANEEL (SIH) Atlas de energia eleacutetrica do Brasil Agecircncia Nacional de Energia Eleacutetrica 3 ed ndash Brasiacutelia ANEEL 2008
AGEcircNCIA INTERNACIONAL DE ENERGIA (IEA) 2000 Disponiacutevel em lt httpwwwieaorgweoindexhtm gt
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
12
O uacuteltimo tipo de turbina de reaccedilatildeo escoamento axial abrange subcategorias em sua
abrangecircncia As turbinas cujas as paacutes do rotor satildeo fixas conhecidas como turbinas
HelicePropeller e as com paacutes do rotor ajustaacuteveis tendo como turbina de referecircncia Kaplan Suas semelhanccedilas satildeo possuir baixa velocidade entre 70 e 350 rpm e
serem utilizadas em baixa queda (ANEEL 2002 p25) Outros tipos de maacutequinas
axiais satildeo as turbinas Tubulares Bulbo e Straflo
Figura 6 Turbina Heacutelice Propeller (MELLO 2000)
As mais utilizadas satildeo a de tipo HeacutelicePropeller e Kaplan A turbina Heacutelice veio da
necessidade da obtenccedilatildeo de turbinas com velocidades consideraacuteveis em baixas
quedas e grandes descargas que teve origem em 1908 (RAMOS 2008 Cap8)
Tambeacutem aliam caracteriacutesticas de serem simples e de baixo custo Elas consistem de basicamente de um rotor similar a heacutelice de navio ajustada internamente na
continuaccedilatildeo de um conduto com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a
tubulaccedilatildeo muda de direccedilatildeo (JUNIOR 2011 p15)
Jaacute a turbina Kaplan satildeo adaptadas a baixa altura topograacutefica e grandes descargas
As paacutes satildeo moacuteveis que permitem variar o seu acircngulo de ataque com um mecanismo de orientaccedilatildeo que eacute controlado pelo regulador da turbina isso faz com que a
inclinaccedilatildeo das paacutes se ajuste conforme a variaccedilatildeo da descarga e potecircncia sem
apreciaacutevel variaccedilatildeo do rendimento (GUEDES1994 p 6) A usina hidreleacutetrica de Trecircs
Marias funciona com turbina Kaplan por exemplo
13
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo Turbinas de impulso como o Turgo Pelton e turbinas de Fluxo Cruzado tecircm muitas
vantagens Elas tecircm uma eficiecircncia maior especialmente em condiccedilotildees de fluxo
parcial o que pode fornecer mais do que 90 de eficaacutecia A eficiecircncia tambeacutem eacute
passiacutevel de se manter em valores elevados mesmo variando-se as condiccedilotildees de
trabalho (ex vazatildeo variaacutevel) Satildeo faacuteceis de manter e fabricar os eixos natildeo
necessitam de qualquer selo de pressatildeo tendo uma maior toleracircncia a areia e outras partiacuteculas em aacutegua com pouco efeito sobre o desempenho das turbinas Aleacutem disso
a turbina Pelton e Turgo tecircm projetos simples e satildeo rentaacuteveis em escalas de micro
hidreleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 46)
Contudo a Turgo e Pelton em locais de baixa queda natildeo se mostram rentaacuteveis
14
quando leva-se em conta suas caracteriacutesticas de desempenho e anaacutelise de custo ao
contraacuterio da turbina de Fluxo Cruzado que eacute mais adequado para aplicaccedilotildees de baixa
queda porque a sua eficiecircncia depende basicamente da vazatildeo e os outros dois tipos natildeo Turbinas de impulso tambeacutem tem velocidade especiacutefica menor o que seria
necessaacuterio a instalaccedilatildeo de um sistema que aumentasse a velocidade da aacutegua
(ELBATRAN 2014 p 46)
As de reaccedilatildeo satildeo mais apropriadas para condiccedilotildees de baixa queda por possuiacuterem
maiores velocidades especiacuteficas jaacute que as turbinas estatildeo conectadas diretamente ao
alternador sem a necessidade do sistema de transmissatildeo Consequentemente o
custo de remoccedilatildeo do sistema de acionamento eacute significativamente baixo Estas
turbinas podem tambeacutem ser utilizadas em diferentes quedas a turbina Francis eacute
apropriada para o meacutedias a altas quedas enquanto a Propeller e BFT satildeo mais
adequados para as quedas menores (ELBATRAN 2014 p 46) FONTE
Por outro lado a implantaccedilatildeo de turbinas de reaccedilatildeo eacute mais complicada do que as
turbinas de impulso porque requerem a utilizaccedilatildeo de lacircminas de revestimento isto
pode causar o aumento no custo do orccedilamento inicial Portanto o uso de turbinas de
reaccedilatildeo nos esquemas de micro hidreleacutetricas eacute menos atraente especialmente em
aacutereas com populaccedilatildeo de baixa renda No entanto BFT e Propeller hoje em dia foram melhoradas para serem utilizadas em instalaccedilotildees de micro hidreleacutetricas mas com a
condiccedilatildeo de que os ambientes tenham queda e vazatildeo regulares (ELBATRAN 2014
p46)
Natildeo obstante haacute uma seacuterie de soluccedilotildees em relaccedilatildeo a este assunto tais como
condutas forccediladas de baixo custo tipo de desenvolvimento das turbinas e gerador de
induccedilatildeo tudo para eliminar o custo total dos sistemas e tornaacute-los mais acessiacuteveis nas
aplicaccedilotildees em zonas remotas e montanhosas A reduccedilatildeo do custo da turbina eacute a
maneira mais eficaz de reduzir o orccedilamento inicial de projeto pois eacute a parte mais
onerosa no sistema
Uma seacuterie de opccedilotildees de configuraccedilatildeo de turbina tecircm sido propostas para reduzir o custo do conjunto de microturbinas Bomba centrifuga funcionando como turbina
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
13
Figura 7 Turbina Kaplan (MIRANDA 2009)
325 Vantagens e Desvantagens das Turbinas de Impulso e Reaccedilatildeo Turbinas de impulso como o Turgo Pelton e turbinas de Fluxo Cruzado tecircm muitas
vantagens Elas tecircm uma eficiecircncia maior especialmente em condiccedilotildees de fluxo
parcial o que pode fornecer mais do que 90 de eficaacutecia A eficiecircncia tambeacutem eacute
passiacutevel de se manter em valores elevados mesmo variando-se as condiccedilotildees de
trabalho (ex vazatildeo variaacutevel) Satildeo faacuteceis de manter e fabricar os eixos natildeo
necessitam de qualquer selo de pressatildeo tendo uma maior toleracircncia a areia e outras partiacuteculas em aacutegua com pouco efeito sobre o desempenho das turbinas Aleacutem disso
a turbina Pelton e Turgo tecircm projetos simples e satildeo rentaacuteveis em escalas de micro
hidreleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 46)
Contudo a Turgo e Pelton em locais de baixa queda natildeo se mostram rentaacuteveis
14
quando leva-se em conta suas caracteriacutesticas de desempenho e anaacutelise de custo ao
contraacuterio da turbina de Fluxo Cruzado que eacute mais adequado para aplicaccedilotildees de baixa
queda porque a sua eficiecircncia depende basicamente da vazatildeo e os outros dois tipos natildeo Turbinas de impulso tambeacutem tem velocidade especiacutefica menor o que seria
necessaacuterio a instalaccedilatildeo de um sistema que aumentasse a velocidade da aacutegua
(ELBATRAN 2014 p 46)
As de reaccedilatildeo satildeo mais apropriadas para condiccedilotildees de baixa queda por possuiacuterem
maiores velocidades especiacuteficas jaacute que as turbinas estatildeo conectadas diretamente ao
alternador sem a necessidade do sistema de transmissatildeo Consequentemente o
custo de remoccedilatildeo do sistema de acionamento eacute significativamente baixo Estas
turbinas podem tambeacutem ser utilizadas em diferentes quedas a turbina Francis eacute
apropriada para o meacutedias a altas quedas enquanto a Propeller e BFT satildeo mais
adequados para as quedas menores (ELBATRAN 2014 p 46) FONTE
Por outro lado a implantaccedilatildeo de turbinas de reaccedilatildeo eacute mais complicada do que as
turbinas de impulso porque requerem a utilizaccedilatildeo de lacircminas de revestimento isto
pode causar o aumento no custo do orccedilamento inicial Portanto o uso de turbinas de
reaccedilatildeo nos esquemas de micro hidreleacutetricas eacute menos atraente especialmente em
aacutereas com populaccedilatildeo de baixa renda No entanto BFT e Propeller hoje em dia foram melhoradas para serem utilizadas em instalaccedilotildees de micro hidreleacutetricas mas com a
condiccedilatildeo de que os ambientes tenham queda e vazatildeo regulares (ELBATRAN 2014
p46)
Natildeo obstante haacute uma seacuterie de soluccedilotildees em relaccedilatildeo a este assunto tais como
condutas forccediladas de baixo custo tipo de desenvolvimento das turbinas e gerador de
induccedilatildeo tudo para eliminar o custo total dos sistemas e tornaacute-los mais acessiacuteveis nas
aplicaccedilotildees em zonas remotas e montanhosas A reduccedilatildeo do custo da turbina eacute a
maneira mais eficaz de reduzir o orccedilamento inicial de projeto pois eacute a parte mais
onerosa no sistema
Uma seacuterie de opccedilotildees de configuraccedilatildeo de turbina tecircm sido propostas para reduzir o custo do conjunto de microturbinas Bomba centrifuga funcionando como turbina
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
14
quando leva-se em conta suas caracteriacutesticas de desempenho e anaacutelise de custo ao
contraacuterio da turbina de Fluxo Cruzado que eacute mais adequado para aplicaccedilotildees de baixa
queda porque a sua eficiecircncia depende basicamente da vazatildeo e os outros dois tipos natildeo Turbinas de impulso tambeacutem tem velocidade especiacutefica menor o que seria
necessaacuterio a instalaccedilatildeo de um sistema que aumentasse a velocidade da aacutegua
(ELBATRAN 2014 p 46)
As de reaccedilatildeo satildeo mais apropriadas para condiccedilotildees de baixa queda por possuiacuterem
maiores velocidades especiacuteficas jaacute que as turbinas estatildeo conectadas diretamente ao
alternador sem a necessidade do sistema de transmissatildeo Consequentemente o
custo de remoccedilatildeo do sistema de acionamento eacute significativamente baixo Estas
turbinas podem tambeacutem ser utilizadas em diferentes quedas a turbina Francis eacute
apropriada para o meacutedias a altas quedas enquanto a Propeller e BFT satildeo mais
adequados para as quedas menores (ELBATRAN 2014 p 46) FONTE
Por outro lado a implantaccedilatildeo de turbinas de reaccedilatildeo eacute mais complicada do que as
turbinas de impulso porque requerem a utilizaccedilatildeo de lacircminas de revestimento isto
pode causar o aumento no custo do orccedilamento inicial Portanto o uso de turbinas de
reaccedilatildeo nos esquemas de micro hidreleacutetricas eacute menos atraente especialmente em
aacutereas com populaccedilatildeo de baixa renda No entanto BFT e Propeller hoje em dia foram melhoradas para serem utilizadas em instalaccedilotildees de micro hidreleacutetricas mas com a
condiccedilatildeo de que os ambientes tenham queda e vazatildeo regulares (ELBATRAN 2014
p46)
Natildeo obstante haacute uma seacuterie de soluccedilotildees em relaccedilatildeo a este assunto tais como
condutas forccediladas de baixo custo tipo de desenvolvimento das turbinas e gerador de
induccedilatildeo tudo para eliminar o custo total dos sistemas e tornaacute-los mais acessiacuteveis nas
aplicaccedilotildees em zonas remotas e montanhosas A reduccedilatildeo do custo da turbina eacute a
maneira mais eficaz de reduzir o orccedilamento inicial de projeto pois eacute a parte mais
onerosa no sistema
Uma seacuterie de opccedilotildees de configuraccedilatildeo de turbina tecircm sido propostas para reduzir o custo do conjunto de microturbinas Bomba centrifuga funcionando como turbina
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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ASSOCIACcedilAtildeO BRASILEIRA DE NORMAS TEacuteCNICAS ABNT Cataacutelogo Disponiacutevel
em lt httpwwwabntcatalogocombrdefaultaspxgt
49
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Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
15
BFT Propeller e turbina de Fluxo Cruzado podem ser usados como alternativas
adequadas para as zonas rurais e montanhosas para micro instalaccedilotildees
hidroeleacutetricas (ELBATRAN 2014 p 47)
33 Geradores O gerador eacute o equipamento que transforma a energia mecacircnica do rotor em energia
eleacutetrica No caso das turbinas eacute utilizado o alternador que eacute um gerador de corrente
alternada CA O alternador possui aneacuteis circulares mantendo constantes os contatos
das bobinas que eacute o enrolamento presente no interior do gerador no qual produz
campo eletromagneacutetico Como consequecircncia a bobina vai ldquocortandordquo o campo
magneacutetico do indutor e agrave medida que avanccedila dentro do campo a tensatildeo induzida vai
alternando-se fazendo com que o gerador se mova O alternador no caso seraacute movido pela forccedila da aacutegua que ao fazer girar a turbina transformaraacute a potecircncia de
eixo em potecircncia eleacutetrica
Na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica para Low Head Turbine eacute um dos principais
componentes de projeto este componente iraacute operar em velocidades variaacuteveis em
baixa rotaccedilatildeo exposto aos fenocircmenos naturais e ao tempo e deve ser capaz de resistir a estas condiccedilotildees durante longos periacuteodos Para esta aplicaccedilatildeo os mais
usados que estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo os geradores de induccedilatildeo e os
geradores de iacutematilde permanente
De acordo com Medeiros da Universidade Federal de Itajubaacute o gerador de induccedilatildeo
nada mais eacute do que um motor de induccedilatildeo utilizado para gerar energia eleacutetrica existem dois tipos de motores que podem ser usados como gerador O primeiro com
um rotor bobinado e aneacuteis coletores e o segundo possui possui um rotor
denominado rotor em gaiola de esquilo O segundo eacute o mais indicado para trabalhar
como gerador Em comparaccedilatildeo com os gerados siacutencronos que satildeo os mais
utilizados em usinas hidreleacutetricas eles possuem mais algumas vantagens como custo robustez simplicidade sincronismo e sistema de excitaccedilatildeo (MEDEIROS
2005 p 10)
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
8 BIBLIOGRAFIA CACHAPUZ Paulo Brandi de Barros Usinas da Cemig 1952-2005 A histoacuteria da eletricidade em Minas e no Brasil Rio de Janeiro Centro da Memoacuteria da
Eletricidade no Brasil 2006
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
16
Os geradores de iacutematilde permanente satildeo normalmente usados em centrais eoacutelicas pois
viabiliza a geraccedilatildeo em baixa rotaccedilatildeo No caso de Low Head Turbine como o fluxo
de agua natildeo eacute elevado a baixa rotaccedilatildeo para geradores tambeacutem se aplica podendo assim serem inseridos no cenaacuterio hidreleacutetrico de energia O custo de produccedilatildeo de
iacutematildes permanentes no iniacutecio de sua utilizam eram elevados poreacutem com o avanccedilo da
tecnologia este custo teve uma consideraacutevel reduccedilatildeo aumentando sua utilizaccedilatildeo
sendo o Neodiacutemio o principal componente dos geradores iacutematilde permanente (MAIA
2011 p 7)
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
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Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
17
4 MATERIAL E MEacuteTODO
41 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia Com base em pesquisa de mercado publicaccedilotildees teacutecnicas consulta a material de
referecircncia especiacuteficos e orientaccedilotildees da legislaccedilatildeo (ELETROBRASDNAEE 1985)
buscou-se identificar o perfil tiacutepico em funccedilatildeo das seguintes caracteriacutesticas altura
de queda disponiacutevel vazatildeo rotaccedilatildeo do eixo potecircncia necessaacuteria e rendimento total
Aleacutem disso Williamson et al (2012) propocircs um conjunto de criteacuterios para seleccedilatildeo da
turbina mais eficiente dependendo do tipo de projeto usando uma anaacutelise
quantitativa e qualitativa apresentado na Tabela 1
Tabela 1 Analise dos criteacuterios de seleccedilatildeo para turbina (WILLIAMSON 2012)
Criteacuterios Quantitativos Criteacuterios Qualitativos
Fluxo Total Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Fluxo Parcial Eficiecircncia da queda drsquoaacutegua
Meio ambiente ndash Tempo ndash Localizaccedilatildeo
Requer matildeo de obra
Custo Portabilidade
Velocidade de Rotaccedilatildeo da Turbina Manutenccedilatildeo
Tamanho do Sistema Facilidade de fabricaccedilatildeo e design
42 Normas Brasileiras aplicaacuteveis
Pela Lei nordm 8078 de 11091990 Seccedilatildeo IV Das Praacuteticas Abusivas Art 39 Eacute vedado ao fornecedor de produtos ou serviccedilos VIII - colocar no mercado de consumo
qualquer produto ou serviccedilo em desacordo com as normas expedidas pelos oacutergatildeos
oficiais competentes ou se normas especiacuteficas natildeo existirem pela Associaccedilatildeo
Brasileira de Normas Teacutecnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho
Nacional de Metrologia Normalizaccedilatildeo e Qualidade Industrial ndash CONMETRO
Portanto para melhor implantaccedilatildeo de projeto e aceitaccedilatildeo do mercado eacute necessaacuterio
