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Moinhos de Ponte de Lima
Topologias de Interface
Mestrado Integrado em Engenharia
Electrónica Industrial e Computadores
Samuel Gouveia Duarte
Orientador: Professor Doutor Júlio Martins
Universidade do Minho
Braga, Outubro de 2011
Moinhos de Ponte de Lima i
Agradecimentos
A realização deste projecto só foi possível graças ao esforço, auxílio e
colaboração de algumas pessoas que de certa forma contribuíram para a sua execução.
Desta forma não poderia deixar um profundo agradecimento a todas elas.
Aos meus pais Ângela Gouveia e Manuel Duarte, pelo esforço, dedicação e apoio
dado ao longo de toda a minha trajectória académica. Obrigado por me transmitirem
todos os valores essenciais e por me terem ajudado a construir personalidade.
Agradeço aos meus irmãos Marta e Filipe, e namorada Eliana, por toda a
compreensão, apoio, paciência e carinho que me deram durante todo o meu percurso
académico e percurso de vida.
Agradeço ao Professor Doutor Júlio Martins, orientador da tese, pela constante
disponibilidade, apoio, dedicação e orientação que se revelaram cruciais ao longo da
realização deste projecto.
Quero agradecer aos Professores, Luís Martins e António Amaral do
Departamento de Mecânica pela atenção disponibilizada e pela informação técnica
fornecida.
Agradeço também ao Sr. Júlio Caldas, técnico do laboratório de máquinas
térmicas que infelizmente já não está entre nós, pelo seu empenho e apoio prestado na
instalação da turbina.
Aos meus amigos de curso, agradeço por me proporcionarem tantos momentos de
alegria, por me terem ajudado quando precisei e nunca me terem virado as costas nos
momentos mais difíceis.
Por fim agradeço aos meus colegas de projecto, André Matos e Nuno Reis pelo
profissionalismo e empenho no desenvolvimento e execução deste trabalho. Foi um
enorme prazer fazer parte desta equipa, foi uma experiência muito positiva não só a
nível profissional como a nível pessoal.
ii Moinhos de Ponte de Lima
Resumo
Com o desenvolvimento indústrial massivo nas últimas décadas e com a
diminuição significativa dos recursos energéticos no planeta, surge a necessidade cada
vez mais premente de encontrar soluções viáveis para a produção de energia eléctrica.
Deste modo será possível criar meios de desenvolvimento económico e social
sustentáveis, através da redução de emissões de CO2 e criação de novos postos de
trabalho.
Este projecto insere-se na área das energias renováveis, mais concretamente, na
microgeração de origem hídrica. A opção por este tipo de solução tem a ver, sobretudo,
com o facto de se tratar de uma área da microgeração menos desenvolvida (por
comparação com o fotovoltaico e as microeólicas), e por se tratar de um projecto que
junta três preocupações distintas numa única iniciativa: recuperação do património,
gestão de água (e anti-desertificação) e produção de energia através de uma fonte
renovável (sem impacto ambiental).
O objectivo principal deste trabalho foiimplementar um sistema micro-hídrico em
que é utilizado um moinho antigo no concelho de Ponte de Lima, promovendo desta
forma a recuperação sistemática de moinhos antigos para produzirem energia eléctrica.
Inicialmente foi feito um estudo aprofundado sobre características físicas e
condições do moinho, seguido do dimensionamento de todos os componentes
mecânicos e eléctricos para instalar no local. Em seguida foi feito um estudo e selecção
dos equipamentos a adquirir para projecto. Foi também desenvolvido um rectificador
trifásico utilizado nos testes iniciais do conjunto turbina-gerador. Depois de instalados
todos os equipamentos foram realizados alguns testes cujos resultados são apresentados
e discutidos.
A viabilidade desta tecnologia, em conjunto com a fraca oferta neste nicho de
mercado, aponta para que os investimentos neste campo constituam uma boa
oportunidade de negócio, desde que se consigam contornar os entraves que a legislação
portuguesa possa trazer à certificação das centrais micro-hídricas.
Palavras-chave: Micro-Hídricas, Energias Renováveis, Moinho, Microgeração.
.
Moinhos de Ponte de Lima iii
Abstract
With the massive industrial development in last decades and with the significant
decrease of fossil energy resources on the planet, it is increasingly urgent to find viable
alternative solutions for the production of electrical energy. In this way it will be
possible to create means of sustainable economic and social development, through the
reduction of CO2 emissions and the creation of new jobs.
This is a project in the area of renewable energies, more specifically, in micro-
hydro. The option for this type of solution has to do, especially with the fact that this is
an area of micro-generation less developed (by comparison with the photovoltaic and
micro wind energy), and because it is a project which brings together three distinct
concerns in a single initiative: recovery of assets, management of water and production
of energy through a renewable source (without environmental impact).
The main objective of this work was to implement a micro-hydro system in the a
old mill in the municipality of Ponte de Lima, promoting in this way the systematic
recovery of old mills to produce electrical energy.
First, an in-depth study on physical characteristics and conditions of the mill was
made, followed by the dimensioning of all mechanical and electrical components to
install on site.Then the equipment to be used in the projectwas selected and acquired. A
three-phase rectifier used in initial tests of turbine-generator set was also developed.
After the installation of the equipment, several tests were carried out and the results are
presented and discussed.
The viability of this technology, together with the low offer in this niche market,
indicates that an investment in this field constitutes a good business opportunity,
provided that some barriers related to the Portuguese legislation concerning
micro-hydro generation can be solved.
Keywords:Micro-Hydro, Renewable Energies, Mill, Micro-Generation.
iv Moinhos de Ponte de Lima
Índice
Agradecimentos ................................................................................................................................ i
Resumo ............................................................................................................................................. ii
Abstract ...........................................................................................................................................iii
Lista de Figuras .............................................................................................................................. vi
Lista de Tabelas ............................................................................................................................viii
Lista de Abreviaturas / Símbolos .................................................................................................. ix
CAPÍTULO 1 ................................................................................................................................... 1
Introdução ........................................................................................................................................ 1
1.1. Motivação e enquadramento do Projecto ........................................................................... 1
1.2. Objectivos .......................................................................................................................... 2
1.3. Identificação do Problema .................................................................................................. 3
1.3.1. Problema Energético Mundial ............................................................................................. 3
1.3.2. Problema Energético Nacional ............................................................................................ 5
1.4. A Água como Recurso Natural .......................................................................................... 7
1.5. Influencia das Energias Renováveis na Economia Portuguesa .......................................... 8
1.6. Organização da Dissertação ............................................................................................. 10
CAPÍTULO 2 Energia Hídrica ................................................................................................. 11
2.1. Introdução ........................................................................................................................ 11
2.2. História da energia hidroeléctrica ..................................................................................... 12
2.3. Principais Bacias Hidrográficas e Barragens ................................................................... 14
2.4. Política Energética Portuguesa ......................................................................................... 16
2.5. Microgeração.................................................................................................................... 18
2.5.1. Legislação ......................................................................................................................... 20
2.5.2. Considerações Finais ......................................................................................................... 23
CAPÍTULO 3 Tecnologia para Sistemas Hídricos ................................................................. 24
3.1. Introdução ........................................................................................................................ 24
3.2. Topologias de Ligação ..................................................................................................... 24
3.2.1. Sistema Isolado ................................................................................................................. 24
3.2.2. Sistema com Ligação á Rede Eléctrica ............................................................................. 25
3.2.3. Sistema Híbrido/Misto ...................................................................................................... 26
3.3. Turbinas Hidráulicas ........................................................................................................ 28
3.3.1. Classificação das Centrais Hidroeléctricas........................................................................ 29
3.3.2. Turbina Pelton................................................................................................................... 30
3.3.3. Turbina Francis................................................................................................................. 32
3.3.4. Turbina Kaplan ................................................................................................................. 33
3.3.5. Turbina Banki-Mitchell ..................................................................................................... 35
3.4. Geradores eléctricos ......................................................................................................... 38
3.4.1. Gerador Síncrono .............................................................................................................. 38
3.4.2. Gerador de Indução/Assíncrono ........................................................................................ 40
3.4.3. Gerador de Indução Gaiola de esquilo .............................................................................. 40
3.5. Hidrogeradores ................................................................................................................. 43
3.6. Inversores (Conversor DC/AC) ........................................................................................ 45
Moinhos de Ponte de Lima v
3.6.1. Inversores SMA ................................................................................................................ 48
3.6.2. Inversores Fronius ............................................................................................................. 49
3.6.3. Inversores Kaco................................................................................................................. 50
3.6.4. Power - One Aurora .......................................................................................................... 51
3.7. Rectificador (Conversor AC/DC) ..................................................................................... 52
3.8. Conversor DC/DC ............................................................................................................ 53
CAPÍTULO 4 ................................................................................................................................. 55
Sistema Desenvolvido .................................................................................................................... 55
4.1. Introdução ........................................................................................................................ 55
4.2. Questões Sociais ............................................................................................................... 55
4.3. Aquisição do Material ...................................................................................................... 56
4.4. Componentes Mecânicas .................................................................................................. 59
4.4.1. Turbina construída ............................................................................................................ 59
4.4.2. Outras Componentes mecânicas utilizadas ....................................................................... 62
4.5. Gerador e Electrónica ....................................................................................................... 65
4.5.1. Gerador Síncrono de Ímanes Permanentes Trifásico ........................................................ 65
4.5.2. Rectificador Trifásico........................................................................................................ 66
4.5.3. Controlador/Relé de Tensão .............................................................................................. 67
4.5.4. Condensadores do Lado CC do Rectificador .................................................................... 72
4.5.5. Instalação dos componentes eléctricos/electrónicos ......................................................... 73
CAPÍTULO 5 Testes e Resultados ........................................................................................... 76
5.1. Introdução ........................................................................................................................ 76
5.2. Estimativa do Potencial Energético do Moinho ............................................................... 76
5.2.1. Medição da Altura Disponível .......................................................................................... 76
5.2.2. Medição do Caudal Disponível ......................................................................................... 78
5.2.3. Estimativa do Potencial Hídrico da Instalação Piloto ....................................................... 82
5.2.4. Cálculo da Potência Eléctrica ............................................................................................ 84
Resultados Experimentais ........................................................................................................... 85
CAPÍTULO 6 ................................................................................................................................. 87
Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro ............................................................................... 87
6.1. Introdução ........................................................................................................................ 87
6.2. Conclusão ......................................................................................................................... 87
6.3. Trabalho Futuro ................................................................................................................ 89
Referências ..................................................................................................................................... 90
Anexos ............................................................................................................................................ 94
vi Moinhos de Ponte de Lima
Lista de Figuras
Figura 1 - Consumo energético primário Mundial[4] ....................................................................... 4
Figura 2 - Previsão do crescimento do consumo ............................................................................... 5
Figura 3 - Consumo de energia primária em Portugal (ktep)[8] ....................................................... 6
Figura 4 - Interacção gravitacional entre a Terra, Lua e Sol[11] ....................................................... 8
Figura 5 - Evolução da potência instalada em Portugal[16] ............................................................ 13
Figura 6 - Evolução da produção de energia em Portugal[16] ........................................................ 14
Figura 7 - Principais Bacias Hidrográficas de Portugal Continental[17] ........................................ 16
Figura 8- Turbina Kaplan de baixa queda proposta para microhídrica[21] ..................................... 19
Figura 9 - Turbina Pelton proposta para microhídrica[21] .............................................................. 19
Figura 10 - Tarifa do regime geral em vigor para sistema fotovoltaico .......................................... 21
Figura 11 - Tarifa do regime geral em vigor para sistema microhídrico ......................................... 22
Figura 12 - Constituição de um sistema isolado .............................................................................. 25
Figura 13 - Constituição de um sistema com Ligação á Rede Eléctrica .......................................... 26
Figura 14 - Constituição de um sistema híbrido .............................................................................. 27
Figura 15 - Adequação da turbina para a relação Queda /Caudal/ Potência[24] ............................. 28
Figura 16 - Esquema de Funcionamento da Turbina Pelton[29] ..................................................... 30
Figura 17 - Comparação da variação do rendimento relativo em função do caudal ........................ 31
Figura 18 - Turbina Pelton Multijactos[31] .................................................................................... 31
Figura 19 - Turbina Pelton[32] ....................................................................................................... 32