que normas devam ser seguidas para viabilizar o produto no Brasil pois sem respeitar
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
18
algumas normas teacutecnicas brasileiras vaacutelidas para produtos ou empreendimento o
protoacutetipo natildeo poderaacute ascender no mercado e nem seraacute permitido de acordo coma lei
citada acima
Assim tem-se no Brasil a Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas conhecida
como ABNT A ABNT eacute o membro fundador da International Organization for
Standardization (ISO) e International Electrotechnical Commission (IEC) que satildeo
organizaccedilotildees internacionais que tambeacutem tem o objetivo de atuar na avaliaccedilatildeo da
conformidade e dispor de programas para certificaccedilatildeo de produtos sistemas e
rotulagem ambiental
A ABNT produz documentos normativos que satildeo as Normas Teacutecnicas Brasileiras
NBR as mesmas satildeo atualizadas periodicamente para natildeo ficarem obsoletas para
que o padratildeo de qualidade em qualquer aacuterea esteja sempre em concordata consequentemente minimiza-se as falhas evitando defeitos aleacutem de melhorar a
produtividade reduzir a mateacuteria prima o desperdiacutecio e os prejuiacutezos A padronizaccedilatildeo
aumenta a satisfaccedilatildeo do consumidor final e a competitividade no mercado nacional e
internacional
As normas para a implantaccedilatildeo do equipamento a ser desenvolvido satildeo aquelas relacionadas ao setor eleacutetrico brasileiro As normas teacutecnicas satildeo elaboradas e
revisadas por comissotildees de estudos que integram o Comitecirc Brasileiro de
Eletricidade (CB-03) da Associaccedilatildeo Brasileira de Normas Teacutecnicas (ABNT) cujas
atividades satildeo desenvolvidas no acircmbito do Comitecirc Brasileiro de Eletricidade
Eletrocircnica Iluminaccedilatildeo e Telecomunicaccedilotildees (Cobei) que tambeacutem eacute responsaacutevel
pelas atividades do Comitecirc Nacional da IEC do Brasil (LIMA 2015 p 76) Neste
sentido seratildeo consultadas as normas vigentes selecionadas as aplicaacuteveis e
finalmente analisadas as de maior relevacircncia
43 Elementos constituintes preferenciais
Numa oacutetica de adaptaccedilatildeo ao mercado local e diminuiccedilatildeo dos custos com a
fabricaccedilatildeo foi feito um esforccedilo de identificar no mercado brasileiro peccedilas e
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
19
componentes que poderiam contribuir para o projeto de Low Head Turbine seja por
jaacute serem produzidos em grande ou meacutedia escala sejam por estarem disponiacuteveis em
uma grande parte do territoacuterio nacional
Algumas das caracteriacutesticas mais atraentes para a implantaccedilatildeo deste sistema eacute
simplicidade acessibilidade e constacircncia de energia A acessibilidade eacute um
importante ponto para o produto para isso os equipamentos e materiais para a
confecccedilatildeo de tal devem ser estar disponiacuteveis nos mercado e tambeacutem compatiacuteveis
com as condiccedilotildees financias brasileiras das comunidades que vai fazer uso da
mesma
Este esforccedilo alia-se tambeacutem na busca por potenciais parceiros para viabilizar a
fabricaccedilatildeo na medida em que dividem os custos de projeto e os itens jaacute se
encontram adequados ao mercado nacional como eacute o caso de geradores brasileiros que jaacute atendam as normas brasileiras
No que foi feito uma busca no mercado brasileiro para as peccedilas potencialmente
viaacuteveis para a construccedilatildeo da turbina Aleacutem disso foram feitas pesquisas de mercado
e consulta a fornecedores localizados nas Regiotildees Amazocircnica Sudeste e Sul Para
o gerador aleacutem dos fabricantes convencionais disponiacuteveis no Brasil os geradores eoacutelicos tambeacutem foram explorados jaacute que o gerador necessita ser de baixa rotaccedilatildeo
ateacute 1200 rotaccedilotildees por minuto rpm
44 Analise de rendimento e funcionalidade
Um fato natildeo pode ser contestado haacute um grande nuacutemero de riachos e pequenos rios que possui aacutegua em uma vazatildeo e queda significativa Estes poderiam ser utilizados
para projeto de Low Head Turbine nas quais foram desenvolvidas com a
capacidade de geral energia por meio de baixas rotaccedilotildees utilizando um modesta
queda drsquoaacutegua (BURLINGTON 1999 p6)
No Brasil esse cenaacuterio predominante pode ser encontrado nas regiotildees que
predomina-se o relevo conhecido como Planiacutecie satildeo aacutereas planas e baixas com
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
20
pouca variaccedilatildeo de altitude e tambeacutem em comunidades que tem-se dificuldade de
acesso a chegada de energia eleacutetrica e outros serviccedilos facilmente disponiacuteveis nas
regiotildees urbanas
Aleacutem disso espera-se que os corpos drsquoaacutegua destas regiotildees atendam as seguintes
condiccedilotildees de contorno proximidade do centro consumidor para que evite-se perda
de tensatildeo em uma meacutedia de 20 a 50 metros de distacircncia do centro consumidor de
energia eleacutetrica e o corpo drsquoaacutegua vazatildeo nos rios locais natildeo menor que 1 ଷs e
altura maacutexima de queda drsquoaacutegua de 3 metros
45 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
Com base nas informaccedilotildees coletadas foi feito um descritivo colmatando as principais carateriacutesticas a serem consideradas no desenvolvimento da Low Head Turbine no
Brasil
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
8 BIBLIOGRAFIA CACHAPUZ Paulo Brandi de Barros Usinas da Cemig 1952-2005 A histoacuteria da eletricidade em Minas e no Brasil Rio de Janeiro Centro da Memoacuteria da
Eletricidade no Brasil 2006
SUPERINTENDEcircNCIA DE ESTUDOS E INFORMACcedilOtildeES HIDROLOacuteGICAS DA ANEEL (SIH) Atlas de energia eleacutetrica do Brasil Agecircncia Nacional de Energia Eleacutetrica 2 ed ndash Brasiacutelia ANEEL 2002
SUPERINTENDEcircNCIA DE ESTUDOS E INFORMACcedilOtildeES HIDROLOacuteGICAS DA ANEEL (SIH) Atlas de energia eleacutetrica do Brasil Agecircncia Nacional de Energia Eleacutetrica 3 ed ndash Brasiacutelia ANEEL 2008
AGEcircNCIA INTERNACIONAL DE ENERGIA (IEA) 2000 Disponiacutevel em lt httpwwwieaorgweoindexhtm gt
TUNDISI Joseacute Galizia Tundisi Aacutegua no Seacuteculo XXI Enfrentando a escassez Satildeo
Carlos RiMa 2deg ed 2005
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Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
21
5 RESULTADOS
51 Perfil tiacutepico de Low Head Turbine de referecircncia
Identificamos os seguintes materiais de referecircncia Artigos Fabricantes e Modelos jaacute
existentes A idealizaccedilatildeo de projeto eacute para aacutereas de baixa renda e onde o grid de
eletricidade no padratildeo convencional natildeo chega
O ambiente escolhido especificamente satildeo lugares onde o potencial hiacutedrico eacute tatildeo
pequeno que torna inviaacutevel tecnicamente a instalaccedilatildeo de micro hidreleacutetricas (acima de 1 MW) A exemplo de fatores tais como vazatildeo de agua natildeo suficiente natildeo haacute
queda miacutenima necessaacuteria ou falta de condiccedilotildees de infraestrutura para construccedilatildeo de
tal constatado por Lahimer (2012) Elbatran (2014) e Date (2008) e outros
Lahimer (2012) especificou vazatildeo de 0001 ଷs com quedas de 1 metro no Sul da
China No Vietnatilde a turbina power pal atua em quedas de 1 a 2 metros com 0035
ଷs gerando 200W a 1000W e no Nepal a chamada crosstric set com quedas de 5
metros com 0005 mଷs
Jaacute Loots (2015) encontrou na Europa valores de 037 ଷs com 36 metros de
queda Williamson (2012) observou que no Nepal tambeacutem tinha-se quedas entre 1
a 35 metros com geraccedilatildeo de 1kW
Singh (2010) em turbina propeller por meio de diversas consideraccedilotildees matemaacuteticas
resultou em 175 metros de queda com 0075 ଷs jaacute a turbina tidal com vazotildees
maacuteximas entre 00011 ଷs a 00012 ଷs
A eficiecircncia das turbinas em aplicaccedilotildees de baixa queda satildeo um pouco menor
comparadas com a eficiecircncia nas grandes usinas hidreleacutetricas (ALEXANDER 2007
p1387) Consequentemente a eficiecircncia das mesmas fica entre 65 a 74
especificaccedilatildeo registrada por Lahimer (2012) Alexander (2007) Caxaria (2011) e
Guitarrara (2012) Enquanto a eficiecircncia do gerador fica em torno de 60 a 80 de
acordo com Alexander (2007) e Medeiros (2005)
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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Satildeo Paulo Atitude Editorial Publicaccedilotildees Teacutecnicas 2015
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Paulo 2000 Programa Interunidades de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Energia
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Universidade de Salvador Salvador 2009 [Orientador Prof Dr Maria Olivia de
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197f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em Engenharia Eleacutetrica) ndash
Universidade Federal de Minas Gerais Belo Horizonte 2011 [Orientador Prof
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Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo
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Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
22
A turbina escolhida eacute do tipo heacutelicepropeller por apresentar boa eficiecircncia
simplicidade e ser mais econocircmica Aleacutem de ser viaacutevel no intervalo de 05 a 15 metros para quedas d`aacutegua e o potecircncia variar de 200W A 20kW (ELBATRAN
2014 p42) Para fins didaacuteticos Panish (2012) elaborou uma tabela refletindo a
escolha de turbinas de acordo com a queda disponiacutevel podendo ser vista na Tabela
2
Tabela 2 Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua de acordo com a turbina de interesse (PANISH
2002)
Tipo de Turbina Classificaccedilatildeo da queda drsquoaacutegua
Alta gt 50m Meacutedia 10-15m Baixa lt 10m
Impulso Pelton Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado Turgo
Pelton multi-jatos
Fluxo Cruzado
Reaccedilatildeo Francis (modelo
espiral)
Francis
Propeller
Kaplan
Figura 8 Variaccedilatildeo de vazatildeo de acordo com as turbinas hidraacuteulicas existentes no mercado
(PANISH 2002)
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
23
Desta forma para as condiccedilotildees brasileira chegou-se aos valores a serem
observados para o projeto de Low Head Turbine para aacutereas onde a extensatildeo da
rede natildeo eacute viaacutevel e que desta forma custos de compra e de manutenccedilatildeo devem ser os miacutenimos possiacuteveis pelas condiccedilotildees soacutecios-econocircmicas tiacutepicas desta populaccedilatildeo
assim como as caracteriacutesticas de projeto para a implantaccedilatildeo da turbina apoacutes a
anaacutelise da bibliografia foram definidas como
Vazatildeo de 0024 ଷs a 0061 ଷs
Altura da queda drsquoaacutegua de 10 a 20 metros
Potecircncia Uacutetil de 100 ateacute 500 W
Eficiecircncia miacutenima esperado do gerador 60
Eficiecircncia miacutenima esperada da turbina 70
52 Normas aplicaacuteveis
Para o setor de energia e instalaccedilotildees eleacutetricas algumas NBR e IEC satildeo utilizadas
como
ABNT NBR 54102004 Versatildeo Corrigida2008 Instalaccedilotildees eleacutetricas de baixa
tensatildeo
ABNT NBR 156882012 Versatildeo Corrigida2013 Redes de distribuiccedilatildeo aeacuterea de
energia eleacutetrica com condutores nus
IEC 60034-142007 part 14 Rotating electrical machines ndash Part14 Mechanical
vibration of certain machines with shaft height 56 mm and higher - Measurement
evalution and limits of vibration
ABNT NBR 51172007 Maacutequina eleacutetrica girante - Maacutequina siacutencrona ndash Especificaccedilatildeo
IEC 60034-012004 part 1 Rotating electrical machines ndash Part 1 Rating and
performance
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
24
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
ABNT NBR NM 60335-12010 Seguranccedila de aparelhos eletrodomeacutesticos e
similares - Parte 1 Requisitos gerais (IEC 60335-12006 - ediccedilatildeo 42 MOD)
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60947 ndash 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores ABNT NBR IEC 622082013 Invoacutelucros vazios destinados a conjuntos de manobra
e controle de baixa tensatildeo - Requisitos gerais
ABNT NBR ISO 8528-52014 Grupos geradores de corrente alternada acionados
por motores alternativos de combustatildeo interna - Parte 5 Grupos geradores ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
8 BIBLIOGRAFIA CACHAPUZ Paulo Brandi de Barros Usinas da Cemig 1952-2005 A histoacuteria da eletricidade em Minas e no Brasil Rio de Janeiro Centro da Memoacuteria da
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SUPERINTENDEcircNCIA DE ESTUDOS E INFORMACcedilOtildeES HIDROLOacuteGICAS DA ANEEL (SIH) Atlas de energia eleacutetrica do Brasil Agecircncia Nacional de Energia Eleacutetrica 2 ed ndash Brasiacutelia ANEEL 2002
SUPERINTENDEcircNCIA DE ESTUDOS E INFORMACcedilOtildeES HIDROLOacuteGICAS DA ANEEL (SIH) Atlas de energia eleacutetrica do Brasil Agecircncia Nacional de Energia Eleacutetrica 3 ed ndash Brasiacutelia ANEEL 2008
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Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Mecacircnica) ndash Universidade
Federal do Rio de Janeiro Rio de Janeiro 2013 [Orientador Prof Reinaldo de
Falco] SANTOS Gustavo Germani dos Estudo da viabilidade de uma PCH e sua inserccedilatildeo na matriz energeacutetica brasileira 2010 59f Trabalho de Conclusatildeo de
Curso (Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo Paulo Satildeo
Carlos 2010 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
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47
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PANISH Oliver Small Hydropower tecnology and current status 2002
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Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
25
ABNT NBR 93112014 Cabos eleacutetricos isolados - Classificaccedilatildeo e designaccedilatildeo
ABNT NBR NM 2802011 Condutores de cabos isolados (IEC 60228 MOD)
ABNT NBR IEC 60269-3-12003 Dispositivos-fusiacuteveis de baixa tensatildeo
Parte 3-1 Requisitos suplementares para dispositivos-fusiacuteveis para uso por pessoas
natildeo qualificadas (dispositivos-fusiacuteveis para uso principalmente domeacutestico e
similares) - Seccedilotildees I a IV
ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
ABNT NBR NM 608982004 Disjuntores para proteccedilatildeo de sobre correntes para
instalaccedilotildees domeacutesticas e similares (IEC 608981995 MOD)
ABNT NBR 141362102 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternada ndash Padronizaccedilatildeo
ABNT NBR IEC 60439-22004 Conjuntos de manobra e controle de baixa tensatildeo -
Parte 2 Requisitos particulares para linhas eleacutetricas preacute-fabricadas (sistemas de
barramentos blindados)
ABNT NBR 161502013 Sistemas fotovoltaicos (FV) mdash Caracteriacutesticas da interface
de conexatildeo com a rede eleacutetrica de distribuiccedilatildeo mdash Procedimento de ensaio de
conformidade
ABNT NBR IEC 60998-2-12013 Dispositivos de conexatildeo para circuitos de baixa
tensatildeo para uso domeacutestico e anaacutelogo Parte 2-1 Requisitos particulares para
dispositivos de conexatildeo independentes com elementos de aperto por parafusos
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
26
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR 10671 Guia para instalaccedilatildeo operaccedilatildeo e manutenccedilatildeo de
capacitores de potecircncia em derivaccedilatildeo
ABNT NBR 11149 Maacutequinas eleacutetricas girantes - Proteccedilatildeo teacutermica incorporada
- Detectores teacutermicos e unidades de comando
ABNT NBR 11151 Seccionador e interruptor de baixa tensatildeo e suas
combinaccedilotildees com fusiacuteveis
521 Normas de Maior Relevacircncia Das quais receberam maior atenccedilatildeo e foram fruto de uma anaacutelise mais detalhada
ABNT NBR 54601992 Sistemas eleacutetricos de potecircncia
Norma aplicada em seu todo para projeto constando em seu conteuacutedo todos os
termos relacionados com sistemas eleacutetricos no Brasil
ABNT NBR 141362012 Versatildeo Corrigida 42013 Plugues e tomadas para uso
domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas nominais de
plugues e tomadas Para projeto eacute considerado as tomadas de 10A com IP22B
(protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com os dedos e protegido contra queda de gotas drsquoaacutegua caindo verticalmente quando o invoacutelucro eacute inclinado
ateacute 15) em corrente alternada para uso domeacutestico e anaacutelogo para a ligaccedilatildeo a
sistemas de distribuiccedilatildeo com tensotildees nominais compreendidas entre 100 V e 250 V
em corrente alternada
ABNT NBR IEC 60947 - 22013 Dispositivos de manobra e comando de baixa
tensatildeo - Parte 2 Disjuntores
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
27
Norma aplicada em seu todo para projeto constando as caracteriacutesticas dos
disjuntores que satildeo conectados aos circuitos com tensatildeo nominal natildeo superior a 1
000 V de corrente alternada Para projeto eacute considerado Disjuntor com corrente alternada (CA) com frequecircncia nominal de 60 Hz categoria A de utilizaccedilatildeo natildeo
pode ter seu disparado retardo e eacute do tipo caixa moldada eacute bipolar com corrente 6A
ou 10A para que seja usado um potecircncia maacutexima de 500W com tensatildeo de
operaccedilatildeo nominal monofaacutesica CA de 110127220 V e com rearme eleacutetrico
automaacutetico em caso de curto circuito e IP 40 (protegido conta o acesso as partes
perigosas com um fio)
ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011 Graus de proteccedilatildeo para
invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos (coacutedigo IP)
Norma aplicada em seu todo para projeto constando classificaccedilatildeo dos graus de
proteccedilatildeo providos aos invoacutelucros dos equipamentos eleacutetricos com tensatildeo nominal natildeo superior a 725 kV Para projeto para o gerador seraacute de IP 64 (totalmente
protegido contra poeira e protegido contra projeccedilatildeo d`aacutegua) e para a turbina com
IP48 (protegido contra objetos soacutelidos estranhos de diacircmetro 25mm e maior e
imersatildeo contiacutenua na aacutegua) sendo considerado a turbina HeacutelicePropeller e para o
plugue IP 44 (protege pessoas contra o acesso as partes perigosas com um fio e
protege o equipamento interno ao invoacutelucro contra os efeitos prejudiciais por aacutegua projetada contra o invoacutelucro de qualquer direccedilatildeo) ABNT NBR IEC 61643-12007 Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa
tensatildeo - Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 Seguranccedila de aparelhos
eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para ferramentas
moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares (IEC 60335-2-451996 MOD)
Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
28
ABNT NBR IEC 60034-52009 Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de maacutequinas
eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo Norma natildeo encontrada para avaliaccedilatildeo mas relevante para futuros projetos na aacuterea
53 Elementos constituintes preferenciais
Dos diferentes elementos mecacircnicos e equipamentos necessaacuterios para a fabricaccedilatildeo foram identificados dois itens que melhor poderiam condicionar o projeto da turbina
o gerador eleacutetrico e a heacutelice (Propeller)
531 Heacutelice ou Propeller Heacutelice eacute o termo que caracteriza um conjunto de paacutes com o mesmo centro que ao
ser girado em torno de seu eixo causa propulsatildeo e paacute descreve no espaccedilo uma
trajetoacuteria de uma heacutelice geomeacutetrica Assim a heacutelice eacute um equipamento de propulsatildeo
ou traccedilatildeo que converte energia mecacircnica em movimento
Assim ao ajustar o conceito em relaccedilatildeo ao presente trabalho sobre Turbina de
Baixa Queda a turbina que iraacute ser utilizada seraacute a Turbina Heacutelice Propeller cujas paacutes do rotor satildeo fixas Sendo o rotor o eixo rotativo para que a heacutelice de propulsatildeo
gire em torno do seu proacuteprio eixo onde eacute apoiado em mancais de deslizamento ou
rolamento
Dentre as principais turbinas apresentadas para o projeto em questatildeo foi escolhida a Turbina HeacutelicePropeller por poder trabalhar em baixa velocidade baixa queda ter
paacutes fixas maior disponibilidade no mercado faacutecil acesso a manutenccedilatildeo valores de
compra mais baixos e por ser de instalaccedilatildeo simples Aleacutem de possuir um bom
rendimento e possuir flexibilidade quanto a variaccedilatildeo de queda e vazatildeo
Todas as outras turbinas apresentadas anteriormente Francis Pelton Kaplan Fluxo Cruzado satildeo muito caras e com tamanhos que excedem a visatildeo de projeto jaacute que a
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
29
turbina de baixa queda possuiraacute uma queda de no maacuteximo 2 metros e com geraccedilatildeo
de energia entre 100 W e 500 W
A turbina HeacutelicePropeller tambeacutem pelo caraacuteter de facilidade de acesso por ser
utilizada em Motores de Popa disponiacuteveis em praticamente todo o territoacuterio nacional
(tanto com acesso ao mar quanto para uso em rios e lagoas)
A disponibilidade destes fabricantes eacute muito maior do que fabricantes de turbinas
hidreleacutetricas para projeto foi feito uma visita a campo cujo relatoacuterio se encontra no
APEcircNDICE 1 para entender melhor as condicionantes do mercado naacuteutico modelos
mais recorrentes faixas de preccedilos fabricantes com maior penetraccedilatildeo no mercado
nacional assim como maiores especificaccedilotildees teacutecnicas para que a se achasse a ou
as heacutelices ideais para uso no projeto
Para fazer a escolha das heacutelices adequada eacute necessaacuterio ter conhecimento sobre
suas especificaccedilotildees teacutecnicas principais Cada heacutelice eacute definida por duas dimensotildees
caracteriacutesticas o diacircmetro e o passo normalmente indicados em polegadas O
diacircmetro representa a distacircncia entre as pontas das paacutes ou a circunferecircncia
realizada durante o movimento Jaacute o passo eacute medido por meio do acircngulo de torccedilatildeo
da heacutelice em uma estaccedilatildeo de referecircncia (OLIVEIRA 2009 p7) no caso eacute a distacircncia que a heacutelice se deslocada para frente em cada volta
Figura 9 Localizaccedilatildeo do diacircmetro e passo em uma Heacutelice de 16rdquo x13rdquo (REVISTA NAUTICA 2013)
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
30
5311 Fornecedores Com base em consulta aos representantes comerciais assim como
estabelecimentos de manutenccedilatildeo e reforma de barcos e motores de popa ficou
claro que haacute uma grande oferta de equipamentos no mercado nacional no que
apresentamos um resumo dos modelos julgados mais relevantes entre algumas da principais marcas como segue
A fabricante Andreoni1 natildeo possui cataacutelogo fazendo heacutelices especificas para cada
motor de popa produzido Enquanto a MPX naacuteutica natildeo foi encontrado nenhum
fornecedor para que as especificaccedilotildees fossem analisadas
Na fabricante EvinrudeBRP seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 10 e 103 polegadas
passo entre 11 e 15 polegadas material alumiacutenio e com 3 ou 4 paacutes As
caracteriacutesticas apresentadas pertencem ao modelo 15 HO - 30 HP EVINRUDE E-TEC 2-TEMPOS sendo de categoria econocircmica e utilizaccedilatildeo geral na Figura 10
abaixo
Figura 10 Menores valores de heacutelices e passos encontrado no Fabricante EvinrudeBRP (Cataacutelogo BRP 2014 p1) 1 A menccedilatildeo de marcas natildeo constitui recomendaccedilatildeo por parte da autora
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
31
Na fabricante Yamaha seraacute possiacutevel utilizar heacutelices entre 9 e 9 1 4ൗ polegadas passo
entre 6 12ൗ e 8 polegadas material alumiacutenio e com 3 paacutes As caracteriacutesticas
apresentadas pertencem ao modelo YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS apresentado na
Figura 11 abaixo O modelo superior 40AWS 2 TEMPOS a este pode ser
considerado tambeacutem mas natildeo seraacute tatildeo interessante com especificaccedilotildees de 11 5 8ൗ rdquo x
11rdquo
Figura 11 Motor YAMAHA 15GMHS 2 TEMPOS com as possiacuteveis heacutelices que podem adaptadas para Low Head turbine (Cataacutelogo Yamaha 15GMHS 2015 p 27) A Suzuki Marine tambeacutem possui base no Brasil e possui representantes poreacutem seu
cataacutelogo eacute em modelo internacional A marca tambeacutem atende as expectativas
fabricando heacutelices com diacircmetros entre 7 12ൗ a 10 1
4ൗ polegadas e com passo
entre 6 e 15 polegadas com 3 ou 4 paacutes apresentados na Figura 12
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
32
Figura 12 Heacutelices fabricadas pela Suzuki Marine (Cataacutelogo Suzuki Propellers 2016 p 26) O uacuteltimo fornecedor encontrado foi a marca Mercury Marine que natildeo possui cataacutelogo
poreacutem em seu endereccedilo eletrocircnico possui a comparaccedilatildeo entre as heacutelices Todas as
heacutelices fabricadas possuem diversos diacircmetros e passos de acordo com o cliente
Na Figura 12 satildeo alguns dos modelos compatiacuteveis com o projeto que satildeo os
modelos Black Max SplitFire e Vengeance Aleacutem disso existem os modelo SUPER que possui configuraccedilotildees 101
4ൗ ldquox 14rdquo 2530 SEA-PRO 9 78ൗ rdquo x 13rdquo 15 SUPER 9
14ൗ rdquo x 10rdquo e a heacutelice para motores de popa Mercury de 5HP SUPER de 8rdquo x7rdquo Todas
com 3 ou 4 paacutes e facilmente encontrados no mercado nacional
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em Regulaccedilatildeo da Industria de Energia) ndash
Universidade de Salvador Salvador 2009 [Orientador Prof Dr Maria Olivia de
Souza Ramos]
MEDEIROS Daniel de Macedo VIANA Augusto Nelson Carvalho REZEK Acircngelo Joseacute Junqueira Estudo de geradores de induccedilatildeo na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em microcentrais hidreleacutetricas 2005 Universidade Federal de Itajubaacute Minas
Gerais Revista Ciecircncias Exatas Taubateacute v 11 n 2 p 9-14 2005
51
SANTOS Renan Mesquita Eficiecircncia energeacutetica no serviccedilo auxiliar de uma pequena central hidreleacutetrica 2010 71f Trabalho de Conclusatildeo de Curso
(Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo Paulo Satildeo Carlos 2010 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
MAIA Thales Alexandre Carvalho Projeto e Construccedilatildeo de um Gerador a Iacutematildes Permanentes de Fluxo Axial para Turbina Eoacutelica de Pequena Potecircncia 2011
197f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em Engenharia Eleacutetrica) ndash
Universidade Federal de Minas Gerais Belo Horizonte 2011 [Orientador Prof
Selecircnio Rocha Silva
DATE Abhijit AKBARZADEH Aliakbar Design and cost analysis of low head simple reaction hydro turbine for remote area power supply 2008 Renewable
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(Junho de 2015) Paacuteginas 1254-1268
GUITARRARA Gabriel Bozzola Estimativa de vazatildeo para a implantaccedilatildeo de micro-centrais hidreleacutetricas com utilizaccedilatildeo do SIG 2012 44f Trabalho de
Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo
Paulo Satildeo Carlos 2012 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
ALEXANDER KV GIDDENS EP Microhydro Cost-effective modular systems for low heads 2007 Renewable Energy Volume 33 (2008) Paacuteginas 1379-1391
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Radial- and mixed-flow
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ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Axial-flow turbines for low
head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume 34 (2009)
Paacuteginas 35-47
ALVES Gilberto Manoel Avaliaccedilatildeo da viabilidade de implantaccedilatildeo de uma microcentral hidreleacutetrica para atender consumidores localizados em regiotildees isoladas 2007 156 Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Doutorado em Agronomia) ndash
Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
33
Figura 13 Propellers adequados para projeto na fabricante Mercury Marine (Disponiacutevel em lthttpswwwmercurymarinecomptbrpropellersallgt acesso 14042016)
532 Gerador Talvez este seja o item de maior relevacircncia no projeto natildeo soacute pelo seu custo mais
significativo mas em especial porque este determina a potecircncia total do
equipamento assim como o modelo que venha a ser escolhido determinaraacute a rotaccedilatildeo nominal em que deveraacute operar a turbina um dos paracircmetros chaves para
dimensionamento do sistema
Com base em consulta ao mercado e fornecedores de equipamentos no mercado
brasileiro foram encontrados trecircs perfis principais de equipamentos
1 Geradores monofaacutesicos eou trifaacutesicos em vaacuterias faixas de potecircncia Foram
encontrados muacuteltiplos fornecedores porem os gerados identificados satildeo
inaplicaacuteveis pois possuem alta rotaccedilatildeo de trabalho acima de 1200 rpm o que
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
34
implicaria em um sistema de aumento de rotaccedilatildeo (polia ou engrenagens) que
foge ao conceito de minimizaccedilatildeo do equipamento e robustez e
2 Geradores monofaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes
de aero geradores que conseguem operar em rotaccedilotildees muito baixas a partir
de 45 rpm Para esta famiacutelia de equipamentos foi identificado ao menos um
fornecedor Canoas Eoacutelica2 Entretanto natildeo foi encontrado o cataacutelogo para
maiores detalhamentos sendo uma informaccedilatildeo valido para trabalhos futuros
na aacuterea
3 Geradores trifaacutesicos de iacutematilde permanente encontrados junto a fabricantes de
aero geradores conseguem operar em rotaccedilotildees baixas em uma faixa de 200
rpm a 900 rpm Foi identificado ao menos um fornecedor ENERSUD cujas
curvas carateriacutesticas podem ser vistas nas Figuras 14 e 17
Os modelos encontrados que mostram maior aderecircncia ao projeto satildeo os fabricados
pela empresa ENERSUD3 A mesma eacute o fabricante com maior nuacutemero de sistemas
eoacutelicos de pequeno porte instalados no Brasil A empresa fabrica 2 modelos de
alternadores com as caracteriacutesticas favoraacuteveis para serem acopladas ao projeto
O primeiro recebe a denominaccedilatildeo EN1 e o segundo como EN2 A diferenccedila entre
eles eacute a potecircncia gerada e a faixa de trabalho em rpm sendo o primeiro com
geraccedilatildeo de 100W a 400W e 400 a 900 rpm na linha e o segundo com produccedilatildeo de
100W a 1kW com 100 a 1000 rpm na linha
Por ser destinado principalmente para conversatildeo da energia eoacutelica em eleacutetrica
possuem caracteriacutesticas que se associam ao que estar se procurando como ser um
alternador leve projetado para ateacute 20 anos de operaccedilatildeo resistecircncia a corrosatildeo e
alto rendimento Aleacutem disso devido as caracteriacutesticas do produto que foram
desenvolvidas pela empresa permite-se variar a curva de potecircncia para operaccedilatildeo
de acordo com as necessidades do cliente
2 canoaseolicacombr 3 wwwenersudcombr
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
35
A seguir satildeo apresentadas as especificaccedilotildees teacutecnicas e curvas caracteriacutesticas dos
alternadores EN1 e EN2 respectivamente
Tabela 3 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Alternador EN1
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 12 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Figura 14 Curva de potecircncia do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
36
Figura 15 Curva de torque do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 16 Reta de voltagem em aberto do alternador EN1 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Tabela 4 Especificaccedilotildees teacutecnicas do Alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
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Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
37
Alternador EN2
Torque de Partida 03 Nm
Sistema Magneacutetico Neodiacutemio
Sistema Eleacutetrico Trifaacutesico
Tensatildeo de Saiacuteda 122448 Volts
Topologia Fluxo Axial
Material Anti Corrosatildeo Alumiacutenio Inox
Peso 13 Kg
Figura 17 Curva de potecircncia do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
8 BIBLIOGRAFIA CACHAPUZ Paulo Brandi de Barros Usinas da Cemig 1952-2005 A histoacuteria da eletricidade em Minas e no Brasil Rio de Janeiro Centro da Memoacuteria da
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Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
38
Figura 18 Curva de torque do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
Figura 19 Reta de voltagem em aberto do alternador EN2 da empresa ENERSUD (Disponiacutevel em lthttpwwwenersudcombrgt acesso 21012016)
54 Analise de rendimento e funcionalidade
Considerando as equaccedilotildees abaixo descritas com as que definem as principais conversatildeo em termos de potecircncia e eficiecircncia para uma unidade de conversatildeo de
energia hiacutedrica em eleacutetrica foi feito um estudo para determinar os limites
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
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Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
39
operacionais e condiccedilotildees de operaccedilatildeo maacuteximas e miacutenimas as a que o projeto da
Low Head deveraacute observar no seu projeto
=ௗܪ ݔ ߛ ݔ
75
Equaccedilatildeo 1 Equaccedilatildeo da Potecircncia Hidraacuteulica
ߟ = ߟ ݔ ௧ߟ
Equaccedilatildeo 2 Equaccedilatildeo de Rendimento Total
= ݔ ߟ
Equaccedilatildeo 3 Equaccedilatildeo de Potecircncia Eficaz
Onde
- Potecircncia hidraacuteulica (W)
- vazatildeo (ଷs)
peso especifico de agua = 1000 Kg ଷ - ߛ
ௗ - altura de queda (M)ܪ
- Rendimento totalߟ
௧ - Rendimento da turbinaߟ
- Rendimento do geradorߟ