Figura 20 - Constituição da turbina Francis[33] ............................................................................. 33
Figura 21 - Turbina Kaplan (vista em corte parcial)[34] ................................................................ 34
Figura 22 - Constituição completa da turbina Kaplan ..................................................................... 35
Figura 23 - Constituição da turbina Banki-Mitchell[35] ................................................................. 36
Figura 24 - Ábaco da turbina Pelton vsBanki - Mitchell ................................................................. 37
Figura 25- Constituição do gerador síncrono de rotor bobinado[37] .............................................. 39
Figura 26– Constituição do gerador de indução "gaiola de esquilo"[52] ........................................ 41
Figura 27 - Constituição da máquina CC ........................................................................................ 42
Figura 28 - Constituição da máquina CC[39].................................................................................. 42
Figura 29- HidrogeradorSelm[41] ................................................................................................... 43
Figura 30- Hidrogeradores verde solar 7 kW[42] ........................................................................... 43
Figura 31 - Hidrogerador CJD-30kW[43] ....................................................................................... 44
Figura 32 - Hidrogerador HCF (200W)[44] .................................................................................... 44
Figura 33 - Inversor CSI trifásico[46] ............................................................................................. 46
Figura 34 - Inversor VSI trifásico[46] ............................................................................................. 46
Figura 35 - Inversor SMA[47] ........................................................................................................ 48
Figura 36- InversorFronius[48] ....................................................................................................... 49
Figura37–InversorKaco[49] ............................................................................................................ 50
Moinhos de Ponte de Lima vii
Figura 38 - Inversor Power - One Aurora[50] ................................................................................. 51
Figura 39–Rectificador monofásico de onda completa[51] ............................................................ 52
Figura 40 - Rectificador Trifásico[52] ............................................................................................ 53
Figura 41 - Conversores CC/CC: a) Step-up b) Step-down c) Buck-Boost d) Cúk e) Full-
Bridge .............................................................................................................................................. 54
Figura 42-Moinhovisto do exterior ................................................................................................. 56
Figura 43 - Osciloscópio Portátil Agilent U1604A ......................................................................... 56
Figura 44 - Fluke 179 true-rms ....................................................................................................... 57
Figura 45 - Multímetro IPM 138 ..................................................................................................... 58
Figura 46 - Colocação dos apoios do veio ...................................................................................... 60
Figura 47 - Renderização da turbina[53] ......................................................................................... 60
Figura 48 - Turbina e orientação do jacto (Vista inferior)[53] ........................................................ 61
Figura 49 - Turbina (vista trimétrica invertida)[53] ........................................................................ 61
Figura 50 - Turbina Concluída ........................................................................................................ 62
Figura 51 - Curva de Tensão do Gerador PMG-1000 em circuito aberto ....................................... 63
Figura 52 - Transmissão turbina/gerador ........................................................................................ 64
Figura 53 - Grupo turbina/suporte ajustável/polia ........................................................................... 64
Figura 54 - Gerador síncrono de ímanes permanentes trifásico GL-PMG-1000/1800 .................... 65
Figura 55 - Tensão rectificada (Vd) por um rectificador trifásico ................................................... 66
Figura 56 - Rectificador trifásico de onda completa não controlado. .............................................. 67
Figura 57 – Rectificador Trifásico e Dissipador ............................................................................. 67
Figura 58 - Quadro eléctrico desenvolvido (visualização frontal) .................................................. 68
Figura 59 - Quadro eléctrico desenvolvido (visualização lateral) ................................................... 69
Figura 60 - Circuito de comando ..................................................................................................... 70
Figura 61 - Circuito de potência ...................................................................................................... 71
Figura 62 - Banco de Condensadores do Lado CC do Rectificador ................................................ 72
Figura 63 - Instalação dos equipamentos eléctricos/electrónicos no moinho .................................. 73
Figura 64 - Vista frontal dos equipamentos montados no moinho .................................................. 74
Figura 65 - Contador de Energia Janz A1700 com telecontagem ................................................... 75
Figura 66 - Implementação do Método de Unidade de Medição .................................................... 77
Figura 67 - Aplicação do Método Flutuador ................................................................................... 80
Figura 68 - Medições da profundidade do rio ................................................................................. 81
Figura 69 - Anemómetro SEBA ...................................................................................................... 83
Figura 70 - Curva de Potência do conjunto electroprodutor............................................................ 86
viii Moinhos de Ponte de Lima
Lista de Tabelas
Tabela 1 - Classificação de hídricas segundo a potencia instalada[26][27] .................................... 29
Tabela 2 - Classificação de hídricas segundo a queda de água disponível[26][27] ......................... 29
Tabela 3 - Relação entre Diâmetro de Tubos e Respectivo Caudal................................................. 79
Tabela 4 - Medição de velocidade de escoamento (Método do Flutuador) ..................................... 82
Tabela 5 - Características eléctricas do conjunto electroprodutor ................................................... 85
Tabela 6 - Fluxos monetários a 20 anos para sistema solar fotovoltaico de 3,5kW ........................ 94
Tabela 7 - Produção de Energia Eléctrica para sistema micro-hidrico ............................................ 94
Tabela 8 - Fluxos monetários a 20 anos para sistema micro-hidrico de 3,5kW .............................. 95
Moinhos de Ponte de Lima ix
Lista de Abreviaturas / Símbolos
ADC Analog to Digital Converter
CA Corrente Alternada
CC Corrente Contínua
CPU Central ProcessingUnit
GNU GPL GNU General PublicLicense
LCD LiquidCrystal Display
QEE Qualidade da Energia Eléctrica
RMS Root Mean Square
THD Total Harmonic Distortion
UPS Uninterruptible Power Supp
MPPT Maximum Power Point Tracking
VSI Voltage Source Inverter
OCDE Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Económico
pmed Profundiade Média do Rio
I Corrente Eléctrica
V Tensão Eléctrica
P Potência
g Aceleração da Gravidade
h Queda Útil
v Velovidace Linear de Escoamento
Q Caudal Volúmico
η Rendimento
ρ Massa Volúmica
l Largura do Rio
Moinhos de Ponte de Lima 1
CAPÍTULO 1
Introdução
1.1. Motivação e enquadramento do Projecto
As Energias Renováveis têm um papel cada vez mais importante no panorama
energético global. Com aescassez dos combustíveis fósseis previstas para as próximas
décadas, surge a necessidade, cada vez mais premente, da busca de soluções
alternativas, como é o caso da utilização de energias renováveis. Por definição, energia
renovável é aquela que é obtida através de fontes naturais capazes de se regenerar
dentro de um horizonte temporal razoável (as energias de origem fóssil também se
regeneram, mas demoram milhões de anos), e portanto virtualmente inesgotáveis[1].
Este projecto insere-se na área das energias renováveis, mais concretamente, na
microgeração de origem hídrica. A opção por este tipo de solução tem a ver, sobretudo,
com o facto de se tratar de uma área da microgeração menos desenvolvida (por
comparação com o fotovoltaico e as microeólicas), e ligação da Universidade do Minho
a regiões com muito boas condições naturais para a exploração deste tipo de energia.
É sabido que, em particular o concelho de Ponte de Lima, é muito rico em rios,
riachos e ribeiros com as suas tradicionais azenhas e moinhos de cubo e rodízio. É fácil
encontrar freguesias em que num só afluente do Rio Lima existem várias dezenas de
moinhos, de tamanho e condições de funcionamento variável. A maior parte desses
engenhos está abandonada e toda a geografia humana a eles tradicionalmente associada
(partidores de águas, obrigações de manutenção e limpeza de levadas, conservação dos
açudes, etc.) está moribunda, estando assim a perder-se o controlo de um dos bens mais
essenciais de sempre - a água - que não está a ser devidamente aproveitada.
Legislação relativamente recente coloca Portugal na vanguarda da microgeração
de energia (Decreto-Lei n.º 118-A/2010 de 25 de Outubro) ao permitir que qualquer
utilizador da rede eléctrica nacional possa vender energia à EDP. Neste contexto, o
projecto consiste em:
a) Promover a recuperação sistemática de moinhos e azenhas para microgeração
de energia;
b) Juntar três preocupações distintas numa única iniciativa: recuperação do
património, gestão de água (e anti-desertificação) e impulso da energia limpa
(sem impacto ambiental).
Capitulo 1 – Introdução
2 Moinhos de Ponte de Lima
c) Estimular as instituições promotoras de desenvolvimento local a montarem um
programa de apoio a esta iniciativa (acesso a fundos públicos e/ou
comunitários, etc.) desde que as soluções propostas satisfaçam a segunda
condição.
Para a concretização do projecto, tema desta dissertação, foi disponibilizado um
moinho nas margens do rio Trovela (afluente do rio Lima), próximo localidade de Ponte
de Lima. No moinho foi implementada uma primeira instalação piloto que está a ser
utilizada sobretudo para demostrações e promoção da ideia apresentada em c). Os
primeiros convidados que visitaram a instalação foram os principais autarcas do
município de Ponte de Lima (o Sr. Presidente da Câmara (Eng.º Victor Manuel Alves
Mendes), o Vice-Presidente (Gaspar Correia Martins) e um acessor, já que havia o
interesse em tentar envolver tão cedo quanto possível os principais responsáveis do
município no projecto.
1.2. Objectivos
No projecto participam três alunos da Universidade do Minho – dois do Mestrado
Integrado em Eng. Electrónica Industrial e de Computadores e um do Mestrado
Integrado em Eng. Mecânica. Tem como principais objectivos os seguintes:
1. Pesquisa bibliográfica, de legislação e de mercado;
2. Estudo de diversos tópicos relacionados com as energias renováveis com
ênfase para a microgeração hídrica, nomeadamente, métodos para estimativa
do potencial de produção de energia e estudos de viabilidade económica;
3. Estudo das melhores topologias no contexto da interface de microgeradores
hídricos, para sistemas isolados e para ligação à rede eléctrica;
4. Realização de testes tendo em vista a estimativa o potencial de produção de
energia do moinho;
5. Selecção e aquisição equipamentos e materiais para a realização do projecto;
6. Montagem da turbina-gerador no local de teste;
7. Implementação de uma infra-estrutura para testes do conjunto
turbina-gerador;
Capitulo 1 – Introdução
Moinhos de Ponte de Lima 3
8. Realização de testes do sistema completo em diversas condições de operação.
Embora esta dissertação aborde todos os pontos desta lista, o trabalho
desenvolvido tem a ver sobretudo com a concretização dos objectivos 3 a 7.