- Potecircncia eficazuacutetil (W)
Com base nos valores sugeridos para operaccedilatildeo jaacute descritos nos itens anteriores
obtiveram-se os valores apresentados na Tabela 5
Tabela 5 Valores de projeto encontrados poacutes aplicaccedilatildeo de foacutermulas
Valores de projeto 0061 0061 0024 0024 (s)
1000 1000 1000 1000 (Kg ଷ) ߛ
2 1 1 2 (M)
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
40
Constante 75 75 75 75
(W) 1190 595 238 476
௧ 07 07 07 07ߟ 06 06 06 06ߟ
042 042 042 042ߟ
500 250 100 200 (W)
55 Recomendaccedilotildees para fabricaccedilatildeo
As marcas apresentadas para turbinas e geradores satildeo todas instaladas e atuantes
no territoacuterio brasileiro sendo que nenhuma delas foi considerada com insolvente ou
em processo de saiacuteda do mercado desta forma fica implicitamente entendido que
todos possam oferecer faacutecil acesso agrave suporte teacutecnico eou possibilidade de peccedilas de reposiccedilatildeo quando comparado agrave opccedilotildees de equipamentos importados
Desta forma para o projeto da turbina Low Head Turbine no Brasil tem-se
1 Uso de heacutelice para motores de popa de ateacute 2 HP (melhor 15) com diacircmetro
de 9rdquo a 11rdquo feita em metal ou plaacutestico podendo ser fornecido pelas marcas Yamaha Suzuki Marine e Mercury Marine
2 Cada fabricante possui sua opccedilatildeo de fixaccedilatildeo da heacutelice assim poderaacute se eixo
chavetato eixo estriado ateacute encaixe Cone-Morse Neste particular seria
importante avaliar a possibilidade de fornecer o eixo de interligaccedilatildeo propeller
gerado em mais de uma opccedilatildeo
3 O mancal inferior proacuteximo eacute heacutelice deveraacute ter grau IP48
4 O projeto da turbina (conjunto heacutelice mais sistema de conduccedilatildeo de aacutegua)
deveraacute ter uma eficiecircncia miacutenima de 60 operando em regime de turbina de
reaccedilatildeo
5 Uso de geradores eoacutelicos de iacutematilde permanente operando na faixa de 600 rpm
com a possibilidade de chegar a ateacute 900 rpm 6 O gerador deveraacute estar em uma estrutura que garanta um grau IP64
7 O gerador jaacute associado ao seu sistema de potecircncia deveraacute ter uma
eficiecircncia miacutenima de 70
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em Regulaccedilatildeo da Industria de Energia) ndash
Universidade de Salvador Salvador 2009 [Orientador Prof Dr Maria Olivia de
Souza Ramos]
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Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
41
8 Espera-se uma eficiecircncia global do sistema natildeo inferior agrave 42 de forma a
poder alcanccedilar as potecircncia esperadas dentro das faixas de altura (10 a 20
m) e vazatildeo (0024 a 0061 m3s ndash ou 60 a 152 lmin) 9 Para a conexatildeo recomenda-se uma de plugue de tomada simples com grau
IP44 e que obedeccedila agrave NBR 14136
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
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GUITARRARA Gabriel Bozzola Estimativa de vazatildeo para a implantaccedilatildeo de micro-centrais hidreleacutetricas com utilizaccedilatildeo do SIG 2012 44f Trabalho de
Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo
Paulo Satildeo Carlos 2012 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
ALEXANDER KV GIDDENS EP Microhydro Cost-effective modular systems for low heads 2007 Renewable Energy Volume 33 (2008) Paacuteginas 1379-1391
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Radial- and mixed-flow
turbines for low head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume
34 (2009) Paacuteginas 1885-1894
52
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Axial-flow turbines for low
head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume 34 (2009)
Paacuteginas 35-47
ALVES Gilberto Manoel Avaliaccedilatildeo da viabilidade de implantaccedilatildeo de uma microcentral hidreleacutetrica para atender consumidores localizados em regiotildees isoladas 2007 156 Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Doutorado em Agronomia) ndash
Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
42
6 DISCUSSOtildeES
Low Head Turbine (ou Turbina de Pequena Queda) eacute em diversos lugares do
Mundo a soluccedilatildeo alternativa mais segura e garantida para superar o problema da falta de fornecimento de energia eleacutetrica em aacutereas rurais e de baixa renda e baixa
demanda de energia no sentido de garantir uma melhor condiccedilatildeo para a populaccedilatildeo
(ELBATRAN 2014 p 48)
As quedas e vazotildees presentes no Brasil satildeo suficientes para a geraccedilatildeo de energia
desta pequena magnitude Regiotildees como as Planiacutecies e Terras baixas Amazocircnicas
principalmente a Planiacutecie LitoracircneaCosteira na parte da Regiatildeo Sul do Brasil a
planiacutecie do Pantanal e o interior do Estado de Minas Gerais abrigam comunidades
que iram se beneficiar muito desta tecnologia
No Brasil embora natildeo seja ainda disponiacutevel este tipo de equipamento o seu desenvolvimento se mostra viaacutevel pois existe uma disponibilidade de equipamentos
e elementos fornecidos por marcas nacionais que poderiam diminuir os custos e
facilitar a fabricaccedilatildeo destes equipamentos
Parte destas empresas estatildeo jaacute proacuteximas do segmento de energia renovaacutevel
(geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte) e poderiam aumentar a sua atuaccedilatildeo com o uso dos seus geradores para geraccedilatildeo hiacutedrica Uma barreira para esta transposiccedilatildeo de
tecnologia eacute que estes mercados natildeo satildeo nem proacuteximos nem complementares
(potencial eoacutelico natildeo costuma estar naturalmente associado ao potencial hiacutedrico
mesmo na micro-escala proposta) o que levaria agrave uma menor vontade destes fabricantes em acrescentar a Low Head Turbine no portfoacutelio dos seus produtos
Do outro lado temos os fabricantes de heacutelices Estes sim tecircm um total
descolamento do mercado de energia renovaacutevel e dificilmente entenderiam
desenvolvimento e fabricaccedilatildeo das turbinas como um grande potencial de mercado a
ser explorado
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
8 BIBLIOGRAFIA CACHAPUZ Paulo Brandi de Barros Usinas da Cemig 1952-2005 A histoacuteria da eletricidade em Minas e no Brasil Rio de Janeiro Centro da Memoacuteria da
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lthttpenersud1hospedagemdesiteswspage_id=272gt [acessado em 21012016] MIRANDA Robeto Lobo Regulaccedilatildeo teacutecnica para se obter melhor eficiecircncia na motorizaccedilatildeo de pequenas centrais hidreleacutetricas no Brasil 2009 118f Trabalho
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Universidade de Salvador Salvador 2009 [Orientador Prof Dr Maria Olivia de
Souza Ramos]
MEDEIROS Daniel de Macedo VIANA Augusto Nelson Carvalho REZEK Acircngelo Joseacute Junqueira Estudo de geradores de induccedilatildeo na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em microcentrais hidreleacutetricas 2005 Universidade Federal de Itajubaacute Minas
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51
SANTOS Renan Mesquita Eficiecircncia energeacutetica no serviccedilo auxiliar de uma pequena central hidreleacutetrica 2010 71f Trabalho de Conclusatildeo de Curso
(Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo Paulo Satildeo Carlos 2010 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
MAIA Thales Alexandre Carvalho Projeto e Construccedilatildeo de um Gerador a Iacutematildes Permanentes de Fluxo Axial para Turbina Eoacutelica de Pequena Potecircncia 2011
197f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em Engenharia Eleacutetrica) ndash
Universidade Federal de Minas Gerais Belo Horizonte 2011 [Orientador Prof
Selecircnio Rocha Silva
DATE Abhijit AKBARZADEH Aliakbar Design and cost analysis of low head simple reaction hydro turbine for remote area power supply 2008 Renewable
Energy Volume 34 (Agosto de 2008) Paacuteginas 409-415
LOOTS I VAN DIJK M BARTA B VAN VUUREN SJ BHAGWAN JN A review of low head hydropower technologies and applications in a South African context 2015 Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 50
(Junho de 2015) Paacuteginas 1254-1268
GUITARRARA Gabriel Bozzola Estimativa de vazatildeo para a implantaccedilatildeo de micro-centrais hidreleacutetricas com utilizaccedilatildeo do SIG 2012 44f Trabalho de
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Paulo Satildeo Carlos 2012 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
ALEXANDER KV GIDDENS EP Microhydro Cost-effective modular systems for low heads 2007 Renewable Energy Volume 33 (2008) Paacuteginas 1379-1391
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Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
43
Poreacutem de igual forma estes atuam num mercado consolidado de forma que a
disponibilidade de heacutelices natildeo seria um risco a ser enfrentado pelo desenvolvedor do
equipamento (incluso por poder optar entre vaacuterios fornecedores)
Desta forma fica claro que uma possiacutevel parceria seria mais com os fornecedores
do gerador no sentido de inclusive facilitar o desenvolvimento do sistema de
controle de potecircncia do que na linha de escolha da heacutelice (no que deveria se deixar
em aberto para que o usuaacuterio final pudesse manter uma gama maior de
fornecedores eou fonte peccedilas de reposiccedilatildeo - como no caso de mais de uma opccedilatildeo
para a conexatildeo da heacutelice ao eixo)
Poreacutem fica claro para a autora que sim haacute condiccedilotildees favoraacuteveis para desenvolver
deste tipo de equipamento no Brasil dado haverem fabricantes nacionais que
produzem os equipamentos necessaacuterios para a produccedilatildeo de uma turbina Com este trabalho foi possiacutevel delinear as condiccedilotildees de projeto lanccedilando as bases para o
desenvolvimento de uma tecnologia acessiacutevel de um custo menor do que o
esperado (pela natildeo necessidade de desenvolvimento de parte do sistema ndash ex
gerador) equipamento este de simples implantaccedilatildeo com parte do suporte teacutecnico
de empresas jaacute estabelecidas no mercado nacional (mais favoraacutevel do que se
comparadas com a opccedilatildeo por adoccedilatildeo de equipamentos importados)
Aleacutem disso com o avanccedilo e maturidade na tecnologia de geraccedilatildeo de energia
eleacutetrica em baixa escala outras oportunidades para Pesquisa amp Desenvolvimento
(PampD) surgiria portanto poderaacute se ter inovaccedilatildeo projeto integrado desenvolvimento
tecnoloacutegico menores perdas e melhora na qualidade de fornecimento de energia e a
possibilidade de integraccedilatildeo com outras fontes renovaacuteveis (ex eoacutelica) para formar
um sistema de energia hiacutebrido Sendo jaacute pesquisado pelo o Departamento de
Energy de Oregon (USA) que os novos desenhos pra turbina heacutelice podem melhorar
muito sua eficiecircncia e sua funcionalidade somente com o ajuste do acircngulo das paacutes
da heacutelice o que poderia sem uma fase seguinte ao projeto de uma nova geraccedilatildeo de
Low Heads Turbines que poderia colocar o Brasil na vanguarda tecnoloacutegica em
micro geraccedilatildeo
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
8 BIBLIOGRAFIA CACHAPUZ Paulo Brandi de Barros Usinas da Cemig 1952-2005 A histoacuteria da eletricidade em Minas e no Brasil Rio de Janeiro Centro da Memoacuteria da
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SUPERINTENDEcircNCIA DE ESTUDOS E INFORMACcedilOtildeES HIDROLOacuteGICAS DA ANEEL (SIH) Atlas de energia eleacutetrica do Brasil Agecircncia Nacional de Energia Eleacutetrica 2 ed ndash Brasiacutelia ANEEL 2002
SUPERINTENDEcircNCIA DE ESTUDOS E INFORMACcedilOtildeES HIDROLOacuteGICAS DA ANEEL (SIH) Atlas de energia eleacutetrica do Brasil Agecircncia Nacional de Energia Eleacutetrica 3 ed ndash Brasiacutelia ANEEL 2008
AGEcircNCIA INTERNACIONAL DE ENERGIA (IEA) 2000 Disponiacutevel em lt httpwwwieaorgweoindexhtm gt
TUNDISI Joseacute Galizia Tundisi Aacutegua no Seacuteculo XXI Enfrentando a escassez Satildeo
Carlos RiMa 2deg ed 2005
JUacuteNIOR Ricardo Luiz Soares Projeto conceitual de uma turbina hidraacuteulica a ser utilizada na usina hidreleacutetrica externa de Henry Borden 2013 73f Trabalho de
Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Mecacircnica) ndash Universidade
Federal do Rio de Janeiro Rio de Janeiro 2013 [Orientador Prof Reinaldo de
Falco] SANTOS Gustavo Germani dos Estudo da viabilidade de uma PCH e sua inserccedilatildeo na matriz energeacutetica brasileira 2010 59f Trabalho de Conclusatildeo de
Curso (Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo Paulo Satildeo
Carlos 2010 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
ELBATRAN A YAAKOB O AHMED Y SHABARA H Operation performance and economic analysis of low head micro-hydropower turbines for rural and
47
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SACHDEV Hira Singh AKELLA Ashok Kumar KUMAR Niranjan Analysis and evaluation of small hydropower plants A bibliographical survey 2013
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BARBOSA Rodolfo dos Santos Projeto estrutural do cubo do rotor de uma turbine hidraacuteulica tipo Kaplan Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em
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[Orientador Prof Dr Fernando de Azevedo Silva] LIMA Flaacutevia Anuaacuterio O Setor Eleacutetrico de Normas Brasileiras 2015-2016 3 ed ndash
Satildeo Paulo Atitude Editorial Publicaccedilotildees Teacutecnicas 2015
CAXARIA Guilherme A MESQUISTA E SOUSA Duarte de RAMOS Helena M Small scale hydropower generator analysis and optimization for water supply systems 2011 World Renewable Energy Congress 2011 Linkoping Sweden
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Paulo 2000 Programa Interunidades de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Energia
MANCEBO Elizabeth Wiltgen BRANDAtildeO Pedro da Cunha Avaliaccedilatildeo da viabilidade econocircmica de reativaccedilatildeo de uma central geradora hidreleacutetrica um estudo de caso 2013 100f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em
Engenharia Produccedilatildeo) ndash Universidade Federal do Rio de Janeiro Rio de Janeiro
2013 [Orientador Prof Jose Roberto Ribas] SINGH Punit NESTMANN Franz Exit blade geometry and part-load performance of small axial flow propeller turbines An experimental investigation 2010 Experimental Thermal and Fluid Science Reviews Volume 34
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Universidade de Salvador Salvador 2009 [Orientador Prof Dr Maria Olivia de
Souza Ramos]
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(Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo Paulo Satildeo Carlos 2010 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
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197f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em Engenharia Eleacutetrica) ndash
Universidade Federal de Minas Gerais Belo Horizonte 2011 [Orientador Prof
Selecircnio Rocha Silva
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(Junho de 2015) Paacuteginas 1254-1268
GUITARRARA Gabriel Bozzola Estimativa de vazatildeo para a implantaccedilatildeo de micro-centrais hidreleacutetricas com utilizaccedilatildeo do SIG 2012 44f Trabalho de
Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo
Paulo Satildeo Carlos 2012 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
ALEXANDER KV GIDDENS EP Microhydro Cost-effective modular systems for low heads 2007 Renewable Energy Volume 33 (2008) Paacuteginas 1379-1391
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Radial- and mixed-flow
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34 (2009) Paacuteginas 1885-1894
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ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Axial-flow turbines for low
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Paacuteginas 35-47
ALVES Gilberto Manoel Avaliaccedilatildeo da viabilidade de implantaccedilatildeo de uma microcentral hidreleacutetrica para atender consumidores localizados em regiotildees isoladas 2007 156 Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Doutorado em Agronomia) ndash
Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
44
7 CONCLUSAtildeO
Assim as conclusatildeo foram
Das Normas Brasileiras foram analisadas as do setor eleacutetrico
respectivamente e dentre elas foram consideradas aplicaacuteveis 28 normas sendo destas 7 as mais relevantes para projeto Das quais satildeo ABNT NBR 54601992 (Sistemas eleacutetricos de potecircncia) ABNT NBR 141362012 Versatildeo
Corrigida 42013 (Plugues e tomadas para uso domeacutestico e anaacutelogo ateacute 20 A250 V em corrente alternadandash Padronizaccedilatildeo) ABNT NBR IEC 60947 - 22013 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensatildeo - Parte 2
Disjuntores) ABNT NBR IEC 605292005 Versatildeo Corrigida 22011(Graus de