1.3. Identificação do Problema
Desde a sua existência, o homem necessitou de energia para as suas múltiplas e
diversas actividades.Paraisso utilizava recursos naturais como, vegetação, madeira,
água, vento e sol. Com o desenvolvimento tecnológicoo homem necessitou de utilizar
energias fósseis de forma exagerada, como o carvão e petróleo.
Inicialmente a tentação para o consumo de energia fóssil era muito grande visto
que existia em abundância na natureza e os seus custos eram bastante reduzidos.
Com o desenvolvimento massivo da indústria nas últimas décadas, o consumo
desta energia disparou para níveis nunca antes registados. Como tal, verificou-se um
aumento de emissões de CO2 (dióxido de carbono) e de outros gases com efeito de
estufa, que contribuem para a poluição da nossa atmosfera e provável aquecimento
global.
Estima-se que a temperatura terrestre tenha subido 0,5ºC na última década. Este
aumento de temperatura está a provocar mudanças climáticas no nosso planeta, com
danosque actualmente são visíveis e que poderão catastróficos num futuro próximo[2].
1.3.1. Problema Energético Mundial
Dados da Agência Internacional de Energia (2006) estimam a prevalência do uso
de combustíveis fósseis, principalmente do petróleo, como fontes dominantes de energia
nos próximos 20 anos. Segundo o EIA (U.S. EnergyInformationAdministration, 2006),o
consumo mundial de energia irá crescer de 421 quatriliões de Btu (Unidade térmica
Britânica, 123 Tw) em 2003 para 743 quatriliões de Btu (217 Tw) em 2030. O maior
crescimento será no grupo de países não membros da OCDE(Organização para a
Cooperação Económica e para o Desenvolvimento). Os países da Ásia vão requerer um
aumento no consumo de energia a uma taxa de 3,7% ao ano até 2030 (incluindo Índia e
China). Já a América do Sul e Central terão uma taxa projectada de 2,8% ao ano[3][4].
Capitulo 1 – Introdução
4 Moinhos de Ponte de Lima
O consumo de Energia a nível mundial tem vindo a aumentar significativamente
nos últimos anos, e prevê-se que a taxa de consumo energético atinja o seu valor
máximo nos próximos anos.
Na Figura 1está representado o consumo energético primário dos países membros
e não membros da OCDE
Figura 1 - Consumo energético primário Mundial[4]
Pode ser verificado que o consumo de energia tende a aumentar nos próximos
anos ainda que mais rapidamente nos países em desenvolvimento. Este aumento deve-se
à forte industrialização e consumo de combustíveis fósseis em grandes quantidades.
Pode-se também observar que os países asiáticos não pertencentes à OCDE são
responsáveis por grande parte do consumo energético mundial Isto deve-se
essencialmente à sua densidade populacional, crescimento da indústria e falta de
estratégias económicas e ambientais no que diz respeito ao consumo energético[5].
Capitulo 1 – Introdução
Moinhos de Ponte de Lima 5
NaFigura 2 é visível o crescimento do consumo de energia até 2030.
Após várias medidas implementadas para invertero consumo de energias fósseis,
tudo indica que até 2030, o seu consumo irá crescer. A percentagem de energia
consumida a partir de fontes renováveis em 2030 continuará a ser bastante reduzida. Isto
significa que apesar de todos os esforços para inverter esta situação, ainda existe um
longo caminho a percorrer no que diz respeito à produção de energia através de fontes
renováveis.
1.3.2. Problema Energético Nacional
Portugal é um país membro da OCDE e, como tal, a preocupação com o consumo
de energia e produção de “energia limpa”tem vindo a aumentar significativamente. Este
assunto tem sido bastante debatido por parte das entidades governamentais e algumas
medidas já estão mesmo a ser implementadas. Estasmedidasvisamdiminuir o consumo
de energia fóssil e sensibilizar a população para este problema.
Portugal possui poucos recursos energéticos próprios que assegurem a maioria das
suas necessidades, nomeadamente o petróleo, o carvão e o gás. Tal situação de escassez
conduz a uma elevada dependência energética do exterior (87,2% em 2005), sendo
totalmente dependente das importações de fontes primárias de origem fóssil. A energia
que Portugal produz está fortemente dependente das condições climatéricas, visto que
provém de fontes renováveis como a água, o vento e o Sol, com uma contribuição
significativa das centrais alimentadas a resíduos, lenhas e biogás[7].
Figura 2 - Previsão do crescimento do consumo
energético e respectivas fontes utilizadas até 2030[6]
Capitulo 1 – Introdução
6 Moinhos de Ponte de Lima
Portugal está assim perante um problema de sustentabilidade no que diz respeito
aos recursos energéticos primários, o que conduz a uma maior vulnerabilidade do
sistema energético e sujeito às flutuações dos preços internacionais, nomeadamente do
preço do petróleo, exigindo esforços no sentido de aumentar a diversificação.
NaFigura 3 apresenta-se o consumo de energia primária a nível nacional, que
cresceu 6,8% no período 2000-2007.
O consumo de petróleo possui uma taxa de crescimento muito semelhante à do
consumo de energia primária, visto que o petróleo tem um elevado peso no total de
energia primária.Relativamente ao consumo de gás natural verifica-se um crescimento
significativo a partir de 1997, chegando mesmo a atingir 13,9% do consumo energético
primário em 2007.
No que diz respeito ao consumo de carvão, representou em 2007, 12,8% do total
do consumo de energia primária. Em comparação a 2004 houve uma diminuição de
cerca de 98% no consumo de hulha para a indústria cimenteira e um aumento de 2,9%
no consumo das centrais termoeléctricas. No entanto, prevê-se uma redução progressiva
do peso do carvão na produção de electricidade devido ao seu impacto nas emissões de
CO2.
No que diz respeito à produção de energia através de fontes renováveis prevê-se
um aumento significativo da potência instalada para os próximos anos.Em 2005 a
potência instalada para este tipo de energia era aproximadamente 12,8% da energia total
Figura 3 - Consumo de energia primária em Portugal (ktep)[8]
Capitulo 1 – Introdução
Moinhos de Ponte de Lima 7
primária. Desde aí verificou-se um aumento bastante significativo de “microprodutores”
causado pelo crescente interesse e preocupação com a conservação do planeta e também
devido aos apoios criados pelas entidades governamentais para instalação de energias
renováveis[8].
O objectivo das entidades governamentais portuguesas para 2011 relativos às FER
(Fontes de Energia Renovável) é produzir 45% de electricidade para consumo.Isto
significa que Portugal contribui de forma bastante positiva para a média europeia no que
diz respeito á produção de energia através das FER.
“A União Europeia fixou para 2011 o objectivo de produzir 21% da sua
electricidade a partir de fontes renováveis como a biomassa, a eólica, a solar, a
hidráulica e a geotérmica”[9][10].
A grande desvantagem deste aumento de produção de energia eléctrica através de
fontes renováveis está relacionada com a subida do preço da electricidade. Os
portugueses contribuem assim de forma positiva para um planeta mais verde, tendo
necessariamente que suportar esses custos.
1.4. A Água como Recurso Natural
Um dos principais objectivos deste projecto é valorizar os pequenos cursos de
água e promover a sua recuperação. A água é um recurso natural aproveitado através de
centrais hídricas para a produção de energia eléctrica. A energia potencial da água é
convertida em energia mecânica, que por sua vez é convertida em energia eléctrica,
utilizando um conjunto turbina-gerador. A energia potencial gravítica da água resulta da
queda de uma massa de água que se encontra a um nível de altura superior para um
nível inferior.
Outra forma de aproveitar a energia associada ao movimento da água é através
dos oceanos. Os oceanos são uma grande fonte de energia visto que possuem água em
constante movimento causada pela ondulação e, sobretudo, pelas marés. As marés
resultam da interacção gravitacional da lua e do sol (esta última com menos intensidade,
devido à distância) com a terra.
Capitulo 1 – Introdução
8 Moinhos de Ponte de Lima
A Figura 4 ilustra a forma como a força gravítica que a lua exerce sobre a terra
influencia as marés.
(a) (b)
A pequena maré (maré-morta) surge quando a lua se encontra num plano vertical
ao da terra e perpendicular ao sol como é ilustrado na Figura 4 (a), enquanto a grande
maré (maré-viva) surge quando a lua se encontra numa plano horizontal com a terra e
com o sol[11].
1.5. Influencia das Energias Renováveis na Economia Portuguesa
O poder político português considera que a aposta nas Energias Renováveis é um
dos pontos-chave para Portugal recuperar da crise em que se encontra. Quanto menor
for a dependência económica da constante variação do preço dos combustíveis fósseis,
principalmente do petróleo, maior será a propensão para o crescimento económico
aumentar. É ainda de realçar que as Energias Renováveis criam emprego para o país e
isso é tem impacto directo na melhoria das condições de vida das famílias portuguesas.
Para diminuir a dependência energética dos combustíveis fósseis, Portugal deve
apostar na construção de novas centrais hidroeléctricas; como afirmou em temposum
Primeiro-Ministro português (José Sócrates, 2009), “Portugal é o país da Europa que
mais potencial hídrico tem por explorar”; deve apostar também na construção de
centrais fotovoltaicas, uma vez que Portugal tem um número médio de horas de sol
anuais que variam de 2200 a 3000; deve também aproveitar o elevado nível de vento
que existe em algumas regiões do território; no país há 38% do território que é coberto
por floresta,pelo que deve apostar-se igualmente na energia de biomassa. Pelo facto de
Figura 4 - Interacção gravitacional entre a Terra, Lua e Sol[11]
Capitulo 1 – Introdução
Moinhos de Ponte de Lima 9
se situar numa península e por isso ter dispor de muitos quilómetros de costa, pode
também aproveitar a energia proveniente das ondas e das marés. Em locais como
Chaves, S. Pedro do Sul, Lisboa e nas ilhas dos Açores são os
existemaproveitamentosdeenergia geotérmica e só na ilha de S. Miguel, em 2003, este
tipo de energia representou cerca de 25% da electricidade consumida na ilha. Existe
ainda um potencial de produção de biogás através do aproveitamento dos efluentes das
agro-pecuárias[12][13].
Segundo notícia divulgada em 27 de Janeiro de 2011 na “página das energias
renováveis” “A aposta na produção de energia através das fontes renováveis dá a
Portugal o terceiro lugar no rankingeuropeuno que diz respeito á produção de energia
(valor relativo) através das FER (fontes de energia renovável) ”. Esta notícia vem
confirmar que Portugal se encontra no caminho certo no que diz respeito ao
investimento na produção de energias renováveis[14].
Capitulo 1 – Introdução
10 Moinhos de Ponte de Lima
1.6. Organização da Dissertação
A presente dissertação é constituída por seis capítulos no qual cada um
corresponde a uma etapa de trabalho realizado:
No capítulo 1 é feita a descrição do problema energético a nível nacional e
mundial. É abordado também o tema das energias renováveis e a importância destas.
No capítulo 2 é feito um enquadramento teórico sobre a energia hídrica, em que
são abordadas várias vertentes desde a história associada á energia hídrica até á
legislação existente para a microgeração hídrica.
No capítulo 3 é apresentada toda a tecnologia utilizada nas centrais hídricas
nomeadamente os geradores; a classificação das centrais hidroeléctricas no que diz
respeito à utilização dos vários tipos de turbinas; as topologias de ligação e todos os
componentes eléctricos utilizados neste tipo de aproveitamentos.
O capítulo 4 descreve todo o processo de desenvolvimento deste projecto, desde a
aquisição do material necessário para a realização da instalação; questões sociais;
componentes mecânicas instaladas no moinho; até á aquisição, desenvolvimento e
instalação de todo o material eléctrico/electrónico (inversor, rectificador, protecções e
controlador/relé de tensão) no moinho em questão.
No capítulo 5 são apresentados os testes e resultados experimentais. É feita uma
caracterização dos parâmetros disponíveis e determinados os valores da potência e
rendimento da instalação.
Finalmente, no capítulo 6, tiram-se as conclusões obtidas e apresentam-se
algumas perspectivas e sugestões futuras.
No final, encontra-se a bibliografia consultada, seguida dos anexos considerados
complementares para o trabalho.
Moinhos de Ponte de Lima 11
CAPÍTULO 2
Energia Hídrica
2.1. Introdução
A produção de energia hidroeléctrica, além das vantagens supracitadas,
nomeadamente,a diminuição da dependência energética do país, a produção de energia
eléctrica com emissões zero de CO2, apresenta também algumas vantagens
socioeconómicas. Refira-se ainda que é uma tecnologia madura e que, a nível mundial,
a energia hidroeléctrica é (e será durante muitos anos) de longe a forma de energia
renovável mais importante em termos de quantidade de energia produzida.
A decisão e implantação de um aproveitamento hidroeléctrico, é por norma
complexa, sendo precedida de inúmeros estudos de impacto ambiental, cultural e socio
económico. Em algumas situações a população apoia a sua instalação e noutras as
opiniões divergem (neste caso mais a população local devido ao grande impacto
causado por estes aproveitamentos), mas geralmente a construção de um
empreendimento desta natureza é bem-vinda.
As populações locaispoderãobeneficiarcom a criação de empregos directos
durante a fase de construção e mesmo depois na fase de funcionamento, e também
indirectos com a adjudicação de serviços a outras empresas. A área do turismo é outra
das vantagens muitas vezes associadas às barragens do tipo albufeira. Ainda no caso das
albufeiras, e apesar do impacto ambiental na região e no curso do rio e seus afluentes,
tanto na fauna como na flora, a acumulação de águapermite uma melhor regulação do
abastecimento de água e contribui o desenvolvimentoda agricultura na região.
Na perspectiva técnica da produção de electricidade, estes empreendimentos
permitem aumentar a fiabilidade da rede eléctrica nacional, pois a sua capacidade de
resposta é muito rápida para satisfazer as necessidades energéticas do momento. Em
alguns casos é mesmo possível injectar energia na rede em poucos minutos e ajustar
rapidamente a oferta à procura de energia.
Outra situação bastante benéfica tem a ver com possibilidade de armazenar
energia sob a forma de energia potencial. A energia armazenada poderá mesmo ser o
resultado da bombagem da água de jusante para montante da barragem. Para isso os
grupos instalados terão de ser reversíveis, situação presente em quase todas as
construções mais recentes (no caso de serem aproveitamentos de albufeira).