proteccedilatildeo para invoacutelucros de equipamentos eleacutetricos - coacutedigo IP) ABNT NBR IEC 61643-12007 (Dispositivos de proteccedilatildeo contra surtos em baixa tensatildeo -
Parte 1 Dispositivos de proteccedilatildeo conectados a sistemas de distribuiccedilatildeo de
energia de baixa tensatildeo - Requisitos de desempenho e meacutetodos de ensaio) ABNT NBR NM 60335-2-452004 Versatildeo Corrigida2013 (Seguranccedila de
aparelhos eletrodomeacutesticos e similares Parte 2 Requisitos particulares para
ferramentas moacuteveis de aquecimento e aparelhos similares - IEC 60335-2-451996 MOD) ABNT NBR IEC 60034-52009 (Maacutequinas eleacutetricas girantes
Parte 5 Graus de proteccedilatildeo proporcionados pelo projeto completo de
maacutequinas eleacutetricas girantes (Coacutedigo IP) ndash Classificaccedilatildeo)
Os elementos constituintes do sistema foram o gerador e heacutelice O gerador
seraacute um gerador de trifaacutesico de iacutematilde permanente utilizados em aero geradores
A heacutelice utilizada satildeo as que estatildeo localizadas nos motores de popa de
transportes mariacutetimos Ambos estatildeo disponiacuteveis no mercado nacional e com
faacutecil acesso
A localizaccedilatildeo favoraacutevel pra implantaccedilatildeo seraacute em locais de planiacutecie e com
demanda hiacutedrica como Amazonas Pantanal e parte do Sul Aleacutem disso a
regiatildeo do interior do estado de Minas Gerais Nessas regiotildees tem-se quedas e
fluxos d`aacutegua favoraacuteveis e seu rendimento entre 100W e 500W em rendimento
total de 42
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
8 BIBLIOGRAFIA CACHAPUZ Paulo Brandi de Barros Usinas da Cemig 1952-2005 A histoacuteria da eletricidade em Minas e no Brasil Rio de Janeiro Centro da Memoacuteria da
Eletricidade no Brasil 2006
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TUNDISI Joseacute Galizia Tundisi Aacutegua no Seacuteculo XXI Enfrentando a escassez Satildeo
Carlos RiMa 2deg ed 2005
JUacuteNIOR Ricardo Luiz Soares Projeto conceitual de uma turbina hidraacuteulica a ser utilizada na usina hidreleacutetrica externa de Henry Borden 2013 73f Trabalho de
Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Mecacircnica) ndash Universidade
Federal do Rio de Janeiro Rio de Janeiro 2013 [Orientador Prof Reinaldo de
Falco] SANTOS Gustavo Germani dos Estudo da viabilidade de uma PCH e sua inserccedilatildeo na matriz energeacutetica brasileira 2010 59f Trabalho de Conclusatildeo de
Curso (Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo Paulo Satildeo
Carlos 2010 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
ELBATRAN A YAAKOB O AHMED Y SHABARA H Operation performance and economic analysis of low head micro-hydropower turbines for rural and
47
remote areas A review 2014 Renewable and Sustainable Energy Reviews
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PACHECO Eduardo Recurso Hiacutedrico Uso e Aproveitamento 2013 51f
Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Civil) ndash Universidade
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httpwwwapplegategroupcomsitesdefaultfilesfile-
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EISENRING Marcus Micro Pelton Turbines MHPG Series Volume 9 St Gallen
SKAT and GATE Eschborn 1991
NATIONAL RENEWABLE ENERGY LABORATORY Small Hydropower Systems Energy Efficiency and Renewable Energy Clearinghouse (EREC) Fact Sheet NREL
Publications Database FS217 Julho 2001
GHOSH Tushar K PRELAS Mark A Energy Resources and Systems Volume 2
Renewable Resources Holanda Springer 2011 (chapter 3)
COBB Bryan R SHARP Kendra V Impulse (Turgo and Pelton) turbine performance characteristics and their impact on pico-hydro installations 2011
Renewable Energy Volume 50 (Fevereiro de 2013) Paacuteginas 959-964
48
RAMOS Ricardo Alan Verdu SILVA Joao Batista Campos Maquinas Hidraacuteulicas e Teacutermicas Capitulo 8 Departamento de Engenharia Mecacircnica da Universidade
Estadual Paulista(UNESP) Ilha Solteira Agosto de 2009 JUacuteNIOR Davi Monteiro de Carvalho Analise comparativa entre a influecircncia do ICMS dos equipamentos eleacutetricos mecacircnicos hidromecacircnicos e de geraccedilatildeo nos custos de implantaccedilatildeo de pequenas centrais hidreleacutetricas e usinas eoacutelicas
2011 37f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash
Universidade de Satildeo Paulo Satildeo Carlos 2011 [Orientador Prof Frederico Fabio
Mauad]
GUEDES Manuek Vaz O alternador siacutencrono trifaacutesico nos pequenos aproveitamentos hidroelectricos 1993 41f Faculdade de Engenharia
Universidade do Porto Portugal Maio de 1994 MACINTYRE Archibald Joseph Maacutequinas Motrizes Hidraacuteulicas Rio de Janeiro
Guanabara Dois SA 1983
AGEcircNCIA INTERNACIONAL DE ENERGIA (IEA) 1997 Energy Technologies for the 21st Century Disponiacutevel em lt httpwwwieaorgtechnoindexhtm gt
MINISTEacuteRIO DE MINAS E ENERGIA Balanccedilo Energeacutetico Nacional Brasiacutelia
MME 1999
OLIVEIRA Leonardo Augusto da Rosa MARTINS Cristiane Aparecida Teste Propulsivo em Motor de Aeromodelo 2009 Anais do 15 Encontro de Iniciaccedilatildeo
Cientiacutefica e Poacutes-Graduaccedilatildeo do ITA ndash XV ENCITA 2009 Instituto Tecnoloacutegico de
Aeronaacuteutica Satildeo Joseacute dos Campos SP Outubro 19 a 22 2009
ASSOCIACcedilAtildeO BRASILEIRA DE NORMAS TEacuteCNICAS ABNT Cataacutelogo Disponiacutevel
em lt httpwwwabntcatalogocombrdefaultaspxgt
49
CONSELHO NACIONAL DE METROLOGIA NORMALIZACcedilAtildeO E QUALIDADE INDUSTRIAL CONMETRO Resoluccedilatildeo nordm 02 de 6 de setembro de 2007
Disponiacutevel lthttpwwwinmetrogovbrlegislacaodetalheaspseq_classe=7ampseq_ato=205gt
BURLINGTON George F Round inventor Hydroenergy Corporation cessionaacuterio Low Head Turbine Unites States Patent US 5921745 Jul13 1999
LAHIMER AA ALGHOUL MA SOPIAN K AMIN Nowshad ASIM Nilofar FADHEL MI Research and development aspects of pico-hydropower 2012
Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 16 (Agosto 2012) Paginas
5861-5878
WILLIAMSON SJ STARK BH BOOKER JD Low head pico hydro turbine selection using a multi-criteria analysis 2012 Renewable Energy 2012 Volume
61 (2014) Paacuteginas 43-50
SACHDEV Hira Singh AKELLA Ashok Kumar KUMAR Niranjan Analysis and evaluation of small hydropower plants A bibliographical survey 2013
Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 51 (Julho 2015) Paacuteginas 1013-1022
BARBOSA Rodolfo dos Santos Projeto estrutural do cubo do rotor de uma turbine hidraacuteulica tipo Kaplan Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em
Engenharia Mecacircnica) ndash Universidade Estadual Paulista Guaratinguetaacute SP 2013
[Orientador Prof Dr Fernando de Azevedo Silva] LIMA Flaacutevia Anuaacuterio O Setor Eleacutetrico de Normas Brasileiras 2015-2016 3 ed ndash
Satildeo Paulo Atitude Editorial Publicaccedilotildees Teacutecnicas 2015
CAXARIA Guilherme A MESQUISTA E SOUSA Duarte de RAMOS Helena M Small scale hydropower generator analysis and optimization for water supply systems 2011 World Renewable Energy Congress 2011 Linkoping Sweden
50
Paacuteginas 1386-1393
ALVES Gilberto Manoel SERAPHIM Odivaldo Joseacute HALMEMAN Maria Cristina Rodrigues OLIVEIRA Francienne Gois Avaliaccedilatildeo para implantaccedilatildeo de uma turbina para uma microcentral hidreleacutetrica 2007 8f Universidade Estadual
Paulista Botucatu 2007
MELLO A A Turbina de Fluxo Cruzado (Michell ndash Banki) Como Opccedilatildeo Para Centrais Hidraacuteulicas de Pequeno Porte 2000 Universidade de Satildeo Paulo Satildeo
Paulo 2000 Programa Interunidades de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Energia
MANCEBO Elizabeth Wiltgen BRANDAtildeO Pedro da Cunha Avaliaccedilatildeo da viabilidade econocircmica de reativaccedilatildeo de uma central geradora hidreleacutetrica um estudo de caso 2013 100f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em
Engenharia Produccedilatildeo) ndash Universidade Federal do Rio de Janeiro Rio de Janeiro
2013 [Orientador Prof Jose Roberto Ribas] SINGH Punit NESTMANN Franz Exit blade geometry and part-load performance of small axial flow propeller turbines An experimental investigation 2010 Experimental Thermal and Fluid Science Reviews Volume 34
(2010) Paginas 798-811
ENERSUD Energia Limpa Alternadores Disponiacutevel em
lthttpenersud1hospedagemdesiteswspage_id=272gt [acessado em 21012016] MIRANDA Robeto Lobo Regulaccedilatildeo teacutecnica para se obter melhor eficiecircncia na motorizaccedilatildeo de pequenas centrais hidreleacutetricas no Brasil 2009 118f Trabalho
de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em Regulaccedilatildeo da Industria de Energia) ndash
Universidade de Salvador Salvador 2009 [Orientador Prof Dr Maria Olivia de
Souza Ramos]
MEDEIROS Daniel de Macedo VIANA Augusto Nelson Carvalho REZEK Acircngelo Joseacute Junqueira Estudo de geradores de induccedilatildeo na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em microcentrais hidreleacutetricas 2005 Universidade Federal de Itajubaacute Minas
Gerais Revista Ciecircncias Exatas Taubateacute v 11 n 2 p 9-14 2005
51
SANTOS Renan Mesquita Eficiecircncia energeacutetica no serviccedilo auxiliar de uma pequena central hidreleacutetrica 2010 71f Trabalho de Conclusatildeo de Curso
(Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo Paulo Satildeo Carlos 2010 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
MAIA Thales Alexandre Carvalho Projeto e Construccedilatildeo de um Gerador a Iacutematildes Permanentes de Fluxo Axial para Turbina Eoacutelica de Pequena Potecircncia 2011
197f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em Engenharia Eleacutetrica) ndash
Universidade Federal de Minas Gerais Belo Horizonte 2011 [Orientador Prof
Selecircnio Rocha Silva
DATE Abhijit AKBARZADEH Aliakbar Design and cost analysis of low head simple reaction hydro turbine for remote area power supply 2008 Renewable
Energy Volume 34 (Agosto de 2008) Paacuteginas 409-415
LOOTS I VAN DIJK M BARTA B VAN VUUREN SJ BHAGWAN JN A review of low head hydropower technologies and applications in a South African context 2015 Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 50
(Junho de 2015) Paacuteginas 1254-1268
GUITARRARA Gabriel Bozzola Estimativa de vazatildeo para a implantaccedilatildeo de micro-centrais hidreleacutetricas com utilizaccedilatildeo do SIG 2012 44f Trabalho de
Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo
Paulo Satildeo Carlos 2012 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
ALEXANDER KV GIDDENS EP Microhydro Cost-effective modular systems for low heads 2007 Renewable Energy Volume 33 (2008) Paacuteginas 1379-1391
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Radial- and mixed-flow
turbines for low head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume
34 (2009) Paacuteginas 1885-1894
52
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Axial-flow turbines for low
head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume 34 (2009)
Paacuteginas 35-47
ALVES Gilberto Manoel Avaliaccedilatildeo da viabilidade de implantaccedilatildeo de uma microcentral hidreleacutetrica para atender consumidores localizados em regiotildees isoladas 2007 156 Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Doutorado em Agronomia) ndash
Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
45
A viabilidade da implantaccedilatildeo do projeto de Low Head Turbine no Brasil eacute
completamente viaacutevel e possiacutevel de sucesso do mercado em que seraacute alocada
46
8 BIBLIOGRAFIA CACHAPUZ Paulo Brandi de Barros Usinas da Cemig 1952-2005 A histoacuteria da eletricidade em Minas e no Brasil Rio de Janeiro Centro da Memoacuteria da
Eletricidade no Brasil 2006
SUPERINTENDEcircNCIA DE ESTUDOS E INFORMACcedilOtildeES HIDROLOacuteGICAS DA ANEEL (SIH) Atlas de energia eleacutetrica do Brasil Agecircncia Nacional de Energia Eleacutetrica 2 ed ndash Brasiacutelia ANEEL 2002
SUPERINTENDEcircNCIA DE ESTUDOS E INFORMACcedilOtildeES HIDROLOacuteGICAS DA ANEEL (SIH) Atlas de energia eleacutetrica do Brasil Agecircncia Nacional de Energia Eleacutetrica 3 ed ndash Brasiacutelia ANEEL 2008
AGEcircNCIA INTERNACIONAL DE ENERGIA (IEA) 2000 Disponiacutevel em lt httpwwwieaorgweoindexhtm gt
TUNDISI Joseacute Galizia Tundisi Aacutegua no Seacuteculo XXI Enfrentando a escassez Satildeo
Carlos RiMa 2deg ed 2005
JUacuteNIOR Ricardo Luiz Soares Projeto conceitual de uma turbina hidraacuteulica a ser utilizada na usina hidreleacutetrica externa de Henry Borden 2013 73f Trabalho de
Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Mecacircnica) ndash Universidade
Federal do Rio de Janeiro Rio de Janeiro 2013 [Orientador Prof Reinaldo de
Falco] SANTOS Gustavo Germani dos Estudo da viabilidade de uma PCH e sua inserccedilatildeo na matriz energeacutetica brasileira 2010 59f Trabalho de Conclusatildeo de
Curso (Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo Paulo Satildeo
Carlos 2010 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
ELBATRAN A YAAKOB O AHMED Y SHABARA H Operation performance and economic analysis of low head micro-hydropower turbines for rural and
47
remote areas A review 2014 Renewable and Sustainable Energy Reviews
Volume 43 (Marccedilo de 2015) Paacuteginas 40-50
PANISH Oliver Small Hydropower tecnology and current status 2002
Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 6 (Fevereiro de 2002)
Paacuteginas 537-556
PACHECO Eduardo Recurso Hiacutedrico Uso e Aproveitamento 2013 51f
Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Civil) ndash Universidade
Federal de Juiz de Fora Juiz de Fora 2013 [Orientador Prof Marconi Fonseca de
Moraes]
APPLEGATE GROUP INC e Colorado State University Exploring the Viability of Low Head Hydro in Coloradorsquos Existing Irrigation Infrastructure Interim Report
Summary of Available Low Head Turbine Technologies 2010 Disponiacutevel em lt
httpwwwapplegategroupcomsitesdefaultfilesfile-
attachmentsLow_Head_Hydro_Interim_Reportpdfgt [acessado em 10062015]
EISENRING Marcus Micro Pelton Turbines MHPG Series Volume 9 St Gallen
SKAT and GATE Eschborn 1991
NATIONAL RENEWABLE ENERGY LABORATORY Small Hydropower Systems Energy Efficiency and Renewable Energy Clearinghouse (EREC) Fact Sheet NREL
Publications Database FS217 Julho 2001
GHOSH Tushar K PRELAS Mark A Energy Resources and Systems Volume 2
Renewable Resources Holanda Springer 2011 (chapter 3)
COBB Bryan R SHARP Kendra V Impulse (Turgo and Pelton) turbine performance characteristics and their impact on pico-hydro installations 2011
Renewable Energy Volume 50 (Fevereiro de 2013) Paacuteginas 959-964
48
RAMOS Ricardo Alan Verdu SILVA Joao Batista Campos Maquinas Hidraacuteulicas e Teacutermicas Capitulo 8 Departamento de Engenharia Mecacircnica da Universidade
Estadual Paulista(UNESP) Ilha Solteira Agosto de 2009 JUacuteNIOR Davi Monteiro de Carvalho Analise comparativa entre a influecircncia do ICMS dos equipamentos eleacutetricos mecacircnicos hidromecacircnicos e de geraccedilatildeo nos custos de implantaccedilatildeo de pequenas centrais hidreleacutetricas e usinas eoacutelicas
2011 37f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash
Universidade de Satildeo Paulo Satildeo Carlos 2011 [Orientador Prof Frederico Fabio
Mauad]
GUEDES Manuek Vaz O alternador siacutencrono trifaacutesico nos pequenos aproveitamentos hidroelectricos 1993 41f Faculdade de Engenharia
Universidade do Porto Portugal Maio de 1994 MACINTYRE Archibald Joseph Maacutequinas Motrizes Hidraacuteulicas Rio de Janeiro
Guanabara Dois SA 1983
AGEcircNCIA INTERNACIONAL DE ENERGIA (IEA) 1997 Energy Technologies for the 21st Century Disponiacutevel em lt httpwwwieaorgtechnoindexhtm gt
MINISTEacuteRIO DE MINAS E ENERGIA Balanccedilo Energeacutetico Nacional Brasiacutelia
MME 1999
OLIVEIRA Leonardo Augusto da Rosa MARTINS Cristiane Aparecida Teste Propulsivo em Motor de Aeromodelo 2009 Anais do 15 Encontro de Iniciaccedilatildeo
Cientiacutefica e Poacutes-Graduaccedilatildeo do ITA ndash XV ENCITA 2009 Instituto Tecnoloacutegico de
Aeronaacuteutica Satildeo Joseacute dos Campos SP Outubro 19 a 22 2009
ASSOCIACcedilAtildeO BRASILEIRA DE NORMAS TEacuteCNICAS ABNT Cataacutelogo Disponiacutevel
em lt httpwwwabntcatalogocombrdefaultaspxgt
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CONSELHO NACIONAL DE METROLOGIA NORMALIZACcedilAtildeO E QUALIDADE INDUSTRIAL CONMETRO Resoluccedilatildeo nordm 02 de 6 de setembro de 2007
Disponiacutevel lthttpwwwinmetrogovbrlegislacaodetalheaspseq_classe=7ampseq_ato=205gt
BURLINGTON George F Round inventor Hydroenergy Corporation cessionaacuterio Low Head Turbine Unites States Patent US 5921745 Jul13 1999
LAHIMER AA ALGHOUL MA SOPIAN K AMIN Nowshad ASIM Nilofar FADHEL MI Research and development aspects of pico-hydropower 2012
Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 16 (Agosto 2012) Paginas
5861-5878
WILLIAMSON SJ STARK BH BOOKER JD Low head pico hydro turbine selection using a multi-criteria analysis 2012 Renewable Energy 2012 Volume
61 (2014) Paacuteginas 43-50
SACHDEV Hira Singh AKELLA Ashok Kumar KUMAR Niranjan Analysis and evaluation of small hydropower plants A bibliographical survey 2013
Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 51 (Julho 2015) Paacuteginas 1013-1022
BARBOSA Rodolfo dos Santos Projeto estrutural do cubo do rotor de uma turbine hidraacuteulica tipo Kaplan Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em
Engenharia Mecacircnica) ndash Universidade Estadual Paulista Guaratinguetaacute SP 2013
[Orientador Prof Dr Fernando de Azevedo Silva] LIMA Flaacutevia Anuaacuterio O Setor Eleacutetrico de Normas Brasileiras 2015-2016 3 ed ndash
Satildeo Paulo Atitude Editorial Publicaccedilotildees Teacutecnicas 2015
CAXARIA Guilherme A MESQUISTA E SOUSA Duarte de RAMOS Helena M Small scale hydropower generator analysis and optimization for water supply systems 2011 World Renewable Energy Congress 2011 Linkoping Sweden
50
Paacuteginas 1386-1393
ALVES Gilberto Manoel SERAPHIM Odivaldo Joseacute HALMEMAN Maria Cristina Rodrigues OLIVEIRA Francienne Gois Avaliaccedilatildeo para implantaccedilatildeo de uma turbina para uma microcentral hidreleacutetrica 2007 8f Universidade Estadual
Paulista Botucatu 2007
MELLO A A Turbina de Fluxo Cruzado (Michell ndash Banki) Como Opccedilatildeo Para Centrais Hidraacuteulicas de Pequeno Porte 2000 Universidade de Satildeo Paulo Satildeo
Paulo 2000 Programa Interunidades de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Energia
MANCEBO Elizabeth Wiltgen BRANDAtildeO Pedro da Cunha Avaliaccedilatildeo da viabilidade econocircmica de reativaccedilatildeo de uma central geradora hidreleacutetrica um estudo de caso 2013 100f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em
Engenharia Produccedilatildeo) ndash Universidade Federal do Rio de Janeiro Rio de Janeiro
2013 [Orientador Prof Jose Roberto Ribas] SINGH Punit NESTMANN Franz Exit blade geometry and part-load performance of small axial flow propeller turbines An experimental investigation 2010 Experimental Thermal and Fluid Science Reviews Volume 34
(2010) Paginas 798-811
ENERSUD Energia Limpa Alternadores Disponiacutevel em
lthttpenersud1hospedagemdesiteswspage_id=272gt [acessado em 21012016] MIRANDA Robeto Lobo Regulaccedilatildeo teacutecnica para se obter melhor eficiecircncia na motorizaccedilatildeo de pequenas centrais hidreleacutetricas no Brasil 2009 118f Trabalho
de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em Regulaccedilatildeo da Industria de Energia) ndash
Universidade de Salvador Salvador 2009 [Orientador Prof Dr Maria Olivia de
Souza Ramos]
MEDEIROS Daniel de Macedo VIANA Augusto Nelson Carvalho REZEK Acircngelo Joseacute Junqueira Estudo de geradores de induccedilatildeo na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em microcentrais hidreleacutetricas 2005 Universidade Federal de Itajubaacute Minas
Gerais Revista Ciecircncias Exatas Taubateacute v 11 n 2 p 9-14 2005
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SANTOS Renan Mesquita Eficiecircncia energeacutetica no serviccedilo auxiliar de uma pequena central hidreleacutetrica 2010 71f Trabalho de Conclusatildeo de Curso
(Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo Paulo Satildeo Carlos 2010 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
MAIA Thales Alexandre Carvalho Projeto e Construccedilatildeo de um Gerador a Iacutematildes Permanentes de Fluxo Axial para Turbina Eoacutelica de Pequena Potecircncia 2011
197f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em Engenharia Eleacutetrica) ndash
Universidade Federal de Minas Gerais Belo Horizonte 2011 [Orientador Prof
Selecircnio Rocha Silva
DATE Abhijit AKBARZADEH Aliakbar Design and cost analysis of low head simple reaction hydro turbine for remote area power supply 2008 Renewable
Energy Volume 34 (Agosto de 2008) Paacuteginas 409-415
LOOTS I VAN DIJK M BARTA B VAN VUUREN SJ BHAGWAN JN A review of low head hydropower technologies and applications in a South African context 2015 Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 50
(Junho de 2015) Paacuteginas 1254-1268
GUITARRARA Gabriel Bozzola Estimativa de vazatildeo para a implantaccedilatildeo de micro-centrais hidreleacutetricas com utilizaccedilatildeo do SIG 2012 44f Trabalho de
Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo
Paulo Satildeo Carlos 2012 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
ALEXANDER KV GIDDENS EP Microhydro Cost-effective modular systems for low heads 2007 Renewable Energy Volume 33 (2008) Paacuteginas 1379-1391
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Radial- and mixed-flow
turbines for low head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume
34 (2009) Paacuteginas 1885-1894
52
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Axial-flow turbines for low
head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume 34 (2009)
Paacuteginas 35-47
ALVES Gilberto Manoel Avaliaccedilatildeo da viabilidade de implantaccedilatildeo de uma microcentral hidreleacutetrica para atender consumidores localizados em regiotildees isoladas 2007 156 Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Doutorado em Agronomia) ndash
Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
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9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
46
8 BIBLIOGRAFIA CACHAPUZ Paulo Brandi de Barros Usinas da Cemig 1952-2005 A histoacuteria da eletricidade em Minas e no Brasil Rio de Janeiro Centro da Memoacuteria da
Eletricidade no Brasil 2006
SUPERINTENDEcircNCIA DE ESTUDOS E INFORMACcedilOtildeES HIDROLOacuteGICAS DA ANEEL (SIH) Atlas de energia eleacutetrica do Brasil Agecircncia Nacional de Energia Eleacutetrica 2 ed ndash Brasiacutelia ANEEL 2002
SUPERINTENDEcircNCIA DE ESTUDOS E INFORMACcedilOtildeES HIDROLOacuteGICAS DA ANEEL (SIH) Atlas de energia eleacutetrica do Brasil Agecircncia Nacional de Energia Eleacutetrica 3 ed ndash Brasiacutelia ANEEL 2008
AGEcircNCIA INTERNACIONAL DE ENERGIA (IEA) 2000 Disponiacutevel em lt httpwwwieaorgweoindexhtm gt
TUNDISI Joseacute Galizia Tundisi Aacutegua no Seacuteculo XXI Enfrentando a escassez Satildeo
Carlos RiMa 2deg ed 2005
JUacuteNIOR Ricardo Luiz Soares Projeto conceitual de uma turbina hidraacuteulica a ser utilizada na usina hidreleacutetrica externa de Henry Borden 2013 73f Trabalho de
Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Mecacircnica) ndash Universidade
Federal do Rio de Janeiro Rio de Janeiro 2013 [Orientador Prof Reinaldo de
Falco] SANTOS Gustavo Germani dos Estudo da viabilidade de uma PCH e sua inserccedilatildeo na matriz energeacutetica brasileira 2010 59f Trabalho de Conclusatildeo de
Curso (Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo Paulo Satildeo
Carlos 2010 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
ELBATRAN A YAAKOB O AHMED Y SHABARA H Operation performance and economic analysis of low head micro-hydropower turbines for rural and
47
remote areas A review 2014 Renewable and Sustainable Energy Reviews
Volume 43 (Marccedilo de 2015) Paacuteginas 40-50
PANISH Oliver Small Hydropower tecnology and current status 2002
Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 6 (Fevereiro de 2002)
Paacuteginas 537-556
PACHECO Eduardo Recurso Hiacutedrico Uso e Aproveitamento 2013 51f
Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Civil) ndash Universidade
Federal de Juiz de Fora Juiz de Fora 2013 [Orientador Prof Marconi Fonseca de
Moraes]
APPLEGATE GROUP INC e Colorado State University Exploring the Viability of Low Head Hydro in Coloradorsquos Existing Irrigation Infrastructure Interim Report
Summary of Available Low Head Turbine Technologies 2010 Disponiacutevel em lt
httpwwwapplegategroupcomsitesdefaultfilesfile-
attachmentsLow_Head_Hydro_Interim_Reportpdfgt [acessado em 10062015]
EISENRING Marcus Micro Pelton Turbines MHPG Series Volume 9 St Gallen
SKAT and GATE Eschborn 1991
NATIONAL RENEWABLE ENERGY LABORATORY Small Hydropower Systems Energy Efficiency and Renewable Energy Clearinghouse (EREC) Fact Sheet NREL
Publications Database FS217 Julho 2001
GHOSH Tushar K PRELAS Mark A Energy Resources and Systems Volume 2
Renewable Resources Holanda Springer 2011 (chapter 3)
COBB Bryan R SHARP Kendra V Impulse (Turgo and Pelton) turbine performance characteristics and their impact on pico-hydro installations 2011
Renewable Energy Volume 50 (Fevereiro de 2013) Paacuteginas 959-964
48
RAMOS Ricardo Alan Verdu SILVA Joao Batista Campos Maquinas Hidraacuteulicas e Teacutermicas Capitulo 8 Departamento de Engenharia Mecacircnica da Universidade
Estadual Paulista(UNESP) Ilha Solteira Agosto de 2009 JUacuteNIOR Davi Monteiro de Carvalho Analise comparativa entre a influecircncia do ICMS dos equipamentos eleacutetricos mecacircnicos hidromecacircnicos e de geraccedilatildeo nos custos de implantaccedilatildeo de pequenas centrais hidreleacutetricas e usinas eoacutelicas
2011 37f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash
Universidade de Satildeo Paulo Satildeo Carlos 2011 [Orientador Prof Frederico Fabio
Mauad]
GUEDES Manuek Vaz O alternador siacutencrono trifaacutesico nos pequenos aproveitamentos hidroelectricos 1993 41f Faculdade de Engenharia
Universidade do Porto Portugal Maio de 1994 MACINTYRE Archibald Joseph Maacutequinas Motrizes Hidraacuteulicas Rio de Janeiro
Guanabara Dois SA 1983
AGEcircNCIA INTERNACIONAL DE ENERGIA (IEA) 1997 Energy Technologies for the 21st Century Disponiacutevel em lt httpwwwieaorgtechnoindexhtm gt
MINISTEacuteRIO DE MINAS E ENERGIA Balanccedilo Energeacutetico Nacional Brasiacutelia
MME 1999
OLIVEIRA Leonardo Augusto da Rosa MARTINS Cristiane Aparecida Teste Propulsivo em Motor de Aeromodelo 2009 Anais do 15 Encontro de Iniciaccedilatildeo
Cientiacutefica e Poacutes-Graduaccedilatildeo do ITA ndash XV ENCITA 2009 Instituto Tecnoloacutegico de
Aeronaacuteutica Satildeo Joseacute dos Campos SP Outubro 19 a 22 2009
ASSOCIACcedilAtildeO BRASILEIRA DE NORMAS TEacuteCNICAS ABNT Cataacutelogo Disponiacutevel
em lt httpwwwabntcatalogocombrdefaultaspxgt
49
CONSELHO NACIONAL DE METROLOGIA NORMALIZACcedilAtildeO E QUALIDADE INDUSTRIAL CONMETRO Resoluccedilatildeo nordm 02 de 6 de setembro de 2007
Disponiacutevel lthttpwwwinmetrogovbrlegislacaodetalheaspseq_classe=7ampseq_ato=205gt
BURLINGTON George F Round inventor Hydroenergy Corporation cessionaacuterio Low Head Turbine Unites States Patent US 5921745 Jul13 1999
LAHIMER AA ALGHOUL MA SOPIAN K AMIN Nowshad ASIM Nilofar FADHEL MI Research and development aspects of pico-hydropower 2012
Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 16 (Agosto 2012) Paginas
5861-5878
WILLIAMSON SJ STARK BH BOOKER JD Low head pico hydro turbine selection using a multi-criteria analysis 2012 Renewable Energy 2012 Volume
61 (2014) Paacuteginas 43-50
SACHDEV Hira Singh AKELLA Ashok Kumar KUMAR Niranjan Analysis and evaluation of small hydropower plants A bibliographical survey 2013
Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 51 (Julho 2015) Paacuteginas 1013-1022
BARBOSA Rodolfo dos Santos Projeto estrutural do cubo do rotor de uma turbine hidraacuteulica tipo Kaplan Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em
Engenharia Mecacircnica) ndash Universidade Estadual Paulista Guaratinguetaacute SP 2013
[Orientador Prof Dr Fernando de Azevedo Silva] LIMA Flaacutevia Anuaacuterio O Setor Eleacutetrico de Normas Brasileiras 2015-2016 3 ed ndash
Satildeo Paulo Atitude Editorial Publicaccedilotildees Teacutecnicas 2015
CAXARIA Guilherme A MESQUISTA E SOUSA Duarte de RAMOS Helena M Small scale hydropower generator analysis and optimization for water supply systems 2011 World Renewable Energy Congress 2011 Linkoping Sweden
50
Paacuteginas 1386-1393
ALVES Gilberto Manoel SERAPHIM Odivaldo Joseacute HALMEMAN Maria Cristina Rodrigues OLIVEIRA Francienne Gois Avaliaccedilatildeo para implantaccedilatildeo de uma turbina para uma microcentral hidreleacutetrica 2007 8f Universidade Estadual
Paulista Botucatu 2007
MELLO A A Turbina de Fluxo Cruzado (Michell ndash Banki) Como Opccedilatildeo Para Centrais Hidraacuteulicas de Pequeno Porte 2000 Universidade de Satildeo Paulo Satildeo
Paulo 2000 Programa Interunidades de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Energia
MANCEBO Elizabeth Wiltgen BRANDAtildeO Pedro da Cunha Avaliaccedilatildeo da viabilidade econocircmica de reativaccedilatildeo de uma central geradora hidreleacutetrica um estudo de caso 2013 100f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em
Engenharia Produccedilatildeo) ndash Universidade Federal do Rio de Janeiro Rio de Janeiro
2013 [Orientador Prof Jose Roberto Ribas] SINGH Punit NESTMANN Franz Exit blade geometry and part-load performance of small axial flow propeller turbines An experimental investigation 2010 Experimental Thermal and Fluid Science Reviews Volume 34
(2010) Paginas 798-811
ENERSUD Energia Limpa Alternadores Disponiacutevel em
lthttpenersud1hospedagemdesiteswspage_id=272gt [acessado em 21012016] MIRANDA Robeto Lobo Regulaccedilatildeo teacutecnica para se obter melhor eficiecircncia na motorizaccedilatildeo de pequenas centrais hidreleacutetricas no Brasil 2009 118f Trabalho
de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em Regulaccedilatildeo da Industria de Energia) ndash
Universidade de Salvador Salvador 2009 [Orientador Prof Dr Maria Olivia de
Souza Ramos]
MEDEIROS Daniel de Macedo VIANA Augusto Nelson Carvalho REZEK Acircngelo Joseacute Junqueira Estudo de geradores de induccedilatildeo na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em microcentrais hidreleacutetricas 2005 Universidade Federal de Itajubaacute Minas
Gerais Revista Ciecircncias Exatas Taubateacute v 11 n 2 p 9-14 2005
51
SANTOS Renan Mesquita Eficiecircncia energeacutetica no serviccedilo auxiliar de uma pequena central hidreleacutetrica 2010 71f Trabalho de Conclusatildeo de Curso
(Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo Paulo Satildeo Carlos 2010 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
MAIA Thales Alexandre Carvalho Projeto e Construccedilatildeo de um Gerador a Iacutematildes Permanentes de Fluxo Axial para Turbina Eoacutelica de Pequena Potecircncia 2011
197f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em Engenharia Eleacutetrica) ndash
Universidade Federal de Minas Gerais Belo Horizonte 2011 [Orientador Prof
Selecircnio Rocha Silva
DATE Abhijit AKBARZADEH Aliakbar Design and cost analysis of low head simple reaction hydro turbine for remote area power supply 2008 Renewable
Energy Volume 34 (Agosto de 2008) Paacuteginas 409-415
LOOTS I VAN DIJK M BARTA B VAN VUUREN SJ BHAGWAN JN A review of low head hydropower technologies and applications in a South African context 2015 Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 50
(Junho de 2015) Paacuteginas 1254-1268
GUITARRARA Gabriel Bozzola Estimativa de vazatildeo para a implantaccedilatildeo de micro-centrais hidreleacutetricas com utilizaccedilatildeo do SIG 2012 44f Trabalho de
Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo
Paulo Satildeo Carlos 2012 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
ALEXANDER KV GIDDENS EP Microhydro Cost-effective modular systems for low heads 2007 Renewable Energy Volume 33 (2008) Paacuteginas 1379-1391
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Radial- and mixed-flow
turbines for low head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume
34 (2009) Paacuteginas 1885-1894
52
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Axial-flow turbines for low
head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume 34 (2009)
Paacuteginas 35-47
ALVES Gilberto Manoel Avaliaccedilatildeo da viabilidade de implantaccedilatildeo de uma microcentral hidreleacutetrica para atender consumidores localizados em regiotildees isoladas 2007 156 Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Doutorado em Agronomia) ndash
Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
47
remote areas A review 2014 Renewable and Sustainable Energy Reviews
Volume 43 (Marccedilo de 2015) Paacuteginas 40-50
PANISH Oliver Small Hydropower tecnology and current status 2002
Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 6 (Fevereiro de 2002)
Paacuteginas 537-556
PACHECO Eduardo Recurso Hiacutedrico Uso e Aproveitamento 2013 51f
Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Civil) ndash Universidade
Federal de Juiz de Fora Juiz de Fora 2013 [Orientador Prof Marconi Fonseca de
Moraes]
APPLEGATE GROUP INC e Colorado State University Exploring the Viability of Low Head Hydro in Coloradorsquos Existing Irrigation Infrastructure Interim Report
Summary of Available Low Head Turbine Technologies 2010 Disponiacutevel em lt
httpwwwapplegategroupcomsitesdefaultfilesfile-
attachmentsLow_Head_Hydro_Interim_Reportpdfgt [acessado em 10062015]
EISENRING Marcus Micro Pelton Turbines MHPG Series Volume 9 St Gallen
SKAT and GATE Eschborn 1991
NATIONAL RENEWABLE ENERGY LABORATORY Small Hydropower Systems Energy Efficiency and Renewable Energy Clearinghouse (EREC) Fact Sheet NREL
Publications Database FS217 Julho 2001
GHOSH Tushar K PRELAS Mark A Energy Resources and Systems Volume 2
Renewable Resources Holanda Springer 2011 (chapter 3)