Capítulo 2 – Energia Hídrica
12 Moinhos de Ponte de Lima
A bombagem pode ser feita durante as horas de vazio ou a energia necessária
poderá ser fornecida por outras fontes alternativas, principalmente eólicas,
contribuindo-se assim para atenuar uma das principais desvantagens desta forma de
energia renovável, que tem a ver com o carácter muito irregular dos ventos.
2.2. História da energia hidroeléctrica
No final do século XIX iniciou-se a exploração da energia hidroeléctrica, sendo
esta a primeira energia renovável a ser explorada em Portugal.
Os primeiros aproveitamentos tinham apenas algumas dezenas a poucas centenas
de kW de potência disponível e foram instalados perto de rios, utilizando quedas de
água criadas artificialmente, e dínamos para produzir energia eléctrica.
Em 1926 apenas 25% da energia era hidroeléctrica e existiam apenas duas centrais
com mais de 5MW de potência (Lindoso e Varosa).
Na década de 30 foram dados grandes passos para a construção de grandes
aproveitamentos com a realização sistemática de estudos sobre a exploração dos
principais recursos nacionais. Apesar disto, a crise económica dos anos 30 e a II Guerra
Mundial impediram um desenvolvimento mais rápido. Assim, o primeiro grande
aproveitamento hidroeléctrico a entrar em funcionamento em Portugal foi em Unhais,
em 1942 com 24 MW de potência.
Na década de 50 foram construídos grandes aproveitamentos nas bacias do
Cávado, Zêzere e no Douro internacional, o que permitiu triplicar a potência disponível
até então (cerca de 1000 MW). Em 1960 atingiram-se números muito interessantes e
benéficos para o ambiente pois 95% da energia eléctrica consumida em Portugal tinha
origem hidroeléctrica.
Nas décadas seguintes assistiu-se a um crescimento deste tipo de aproveitamento.
Contudo, um aumento crescente das necessidades energéticas e os preços demasiado
competitivos dos combustíveis fósseis proporcionaram a criação em simultâneo das
primeiras centrais térmicas em Portugal. Sendo que em 1990 apenas 35% da energia
tinha origem hidroeléctrica e 65% tinha origem térmica.
Durante a década de 90 o único recurso hídrico com significado construído foi a
central do Alto Lindoso com 630 MW e na mesma década apenas foi construída a
Capítulo 2 – Energia Hídrica
Moinhos de Ponte de Lima 13
barragem do Alqueva, tendo-se assistido a um claro abrandamento do uso desta forma
de geração de energia.
Actualmente a potência hidroeléctrica instalada está na ordem dos 5000 MW, no
entanto com as crescentes preocupações a nível ambiental tornou-se uma prioridade o
aproveitamento dos muitos recursos hídricos ainda disponíveis. Para tal, foi criado o
Programa Nacional de Barragens com Elevado Potencial Hidroeléctrico (PNBEPH) que
promete construir 10 novas barragens e aumentar em cerca de 2000 MW de potência
instalada passando em 2020 a capacidade hidroeléctrica total a ser de aproximadamente
7000 MW[15][13].
Na análise da Figura 5 e Figura 6 pode observar-se que após o período inicial de
grande investimento na construção de barragens para produzir energia eléctrica,
verifica-se algum abrandamento no processo. Este abrandamento foi causado não só
pela falta de compatibilidade deste tipo de projectos com a legislação ambiental, como
pela necessidade de adequar as características de produção dos aproveitamentos
hidroeléctricos á evolução do consumo.
Figura 5 - Evolução da potência instalada em Portugal[16]
Capítulo 2 – Energia Hídrica
14 Moinhos de Ponte de Lima
2.3. Principais Bacias Hidrográficas e Barragens
Uma bacia hidrográfica ou bacia de drenagem tem o mesmo princípio de
funcionamento de um funil, isto é, faz convergir directa ou indirectamente todas as
águas pluviais ou de nascentes para um único rio ou albufeira.
A formação de uma bacia hidrográfica deve-se essencialmente ao desnível dos
terrenos, afluindo de terrenos mais elevados para os mais baixos.
Por motivos de situação geográfica e dadas as várias bacias hidrográficas que
podem ser encontradas em Portugal, a opção, tendo em conta a morfologia do território
nacional, foi construir as principais bacias hidrográficas na zona norte do país. Nos
parágrafos seguintes apresenta-se uma pequena descrição das principais bacias do país e
sua influência no parque electroprodutor.
A bacia hidrográfica do Douro apresentando uma superfície de 18,643 km2 em
território português, correspondente apenas a 19,1% da sua área total, é o maior
aproveitamento hidroeléctrico do país, apesar de este ser fortemente condicionado pelos
aproveitamentos hidroeléctricos espanhóis. O aproveitamento da bacia do Douro é uma
exploração a fio-de-água e não de albufeira, mas mesmo assim representa cerca de dois
terços da produção hidroeléctrica total nacional. Uma das principais barragens
construída em território nacional para aproveitamento hidroeléctrico é a barragem de
Bemposta, barragem essa que entrou em funcionamento em Dezembro de 1964. A sua
central é subterrânea apresentando 85 metros de comprimento, 22 metros de largura e
Figura 6 - Evolução da produção de energia em Portugal[16]
Capítulo 2 – Energia Hídrica
Moinhos de Ponte de Lima 15
45 metros de altura sendo provida de 3 grupos geradores do tipo Francis e ostentando
uma potência instalada de 210 MW.
A bacia hidrográfica do Cávado é limitada pelas bacias hidrográficas Lima, Douro
e Ave.Apresentauma área de 1600 km2 e os seus principais afluentes são os rios
Homem, Saltadouro e Rabagão. Ao longo do seu percurso podem ser encontradas várias
barragens para aproveitamentos hidroeléctricos, nomeadamente as barragem de
Paradela, de Salamonde, da Caniçada, do Alto Cávado, do Alto Rabagão, da Venda
Nova, de Vilarinho das Furnas e a barragem de Penide. De todos os aproveitamentos
hidroeléctricos referidos, os que representam maior influência na bacia hidrográfica são
a barragem de Caniçada e a barragem da Venda Nova. A primeira com dois grupos
produtores instalados do tipo Francis e uma potência instalada de 60 MW, responsáveis
pela produção de 346 GWh anuais. A segunda com três grupos produtores do tipo
Pelton e uma potência instalada de 144 MW responsáveis pela produção de 389 GWh
anuais.
Outra bacia hidrográfica situada a norte do país é a do Lima e ocupa uma área de
2480 km2 (1177 km
2 em Portugal e 1303 km
2 em Espanha). Ao Longo do seu percurso
podem ser encontradas as barragens do Alto Lindoso e de Touvedo. A barragem do Alto
Lindoso formada é por dois grupos geradores constituídos por duas turbinas Francis
com uma potência de 317 MW cada. Este é actualmente o mais potente centro produtor
hidroeléctrico instalado em Portugal, ao contrário da barragem de Touvedo, com apenas
22 MW de potência instaladagraças a um grupo gerador do tipo Kaplan e que tem como
principal função o controlo do caudal do rio, devido à influência directa da barragem do
Alto do Lindoso.
AFigura 7 apresenta o mapa de todas bacias hidrográficas e sua área de
influência.No centro e sul do país as bacias hidrográficas possuem uma área de
influência superior às restantes áreas, nomeadamente, as do Mondego, Tejo, Sado e
Guadiana. A sua produção de energia é relativamente baixa, uma vez que
condiçõesnaturais para a produção de electricidade não são as melhores(estas bacias
utilizadas principalmente para abastecimento de águas)[17].
Capítulo 2 – Energia Hídrica
16 Moinhos de Ponte de Lima
2.4. Política Energética Portuguesa
Programa Nacional de Barragens com Elevado Potencial Hidroeléctrico
(PNBEPH)
O Programa Nacional de Barragens com Elevado Potencial Hidroeléctrico
(PNBEPH, 2007) é um trabalho desenvolvido sobre um total de 25 potenciais
aproveitamentos hidroeléctricos do nosso país.
A responsabilidade pela elaboração do PNBEPH foi atribuída pelo Governo ao
Instituto da Água I. P. (INAG) e à Direcção-Geral de Energia e Geologia (DGEG), que
Figura 7 - Principais Bacias Hidrográficas de Portugal Continental[17]
Capítulo 2 – Energia Hídrica
Moinhos de Ponte de Lima 17
tiveram o apoio técnico da Rede Eléctrica Nacional (REN) e dos consultores COBA e
PROCESL.
O PNBEPH constitui uma forte aposta para aumentar a energia produzida a partir
de fontes renováveisa longo prazo, de forma a cumprir os compromissos assumidos com
a UE, e as obrigações de Portugal para com o Protocolo de Quioto. Portugal, em termos
estatísticos e comparando com os seus parceiros europeus, foi o país com crescimento
menos significativo nos últimos 30 anos em relação ao aumento do potencial
hidroeléctrico.
Com objectivos a longo prazo, entre aumentos de potência e novas barragens, o
PNBEPH tem como missão ao longo destes anos aumentar o potencial hidroeléctrico
em aproximadamente 2000 MW, atingindo o total de 7000 MW de potência instalada
em 2020, ocupando assim 70% do potencial de recursos hídricos do país.
Na tentativa de criar uma simbiose entre a construção das barragens e a obtenção
de vantagens sociais, económicas e ambientais, foram seleccionados quatro critérios,
que servem de directrizes, nomeadamente:
Optimização do potencial hidroeléctrico – sustenta-se na valia energética dos
aproveitamentos.
Optimização do potencial hídrico da bacia hidrográfica – com base na
maximização do interesse do aproveitamento em face da existência de outros
aproveitamentos hidroeléctricos na bacia hidrográfica, ou da possibilidade de
uso para fins múltiplos
Conflitos/condicionantes ambientais – enfatiza aspectos de natureza
ambientalque poderão condicionar a implementação do aproveitamento.
Ponderação Energética, Socioeconómica e Ambiental – respeita a avaliação
ponderada dos aproveitamentos em termos de produção de energia, outros
usos, relevantes em termos sociais, e salvaguarda do ambiente.
Da análise e avaliação de todos locais através destes critérios, foram seleccionadas
dez novas barragens a construir: Almourol, Alvito, Daivões, Foz Tua, Fridão,
Girabolhos, Gouvães, Padroselos, Pinhosão e Vidago. Das barragens planeadas, seis são
na bacia do Douro, duas no Tejo, uma no Mondego e outra na bacia do Vouga[18][19].
Capítulo 2 – Energia Hídrica
18 Moinhos de Ponte de Lima
2.5. Microgeração
A microgeração hídrica em Portugal é uma área muito pouco explorada. Após
uma análise pormenorizada sobre o tema, conclui-se que existe um défice de
informação e uma oferta muito escassa de produtos a aplicar na extracção de energia em
pequenos cursos de água. Os produtos encontrados em Portugal que poderiam ser
utilizados neste projecto, possuem um custo bastante elevado e poucos adequados.
Neste caso em particular os componentes a aplicar no projecto como inversor,
gerador e contador de energia foram adquiridos no estrangeiro, mais precisamente na
Alemanha e na China. No entanto de momento já existem empresas Portuguesas
interessadas na produção deste tipo de geradores, nomeadamente a empresa IEME. Esta
empresa mostrou interesse em cooperar com a Universidade do Minho para o
desenvolvimento de um gerador síncrono de ímanes permanentes. Desta forma foi
possível unir ambos os interesses e concorrer a um vale ID&T cujo resultado ainda não
é conhecido.
Alguns vendedores/instaladores de equipamentos de energia renovável propõem
como solução na sua gama para microhídricas turbinas Kaplan de baixa queda (Figura 8).
Estes equipamentos têm um rendimento estimado de 60% (rendimento total do sistema
completo), e o custo de instalação é algo elevado mesmo para potências baixas. Por
exemplo, para uma instalação como a que foi alvo deste estudo, uma empresa propõe a
implementação de uma turbina Kaplan de baixa queda, de 700W, com um custo de cerca de
12000 €, nas condições de chave na mão com ligação à rede sob o abrigo da produção em
regime especial[20].
Capítulo 2 – Energia Hídrica
Moinhos de Ponte de Lima 19
Contudo, nem todos os operadores de mercado contactados possuíam soluções
adaptadas às necessidades da instalação em estudo. Uma destas empresas apenas tinha
como solução para instalações microhídricas uma turbina Pelton (Queda de 40 m; Caudal
de 24 l/s), de 5 kW (Figura 9), a um custo total de 15000 €, incluindo a ligação á rede
eléctrica e mão-de-obra[21].
A partir destes contactos e do trabalho de pesquisa e análise de mercado, pode-se
concluir que a oferta no mercado da microhídrica, em particular para microgeração, é fraca
e de custo elevado, havendo assim espaço para novas iniciativas como a que é proposta
neste Trabalho.
Figura 8- Turbina Kaplan de baixa queda proposta para microhídrica[21]
Figura 9 - Turbina Pelton proposta para microhídrica[21]
Capítulo 2 – Energia Hídrica
20 Moinhos de Ponte de Lima
Como em qualquer outro projecto foi feita uma análise económica para avaliar a
viabilidade do mesmo, em que foi obtido um resultado satisfatório. Foi realizado uma
análise económica comparativa entre a solução microhídrica e o sistema
fotovoltaico.Para realizar esta análise económica utilizou-se uma folha de cálculo, num
horizonte temporal de 20 anos. Este prazo foi escolhido pois está dentro da vida útil de
ambos os equipamentos.
2.5.1. Legislação
Segundo a legislação existente relativa á microgeração temos de ter em atenção ao
Decreto-lei nº.118ª/2010 de 25 de Outubro de 2010, artigo 11º (Anexo B) que
determina[22] para :
A tarifa de referência é fixada em (euro) 400/MWh para o primeiro
período(oito anos após a instalação) e em 240/MWh para o segundo período(
do nono ano após a instalação até ao décimo quinto ano), nos termos do n.º
3, sendo o valor de ambas as tarifas sucessivamente reduzido anualmente em
(euro) 20/MWh.
Por cada 10 MW adicionais de potência de ligaçãoregistada a nível nacional,
a tarifa única aplicável é sucessivamentereduzida de 5 %.
A tarifa a aplicar varia consoante o tipo de energia primária utilizada, sendo
determinada mediante a aplicação das seguintes percentagens:
a) Solar - 100 %;
b) Eólica - 80 %;
c) Hídrica - 40 %;
d) Co-geração a biomassa - 70 %;
A electricidade vendida nos termos do númeroanterior é limitada a 2,4
MWh/ano, no caso da alínea a)do número anterior, e a 4 MWh/ano, no caso
das restantes alíneas do mesmo número, por cada quilowatt instalado
2.5.1.1. Exemplo de aplicação no sistema fotovoltaico
O decréscimo de 20 €/MWh aplica-se a novas instalações, ou seja, para os
microprodutores a tarifa só muda duas vezes: no ano 9 (transição de tarifa de
400€/MWh para 240€/MWh) e no ano 16 quando é excluído do regime especial.