COBB Bryan R SHARP Kendra V Impulse (Turgo and Pelton) turbine performance characteristics and their impact on pico-hydro installations 2011
Renewable Energy Volume 50 (Fevereiro de 2013) Paacuteginas 959-964
48
RAMOS Ricardo Alan Verdu SILVA Joao Batista Campos Maquinas Hidraacuteulicas e Teacutermicas Capitulo 8 Departamento de Engenharia Mecacircnica da Universidade
Estadual Paulista(UNESP) Ilha Solteira Agosto de 2009 JUacuteNIOR Davi Monteiro de Carvalho Analise comparativa entre a influecircncia do ICMS dos equipamentos eleacutetricos mecacircnicos hidromecacircnicos e de geraccedilatildeo nos custos de implantaccedilatildeo de pequenas centrais hidreleacutetricas e usinas eoacutelicas
2011 37f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash
Universidade de Satildeo Paulo Satildeo Carlos 2011 [Orientador Prof Frederico Fabio
Mauad]
GUEDES Manuek Vaz O alternador siacutencrono trifaacutesico nos pequenos aproveitamentos hidroelectricos 1993 41f Faculdade de Engenharia
Universidade do Porto Portugal Maio de 1994 MACINTYRE Archibald Joseph Maacutequinas Motrizes Hidraacuteulicas Rio de Janeiro
Guanabara Dois SA 1983
AGEcircNCIA INTERNACIONAL DE ENERGIA (IEA) 1997 Energy Technologies for the 21st Century Disponiacutevel em lt httpwwwieaorgtechnoindexhtm gt
MINISTEacuteRIO DE MINAS E ENERGIA Balanccedilo Energeacutetico Nacional Brasiacutelia
MME 1999
OLIVEIRA Leonardo Augusto da Rosa MARTINS Cristiane Aparecida Teste Propulsivo em Motor de Aeromodelo 2009 Anais do 15 Encontro de Iniciaccedilatildeo
Cientiacutefica e Poacutes-Graduaccedilatildeo do ITA ndash XV ENCITA 2009 Instituto Tecnoloacutegico de
Aeronaacuteutica Satildeo Joseacute dos Campos SP Outubro 19 a 22 2009
ASSOCIACcedilAtildeO BRASILEIRA DE NORMAS TEacuteCNICAS ABNT Cataacutelogo Disponiacutevel
em lt httpwwwabntcatalogocombrdefaultaspxgt
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CONSELHO NACIONAL DE METROLOGIA NORMALIZACcedilAtildeO E QUALIDADE INDUSTRIAL CONMETRO Resoluccedilatildeo nordm 02 de 6 de setembro de 2007
Disponiacutevel lthttpwwwinmetrogovbrlegislacaodetalheaspseq_classe=7ampseq_ato=205gt
BURLINGTON George F Round inventor Hydroenergy Corporation cessionaacuterio Low Head Turbine Unites States Patent US 5921745 Jul13 1999
LAHIMER AA ALGHOUL MA SOPIAN K AMIN Nowshad ASIM Nilofar FADHEL MI Research and development aspects of pico-hydropower 2012
Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 16 (Agosto 2012) Paginas
5861-5878
WILLIAMSON SJ STARK BH BOOKER JD Low head pico hydro turbine selection using a multi-criteria analysis 2012 Renewable Energy 2012 Volume
61 (2014) Paacuteginas 43-50
SACHDEV Hira Singh AKELLA Ashok Kumar KUMAR Niranjan Analysis and evaluation of small hydropower plants A bibliographical survey 2013
Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 51 (Julho 2015) Paacuteginas 1013-1022
BARBOSA Rodolfo dos Santos Projeto estrutural do cubo do rotor de uma turbine hidraacuteulica tipo Kaplan Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em
Engenharia Mecacircnica) ndash Universidade Estadual Paulista Guaratinguetaacute SP 2013
[Orientador Prof Dr Fernando de Azevedo Silva] LIMA Flaacutevia Anuaacuterio O Setor Eleacutetrico de Normas Brasileiras 2015-2016 3 ed ndash
Satildeo Paulo Atitude Editorial Publicaccedilotildees Teacutecnicas 2015
CAXARIA Guilherme A MESQUISTA E SOUSA Duarte de RAMOS Helena M Small scale hydropower generator analysis and optimization for water supply systems 2011 World Renewable Energy Congress 2011 Linkoping Sweden
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Paacuteginas 1386-1393
ALVES Gilberto Manoel SERAPHIM Odivaldo Joseacute HALMEMAN Maria Cristina Rodrigues OLIVEIRA Francienne Gois Avaliaccedilatildeo para implantaccedilatildeo de uma turbina para uma microcentral hidreleacutetrica 2007 8f Universidade Estadual
Paulista Botucatu 2007
MELLO A A Turbina de Fluxo Cruzado (Michell ndash Banki) Como Opccedilatildeo Para Centrais Hidraacuteulicas de Pequeno Porte 2000 Universidade de Satildeo Paulo Satildeo
Paulo 2000 Programa Interunidades de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Energia
MANCEBO Elizabeth Wiltgen BRANDAtildeO Pedro da Cunha Avaliaccedilatildeo da viabilidade econocircmica de reativaccedilatildeo de uma central geradora hidreleacutetrica um estudo de caso 2013 100f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em
Engenharia Produccedilatildeo) ndash Universidade Federal do Rio de Janeiro Rio de Janeiro
2013 [Orientador Prof Jose Roberto Ribas] SINGH Punit NESTMANN Franz Exit blade geometry and part-load performance of small axial flow propeller turbines An experimental investigation 2010 Experimental Thermal and Fluid Science Reviews Volume 34
(2010) Paginas 798-811
ENERSUD Energia Limpa Alternadores Disponiacutevel em
lthttpenersud1hospedagemdesiteswspage_id=272gt [acessado em 21012016] MIRANDA Robeto Lobo Regulaccedilatildeo teacutecnica para se obter melhor eficiecircncia na motorizaccedilatildeo de pequenas centrais hidreleacutetricas no Brasil 2009 118f Trabalho
de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em Regulaccedilatildeo da Industria de Energia) ndash
Universidade de Salvador Salvador 2009 [Orientador Prof Dr Maria Olivia de
Souza Ramos]
MEDEIROS Daniel de Macedo VIANA Augusto Nelson Carvalho REZEK Acircngelo Joseacute Junqueira Estudo de geradores de induccedilatildeo na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em microcentrais hidreleacutetricas 2005 Universidade Federal de Itajubaacute Minas
Gerais Revista Ciecircncias Exatas Taubateacute v 11 n 2 p 9-14 2005
51
SANTOS Renan Mesquita Eficiecircncia energeacutetica no serviccedilo auxiliar de uma pequena central hidreleacutetrica 2010 71f Trabalho de Conclusatildeo de Curso
(Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo Paulo Satildeo Carlos 2010 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
MAIA Thales Alexandre Carvalho Projeto e Construccedilatildeo de um Gerador a Iacutematildes Permanentes de Fluxo Axial para Turbina Eoacutelica de Pequena Potecircncia 2011
197f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em Engenharia Eleacutetrica) ndash
Universidade Federal de Minas Gerais Belo Horizonte 2011 [Orientador Prof
Selecircnio Rocha Silva
DATE Abhijit AKBARZADEH Aliakbar Design and cost analysis of low head simple reaction hydro turbine for remote area power supply 2008 Renewable
Energy Volume 34 (Agosto de 2008) Paacuteginas 409-415
LOOTS I VAN DIJK M BARTA B VAN VUUREN SJ BHAGWAN JN A review of low head hydropower technologies and applications in a South African context 2015 Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 50
(Junho de 2015) Paacuteginas 1254-1268
GUITARRARA Gabriel Bozzola Estimativa de vazatildeo para a implantaccedilatildeo de micro-centrais hidreleacutetricas com utilizaccedilatildeo do SIG 2012 44f Trabalho de
Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo
Paulo Satildeo Carlos 2012 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
ALEXANDER KV GIDDENS EP Microhydro Cost-effective modular systems for low heads 2007 Renewable Energy Volume 33 (2008) Paacuteginas 1379-1391
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Radial- and mixed-flow
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34 (2009) Paacuteginas 1885-1894
52
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Axial-flow turbines for low
head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume 34 (2009)
Paacuteginas 35-47
ALVES Gilberto Manoel Avaliaccedilatildeo da viabilidade de implantaccedilatildeo de uma microcentral hidreleacutetrica para atender consumidores localizados em regiotildees isoladas 2007 156 Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Doutorado em Agronomia) ndash
Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
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RAMOS Ricardo Alan Verdu SILVA Joao Batista Campos Maquinas Hidraacuteulicas e Teacutermicas Capitulo 8 Departamento de Engenharia Mecacircnica da Universidade
Estadual Paulista(UNESP) Ilha Solteira Agosto de 2009 JUacuteNIOR Davi Monteiro de Carvalho Analise comparativa entre a influecircncia do ICMS dos equipamentos eleacutetricos mecacircnicos hidromecacircnicos e de geraccedilatildeo nos custos de implantaccedilatildeo de pequenas centrais hidreleacutetricas e usinas eoacutelicas
2011 37f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash
Universidade de Satildeo Paulo Satildeo Carlos 2011 [Orientador Prof Frederico Fabio
Mauad]
GUEDES Manuek Vaz O alternador siacutencrono trifaacutesico nos pequenos aproveitamentos hidroelectricos 1993 41f Faculdade de Engenharia
Universidade do Porto Portugal Maio de 1994 MACINTYRE Archibald Joseph Maacutequinas Motrizes Hidraacuteulicas Rio de Janeiro
Guanabara Dois SA 1983
AGEcircNCIA INTERNACIONAL DE ENERGIA (IEA) 1997 Energy Technologies for the 21st Century Disponiacutevel em lt httpwwwieaorgtechnoindexhtm gt
MINISTEacuteRIO DE MINAS E ENERGIA Balanccedilo Energeacutetico Nacional Brasiacutelia
MME 1999
OLIVEIRA Leonardo Augusto da Rosa MARTINS Cristiane Aparecida Teste Propulsivo em Motor de Aeromodelo 2009 Anais do 15 Encontro de Iniciaccedilatildeo
Cientiacutefica e Poacutes-Graduaccedilatildeo do ITA ndash XV ENCITA 2009 Instituto Tecnoloacutegico de
Aeronaacuteutica Satildeo Joseacute dos Campos SP Outubro 19 a 22 2009
ASSOCIACcedilAtildeO BRASILEIRA DE NORMAS TEacuteCNICAS ABNT Cataacutelogo Disponiacutevel
em lt httpwwwabntcatalogocombrdefaultaspxgt
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CONSELHO NACIONAL DE METROLOGIA NORMALIZACcedilAtildeO E QUALIDADE INDUSTRIAL CONMETRO Resoluccedilatildeo nordm 02 de 6 de setembro de 2007
Disponiacutevel lthttpwwwinmetrogovbrlegislacaodetalheaspseq_classe=7ampseq_ato=205gt
BURLINGTON George F Round inventor Hydroenergy Corporation cessionaacuterio Low Head Turbine Unites States Patent US 5921745 Jul13 1999
LAHIMER AA ALGHOUL MA SOPIAN K AMIN Nowshad ASIM Nilofar FADHEL MI Research and development aspects of pico-hydropower 2012
Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 16 (Agosto 2012) Paginas
5861-5878
WILLIAMSON SJ STARK BH BOOKER JD Low head pico hydro turbine selection using a multi-criteria analysis 2012 Renewable Energy 2012 Volume
61 (2014) Paacuteginas 43-50
SACHDEV Hira Singh AKELLA Ashok Kumar KUMAR Niranjan Analysis and evaluation of small hydropower plants A bibliographical survey 2013
Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 51 (Julho 2015) Paacuteginas 1013-1022
BARBOSA Rodolfo dos Santos Projeto estrutural do cubo do rotor de uma turbine hidraacuteulica tipo Kaplan Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em
Engenharia Mecacircnica) ndash Universidade Estadual Paulista Guaratinguetaacute SP 2013
[Orientador Prof Dr Fernando de Azevedo Silva] LIMA Flaacutevia Anuaacuterio O Setor Eleacutetrico de Normas Brasileiras 2015-2016 3 ed ndash
Satildeo Paulo Atitude Editorial Publicaccedilotildees Teacutecnicas 2015
CAXARIA Guilherme A MESQUISTA E SOUSA Duarte de RAMOS Helena M Small scale hydropower generator analysis and optimization for water supply systems 2011 World Renewable Energy Congress 2011 Linkoping Sweden
50
Paacuteginas 1386-1393
ALVES Gilberto Manoel SERAPHIM Odivaldo Joseacute HALMEMAN Maria Cristina Rodrigues OLIVEIRA Francienne Gois Avaliaccedilatildeo para implantaccedilatildeo de uma turbina para uma microcentral hidreleacutetrica 2007 8f Universidade Estadual
Paulista Botucatu 2007
MELLO A A Turbina de Fluxo Cruzado (Michell ndash Banki) Como Opccedilatildeo Para Centrais Hidraacuteulicas de Pequeno Porte 2000 Universidade de Satildeo Paulo Satildeo
Paulo 2000 Programa Interunidades de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Energia
MANCEBO Elizabeth Wiltgen BRANDAtildeO Pedro da Cunha Avaliaccedilatildeo da viabilidade econocircmica de reativaccedilatildeo de uma central geradora hidreleacutetrica um estudo de caso 2013 100f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em
Engenharia Produccedilatildeo) ndash Universidade Federal do Rio de Janeiro Rio de Janeiro
2013 [Orientador Prof Jose Roberto Ribas] SINGH Punit NESTMANN Franz Exit blade geometry and part-load performance of small axial flow propeller turbines An experimental investigation 2010 Experimental Thermal and Fluid Science Reviews Volume 34
(2010) Paginas 798-811
ENERSUD Energia Limpa Alternadores Disponiacutevel em
lthttpenersud1hospedagemdesiteswspage_id=272gt [acessado em 21012016] MIRANDA Robeto Lobo Regulaccedilatildeo teacutecnica para se obter melhor eficiecircncia na motorizaccedilatildeo de pequenas centrais hidreleacutetricas no Brasil 2009 118f Trabalho
de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em Regulaccedilatildeo da Industria de Energia) ndash
Universidade de Salvador Salvador 2009 [Orientador Prof Dr Maria Olivia de
Souza Ramos]
MEDEIROS Daniel de Macedo VIANA Augusto Nelson Carvalho REZEK Acircngelo Joseacute Junqueira Estudo de geradores de induccedilatildeo na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em microcentrais hidreleacutetricas 2005 Universidade Federal de Itajubaacute Minas
Gerais Revista Ciecircncias Exatas Taubateacute v 11 n 2 p 9-14 2005
51
SANTOS Renan Mesquita Eficiecircncia energeacutetica no serviccedilo auxiliar de uma pequena central hidreleacutetrica 2010 71f Trabalho de Conclusatildeo de Curso
(Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo Paulo Satildeo Carlos 2010 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
MAIA Thales Alexandre Carvalho Projeto e Construccedilatildeo de um Gerador a Iacutematildes Permanentes de Fluxo Axial para Turbina Eoacutelica de Pequena Potecircncia 2011
197f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em Engenharia Eleacutetrica) ndash
Universidade Federal de Minas Gerais Belo Horizonte 2011 [Orientador Prof
Selecircnio Rocha Silva
DATE Abhijit AKBARZADEH Aliakbar Design and cost analysis of low head simple reaction hydro turbine for remote area power supply 2008 Renewable
Energy Volume 34 (Agosto de 2008) Paacuteginas 409-415
LOOTS I VAN DIJK M BARTA B VAN VUUREN SJ BHAGWAN JN A review of low head hydropower technologies and applications in a South African context 2015 Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 50
(Junho de 2015) Paacuteginas 1254-1268
GUITARRARA Gabriel Bozzola Estimativa de vazatildeo para a implantaccedilatildeo de micro-centrais hidreleacutetricas com utilizaccedilatildeo do SIG 2012 44f Trabalho de
Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo
Paulo Satildeo Carlos 2012 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
ALEXANDER KV GIDDENS EP Microhydro Cost-effective modular systems for low heads 2007 Renewable Energy Volume 33 (2008) Paacuteginas 1379-1391
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Radial- and mixed-flow
turbines for low head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume
34 (2009) Paacuteginas 1885-1894
52
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Axial-flow turbines for low
head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume 34 (2009)
Paacuteginas 35-47
ALVES Gilberto Manoel Avaliaccedilatildeo da viabilidade de implantaccedilatildeo de uma microcentral hidreleacutetrica para atender consumidores localizados em regiotildees isoladas 2007 156 Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Doutorado em Agronomia) ndash
Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
49
CONSELHO NACIONAL DE METROLOGIA NORMALIZACcedilAtildeO E QUALIDADE INDUSTRIAL CONMETRO Resoluccedilatildeo nordm 02 de 6 de setembro de 2007
Disponiacutevel lthttpwwwinmetrogovbrlegislacaodetalheaspseq_classe=7ampseq_ato=205gt
BURLINGTON George F Round inventor Hydroenergy Corporation cessionaacuterio Low Head Turbine Unites States Patent US 5921745 Jul13 1999
LAHIMER AA ALGHOUL MA SOPIAN K AMIN Nowshad ASIM Nilofar FADHEL MI Research and development aspects of pico-hydropower 2012
Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 16 (Agosto 2012) Paginas
5861-5878
WILLIAMSON SJ STARK BH BOOKER JD Low head pico hydro turbine selection using a multi-criteria analysis 2012 Renewable Energy 2012 Volume
61 (2014) Paacuteginas 43-50
SACHDEV Hira Singh AKELLA Ashok Kumar KUMAR Niranjan Analysis and evaluation of small hydropower plants A bibliographical survey 2013
Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 51 (Julho 2015) Paacuteginas 1013-1022
BARBOSA Rodolfo dos Santos Projeto estrutural do cubo do rotor de uma turbine hidraacuteulica tipo Kaplan Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em
Engenharia Mecacircnica) ndash Universidade Estadual Paulista Guaratinguetaacute SP 2013
[Orientador Prof Dr Fernando de Azevedo Silva] LIMA Flaacutevia Anuaacuterio O Setor Eleacutetrico de Normas Brasileiras 2015-2016 3 ed ndash
Satildeo Paulo Atitude Editorial Publicaccedilotildees Teacutecnicas 2015
CAXARIA Guilherme A MESQUISTA E SOUSA Duarte de RAMOS Helena M Small scale hydropower generator analysis and optimization for water supply systems 2011 World Renewable Energy Congress 2011 Linkoping Sweden
50
Paacuteginas 1386-1393
ALVES Gilberto Manoel SERAPHIM Odivaldo Joseacute HALMEMAN Maria Cristina Rodrigues OLIVEIRA Francienne Gois Avaliaccedilatildeo para implantaccedilatildeo de uma turbina para uma microcentral hidreleacutetrica 2007 8f Universidade Estadual
Paulista Botucatu 2007
MELLO A A Turbina de Fluxo Cruzado (Michell ndash Banki) Como Opccedilatildeo Para Centrais Hidraacuteulicas de Pequeno Porte 2000 Universidade de Satildeo Paulo Satildeo
Paulo 2000 Programa Interunidades de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Energia
MANCEBO Elizabeth Wiltgen BRANDAtildeO Pedro da Cunha Avaliaccedilatildeo da viabilidade econocircmica de reativaccedilatildeo de uma central geradora hidreleacutetrica um estudo de caso 2013 100f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em
Engenharia Produccedilatildeo) ndash Universidade Federal do Rio de Janeiro Rio de Janeiro
2013 [Orientador Prof Jose Roberto Ribas] SINGH Punit NESTMANN Franz Exit blade geometry and part-load performance of small axial flow propeller turbines An experimental investigation 2010 Experimental Thermal and Fluid Science Reviews Volume 34
(2010) Paginas 798-811
ENERSUD Energia Limpa Alternadores Disponiacutevel em
lthttpenersud1hospedagemdesiteswspage_id=272gt [acessado em 21012016] MIRANDA Robeto Lobo Regulaccedilatildeo teacutecnica para se obter melhor eficiecircncia na motorizaccedilatildeo de pequenas centrais hidreleacutetricas no Brasil 2009 118f Trabalho
de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em Regulaccedilatildeo da Industria de Energia) ndash
Universidade de Salvador Salvador 2009 [Orientador Prof Dr Maria Olivia de
Souza Ramos]
MEDEIROS Daniel de Macedo VIANA Augusto Nelson Carvalho REZEK Acircngelo Joseacute Junqueira Estudo de geradores de induccedilatildeo na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em microcentrais hidreleacutetricas 2005 Universidade Federal de Itajubaacute Minas
Gerais Revista Ciecircncias Exatas Taubateacute v 11 n 2 p 9-14 2005
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SANTOS Renan Mesquita Eficiecircncia energeacutetica no serviccedilo auxiliar de uma pequena central hidreleacutetrica 2010 71f Trabalho de Conclusatildeo de Curso
(Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo Paulo Satildeo Carlos 2010 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
MAIA Thales Alexandre Carvalho Projeto e Construccedilatildeo de um Gerador a Iacutematildes Permanentes de Fluxo Axial para Turbina Eoacutelica de Pequena Potecircncia 2011
197f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em Engenharia Eleacutetrica) ndash
Universidade Federal de Minas Gerais Belo Horizonte 2011 [Orientador Prof
Selecircnio Rocha Silva
DATE Abhijit AKBARZADEH Aliakbar Design and cost analysis of low head simple reaction hydro turbine for remote area power supply 2008 Renewable
Energy Volume 34 (Agosto de 2008) Paacuteginas 409-415
LOOTS I VAN DIJK M BARTA B VAN VUUREN SJ BHAGWAN JN A review of low head hydropower technologies and applications in a South African context 2015 Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 50
(Junho de 2015) Paacuteginas 1254-1268
GUITARRARA Gabriel Bozzola Estimativa de vazatildeo para a implantaccedilatildeo de micro-centrais hidreleacutetricas com utilizaccedilatildeo do SIG 2012 44f Trabalho de
Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo
Paulo Satildeo Carlos 2012 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
ALEXANDER KV GIDDENS EP Microhydro Cost-effective modular systems for low heads 2007 Renewable Energy Volume 33 (2008) Paacuteginas 1379-1391
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Radial- and mixed-flow
turbines for low head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume
34 (2009) Paacuteginas 1885-1894
52
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Axial-flow turbines for low
head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume 34 (2009)
Paacuteginas 35-47
ALVES Gilberto Manoel Avaliaccedilatildeo da viabilidade de implantaccedilatildeo de uma microcentral hidreleacutetrica para atender consumidores localizados em regiotildees isoladas 2007 156 Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Doutorado em Agronomia) ndash
Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
50
Paacuteginas 1386-1393
ALVES Gilberto Manoel SERAPHIM Odivaldo Joseacute HALMEMAN Maria Cristina Rodrigues OLIVEIRA Francienne Gois Avaliaccedilatildeo para implantaccedilatildeo de uma turbina para uma microcentral hidreleacutetrica 2007 8f Universidade Estadual
Paulista Botucatu 2007
MELLO A A Turbina de Fluxo Cruzado (Michell ndash Banki) Como Opccedilatildeo Para Centrais Hidraacuteulicas de Pequeno Porte 2000 Universidade de Satildeo Paulo Satildeo
Paulo 2000 Programa Interunidades de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Energia
MANCEBO Elizabeth Wiltgen BRANDAtildeO Pedro da Cunha Avaliaccedilatildeo da viabilidade econocircmica de reativaccedilatildeo de uma central geradora hidreleacutetrica um estudo de caso 2013 100f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em
Engenharia Produccedilatildeo) ndash Universidade Federal do Rio de Janeiro Rio de Janeiro
2013 [Orientador Prof Jose Roberto Ribas] SINGH Punit NESTMANN Franz Exit blade geometry and part-load performance of small axial flow propeller turbines An experimental investigation 2010 Experimental Thermal and Fluid Science Reviews Volume 34
(2010) Paginas 798-811
ENERSUD Energia Limpa Alternadores Disponiacutevel em
lthttpenersud1hospedagemdesiteswspage_id=272gt [acessado em 21012016] MIRANDA Robeto Lobo Regulaccedilatildeo teacutecnica para se obter melhor eficiecircncia na motorizaccedilatildeo de pequenas centrais hidreleacutetricas no Brasil 2009 118f Trabalho
de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em Regulaccedilatildeo da Industria de Energia) ndash
Universidade de Salvador Salvador 2009 [Orientador Prof Dr Maria Olivia de
Souza Ramos]
MEDEIROS Daniel de Macedo VIANA Augusto Nelson Carvalho REZEK Acircngelo Joseacute Junqueira Estudo de geradores de induccedilatildeo na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica em microcentrais hidreleacutetricas 2005 Universidade Federal de Itajubaacute Minas
Gerais Revista Ciecircncias Exatas Taubateacute v 11 n 2 p 9-14 2005
51
SANTOS Renan Mesquita Eficiecircncia energeacutetica no serviccedilo auxiliar de uma pequena central hidreleacutetrica 2010 71f Trabalho de Conclusatildeo de Curso
(Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo Paulo Satildeo Carlos 2010 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
MAIA Thales Alexandre Carvalho Projeto e Construccedilatildeo de um Gerador a Iacutematildes Permanentes de Fluxo Axial para Turbina Eoacutelica de Pequena Potecircncia 2011
197f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em Engenharia Eleacutetrica) ndash
Universidade Federal de Minas Gerais Belo Horizonte 2011 [Orientador Prof
Selecircnio Rocha Silva
DATE Abhijit AKBARZADEH Aliakbar Design and cost analysis of low head simple reaction hydro turbine for remote area power supply 2008 Renewable
Energy Volume 34 (Agosto de 2008) Paacuteginas 409-415
LOOTS I VAN DIJK M BARTA B VAN VUUREN SJ BHAGWAN JN A review of low head hydropower technologies and applications in a South African context 2015 Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 50
(Junho de 2015) Paacuteginas 1254-1268
GUITARRARA Gabriel Bozzola Estimativa de vazatildeo para a implantaccedilatildeo de micro-centrais hidreleacutetricas com utilizaccedilatildeo do SIG 2012 44f Trabalho de
Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo
Paulo Satildeo Carlos 2012 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
ALEXANDER KV GIDDENS EP Microhydro Cost-effective modular systems for low heads 2007 Renewable Energy Volume 33 (2008) Paacuteginas 1379-1391
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Radial- and mixed-flow
turbines for low head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume
34 (2009) Paacuteginas 1885-1894
52
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Axial-flow turbines for low
head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume 34 (2009)
Paacuteginas 35-47
ALVES Gilberto Manoel Avaliaccedilatildeo da viabilidade de implantaccedilatildeo de uma microcentral hidreleacutetrica para atender consumidores localizados em regiotildees isoladas 2007 156 Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Doutorado em Agronomia) ndash
Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
51
SANTOS Renan Mesquita Eficiecircncia energeacutetica no serviccedilo auxiliar de uma pequena central hidreleacutetrica 2010 71f Trabalho de Conclusatildeo de Curso
(Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo Paulo Satildeo Carlos 2010 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
MAIA Thales Alexandre Carvalho Projeto e Construccedilatildeo de um Gerador a Iacutematildes Permanentes de Fluxo Axial para Turbina Eoacutelica de Pequena Potecircncia 2011
197f Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Mestrado em Engenharia Eleacutetrica) ndash
Universidade Federal de Minas Gerais Belo Horizonte 2011 [Orientador Prof
Selecircnio Rocha Silva
DATE Abhijit AKBARZADEH Aliakbar Design and cost analysis of low head simple reaction hydro turbine for remote area power supply 2008 Renewable
Energy Volume 34 (Agosto de 2008) Paacuteginas 409-415
LOOTS I VAN DIJK M BARTA B VAN VUUREN SJ BHAGWAN JN A review of low head hydropower technologies and applications in a South African context 2015 Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 50
(Junho de 2015) Paacuteginas 1254-1268
GUITARRARA Gabriel Bozzola Estimativa de vazatildeo para a implantaccedilatildeo de micro-centrais hidreleacutetricas com utilizaccedilatildeo do SIG 2012 44f Trabalho de
Conclusatildeo de Curso (Bacharelado em Engenharia Eleacutetrica) ndash Universidade de Satildeo
Paulo Satildeo Carlos 2012 [Orientador Prof Dr Frederico Fabio Mauad]
ALEXANDER KV GIDDENS EP Microhydro Cost-effective modular systems for low heads 2007 Renewable Energy Volume 33 (2008) Paacuteginas 1379-1391
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Radial- and mixed-flow
turbines for low head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume
34 (2009) Paacuteginas 1885-1894
52
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Axial-flow turbines for low
head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume 34 (2009)
Paacuteginas 35-47
ALVES Gilberto Manoel Avaliaccedilatildeo da viabilidade de implantaccedilatildeo de uma microcentral hidreleacutetrica para atender consumidores localizados em regiotildees isoladas 2007 156 Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Doutorado em Agronomia) ndash
Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
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9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
52
ALEXANDER KV GIDDENS EP FULLER AM Axial-flow turbines for low
head microhydro systems 2009 Renewable Energy Volume 34 (2009)
Paacuteginas 35-47
ALVES Gilberto Manoel Avaliaccedilatildeo da viabilidade de implantaccedilatildeo de uma microcentral hidreleacutetrica para atender consumidores localizados em regiotildees isoladas 2007 156 Trabalho de Conclusatildeo de Curso (Doutorado em Agronomia) ndash
Universidade Estadual Paulista Botucatu 2007 [Orientador Prof Odivaldo Joseacute
Seraphim]
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
53
9 APEcircNDICE 1 - RELATOacuteRIO DE CAMPO 15012016
No dia 15012016 foi realizada uma visita de campo para coleta de dados agrave campo
para a elaboraccedilatildeo do projeto acadecircmico sobre turbinas de baixa queda para eletrizaccedilatildeo rural Antes da coleta de informaccedilotildees foram pesquisados via internet
sobre as heacutelices que poderiam ser utilizadas para a turbina em questatildeo Foram
localizados 2 empreendimentos naacuteuticos na regiatildeo de Jurujuba conhecida como
regiatildeo pesqueira da cidade de Niteroacutei
A primeira loja BETMAR peccedilas e acessoacuterios (Av Carlos Ermelindo Martins 315
Jurujuba ndash Niteroacutei RJ ndash contatobetmarnauticacombr
wwwbetmarnauticacombr 021-3701 4040 021-8025 0225 021-9237 3950 ac
Sr Ronaldo Silva) nos apresentou heacutelices de rabeta (instalado na popa da
embarcaccedilatildeo) informando que hoje em dia o projeto mais difundido correspondo ao
modelo VOLVO PENTA usualmente com medidas 14rsquo x 16rsquo e 18rsquo x 16rsquo (paacutes
inversas ndash primeiro nuacutemero diacircmetro segundo passo) com opccedilotildees de material alumiacutenio ou bronze
Vale ressaltar que a definiccedilatildeo de rabeta como por noacutes entendida inicialmente foi
alterada para o que se entende no mercado local sendo como conjunto que recebe
o eixo do motor da embarcaccedilatildeo (ldquomotor de centrordquo no interior proacuteximo ou abaixo da
linha drsquoaacutegua) instalado na popa do motor e que que realiza a funccedilatildeo de caixa de
cacircmbio e embreagem (com a reversatildeo) Sendo equivalente agrave parte do motor de popa que fixa o motor a parte traseira do barco Entretanto ficou claro que as
heacutelices comumente utilizadas neste tipo de equipamento natildeo satildeo potencialmente
interessantes para projeto por serem maiores do que o necessaacuterio e
consequentemente mais caras (aprox 30 a 40 cm de diacircmetro)
Nos casos de embarcaccedilatildeo de pesca (ex Traineiras) satildeo utilizadas heacutelices de
bronze instaladas abaixa da linha drsquoaacutegua com uso de peacutes de galinha Tendo sido informado que existe uma fundiccedilatildeo para peccedilas de bronze em Niteroacutei Barreto
caramujo Morro do Castro Fundiccedilatildeo Barretatildeo (aacuterea de difiacutecil acesso e baixa
seguranccedila)
Na segunda loja Mencaps peccedilas naacuteuticas (Av Carlos Ermelindo Mrins 41 Jurujuba
ndash Niteroacutei RJ 021 ndash 2610 3504 021 ndash 3701 3964 mencapsyahoocombr
wwwmencapscombr ac Sr Marcos) foi possiacutevel achar heacutelices menores mais favoraacuteveis ao projeto com medidas 9 14rsquo x 11rsquo e 9rsquo x 9rsquo ambas de alumiacutenio
54
Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
55
em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
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Foi informado que estas heacutelices satildeo usadas em motor de popa sendo possiacutevel
encontrar as heacutelices que mais estatildeo disponiacuteveis no mercado satildeo as de diacircmetro 9rsquo
ressaltando que cada motor possui um heacutelice para seu melhor desempenho bem como cada fabricante possui detalhes diferenciados a exemplo do sistema de
fixaccedilatildeo ao eixo De forma geral estatildeo sendo buscados heacutelices para motores de popa
de 5 8 a 10 HP dado estarem na ordem de 9rsquorsquo a 11rsquorsquo de diacircmetro (23 a 28 cm)
A heacutelice de 9 14rsquo x 11rsquo da marca Johnsons custava em meacutedia R$14000 e adequa-
se a motores de 18 a 25 Hp possui encaixe cocircnico Jaacute o de 9rsquo x 9rsquo possuiacutea encaixe
de eixo estriado adequado para motores entre 15 e 25 Hp
Fabricantes citados como potenciais fornecedores todas marcas brasileiras de
heacutelices na categoria pretendida
MPX naacuteutica
Yamaha
Hp moto naacuteutica
Johnson e
Andreone (SP ndash 011 ndash 26945544)
A menor heacutelice mencionada foi o do motor Mercury 33 Hp com heacutelice de plaacutestico
com diacircmetro de 7 frac12rsquo custando em meacutedia R$ 9500
Foi fornecido uma outra fonte de informaccedilatildeo natildeo consultada Bazar Sto Antoacutenio Lontro amp Cia Ltda (Rua Lauro Sodreacute 36 lj 1 ndash Rua do Cais 021 ndash 3701 3899 ID
818714 021-27172124 wwwlontrocombr ac Sr Seacutergio)
Os pontos que seratildeo postos em praacutetica no projeto que foram absorvidos da visita
satildeo material do heacutelice e meacutedia de diacircmetro (9 pol) Vale ressaltar que o principal
ponto para as heacutelices serem escolhidas eacute preccedilo e segunda disponibilidade no
mercado assim como determinar as opccedilotildees de conexatildeo ao eixo pois sem esses
itens o projeto natildeo cumpriraacute com sua finalidade
Como o modelo eacute para comunidades de baixa renda peccedilas de alto custo natildeo seriam
rentaacuteveis e sua disponibilidade caminha junto com tal Faacutecil manutenccedilatildeo reposiccedilatildeo
e disponibilidade no mercado auxiliam as comunidades a aderirem a nova
tecnologia Simples barata e disponiacutevel satildeo os trecircs adjetivos chaves para que se
tenha forte disseminaccedilatildeo e sucesso Aleacutem disso a turbina gera uma energia entre 300W e 1kW que eacute considerada baixa
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em comparaccedilatildeo as demais teacutecnicas de geraccedilatildeo de energia disponiacuteveis no mercado
sendo suficiente para funcionar pequenos utensiacutelios diaacuterios da vida domeacutestica como
reproduzir um raacutedio acender uma lacircmpada passar a roupa entre outros
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