Passados os 15 anos de regime bonificado, o microprodutor começa a vender
electricidade à rede ao preço do regime geral, ou seja, ao preço a que compra a sua
Capítulo 2 – Energia Hídrica
Moinhos de Ponte de Lima 21
electricidade. De modo a prever o custo do kWh, o valor da tarifa actual em regime de
horário normal, para potências instaladas entre 3,45 kVA e 20,7 kVA, é de
0,1285 €/kWh[23] com uma actualização de -5% ao ano.
Na Figura 10 está representado a tarifa do regime geral em vigor para sistema
solar fotovoltaico.
Este sistema ao fim de 20 anos de produção de energia produz cerca de
104,6 MWh, o que equivale a 29270 € (Anexo A). Se a este valor se subtrair o valor
inicial de custo do sistema completo obtêm-se 12770€ de “lucro”final (Anexo
A).Poroutro lado o investimento inicial efectuado só é recuperado passados cerca de 8
anos após a instalação, o que torna este investimento um investimento a longo prazo.
2.5.1.2. Exemplo de aplicação no sistema microhídrico
Relativamente a este tipo de aproveitamento energético, a legislação sofre
algumas alterações relativamente ao sistema de produção de energia analisado
anteriormente. Segundo a legislação a tarifa aplicada aos aproveitamentos hídrico é de
40% do valor da tarifa de referência (400€/MWh), ou seja, 0,16€ /kWh. Isto significa
que nos primeiros 8 anos o produtor vende energia à rede a 0,16 €/kWh, do 9º ano ao
15º ano vende a 0,096€ /kWh e nos anos seguintes vende a energia a uma tarifa de
regime normal com uma actualização de -5% ao ano.
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
1 2 3 4 5 6 78 9 10 11 12 13 14
Ano
Figura 10 - Tarifa do regime geral em vigor para sistema fotovoltaico
Capítulo 2 – Energia Hídrica
22 Moinhos de Ponte de Lima
Na Figura 11está representado a tarifa do regime geral em vigor para sistema
microhídrico.
Como pode ser observado na Figura 11, ao fim de 20 anos de produção, este
sistema produz cerca de 254,1 MWh, o que equivale a 32679€ (Anexo A). A tarifa
aplicada á microgeração hídrica é bastante inferior á tarifa aplicada a um sistema de
produção fotovoltaico. Por outro lado a produção anual para o sistema microhídrico é
bastante superior, isto porque este sistema pode produzir energia 24h por dia.
O custo inicial do sistema foi estimado em9559€, este valor foi obtido através da
soma das seguintes parcelas:
Gerador 3,6kW – 1614€
Metalomecânica – 1750€
Tubagens e comporta – 1000€
Inversor – 1555€
Quadro Eléctrico de Protecções – 500€
Contador de Energia Eléctrica – 440€
Cabos e Instalação Eléctrica – 200€
Mão-de-obra – 2500€
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
0,18
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
1 2 3 4 5 6 78 9 10 11 12 13 14
Ano
Figura 11 - Tarifa do regime geral em vigor para sistema microhídrico
Capítulo 2 – Energia Hídrica
Moinhos de Ponte de Lima 23
Se for subtraido ao valor total de energia vendida á rede o custo inicial deste
sistema microhídrico, obtemos um lucro de 23120€ (Anexo A). Para esta solução o
investimento inicial efectuado é recuperado ao fim de 6 anos de produção de energia.
2.5.2. Considerações Finais
Relativamente àanáliseefectuada podem ser retiradas várias conclusões,
nomeadamente, no que diz respeito às vantagens do sistema microhídrico. O sistema
fotovoltaico apresenta tarifas superiores para a venda de energia à rede, mas em
contrapartidaosistemamicrohídrico consegue obter uma taxa de retorno superior. Isto
deve-se à capacidade deste sistema microhídrico funcionar quase ininterruptamente,
conferindo-lhe assim um rendimento energético de exploração superior.
Ao fim de 20 anos de funcionamento a solução microhídrica apresenta uma
margem de lucro bastante superior, aproximadamente 10000€ em comparação com a
solução solar fotovoltaico.
O sistema solar fotovoltaico é um sistema que apresenta um custo inicial bastante
elevado, tornando-o assim inacessível para a maior parte da população.
A grande desvantagem do sistema microhidrico prendem-se essencialmente com
o facto de possuir um numero relativamente baixo de locais onde se possam fazer este
tipo de instalações(em comparação com o sistema fotovoltaico).
24 Moinhos de Ponte de Lima
CAPÍTULO 3
Tecnologia para Sistemas Hídricos
3.1. Introdução
No presente capítulo é feita uma descrição acerca dos diversos tipos de
aproveitamentoshídricos de pequena dimensão e a sua nomenclatura associada.
Pretende-se também efectuar uma análise pormenorizada de cada componente a
instalar num determinado aproveitamento hidroeléctrico, desde a parte mecânica até à
parte Eléctrica/Electrónica.
Dada a especial importância das topologias de ligação no contexto da interface de
microgeradores hídricos, entendeu-se dedicar parte deste capítulo à sua abordagem.
3.2. Topologias de Ligação
Nas unidades de microgeração podem ser utilizadas três topologias de ligação
distintas: sistema isolado, sistema com ligação á rede eléctrica e ainda o sistema
híbrido/misto. Para cada um destes sistemas é necessário ter em consideração o valor da
potência produzida pelo aproveitamento energético.
3.2.1. Sistema Isolado
Os sistemas hídricos isolados são utilizados em locais remotos, ou seja, locais que
se encontram afastados da rede eléctrica, sendo uma aposta crescente nos países em
desenvolvimento. A energia produzida por este sistema é utilizada para vários fins,
como por exemplo para iluminação, aparelhos eléctricos, aquecimento, entre outros.
Toda a energia produzida por este sistema poderá ser consumida directamente ou
acumulada em baterias.NaFigura 12está representada uma das possíveis ligações de um
sistema Hídrico isolado.
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
Moinhos de Ponte de Lima 25
3.2.2. Sistema com Ligação á Rede Eléctrica
Nos últimos anos registou-se um aumento significativo de sistemas com ligação á
rede eléctrica (Figura 13), não só na área da microgeração hídrica mas sim na
microgeração em geral. Isto deve-se essencialmente ao facto de existir um aumento de
incentivos financeiros por parte das entidades governamentais.
Em Portugal a topologia mais utilizada na microgeração é com ligação á rede
eléctrica. A grande vantagem deste sistema está associada ao custo final do sistema
completo, visto que, este não necessita de regulador de carga e banco de baterias, e
como tal, é mais económico. Outra das vantagens deve-se ao facto de o microprodutor
vender a energia a uma tarifa superior à tarifa de compra.
Figura 12 - Constituição de um sistema isolado
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
26 Moinhos de Ponte de Lima
3.2.3. Sistema Híbrido/Misto
Os sistemas híbridos (Figura 14) são igualmente isolados da rede eléctrica, mas a
diferença é que são normalmente constituídos por diferentes fontes de energia
renovável, como por exemplo os sistemas eólicos, e os sistemas fotovoltaicos. A
principal finalidade deste sistema é garantir a existência de energia para consumo,
sempre que uma ou mais fontes de energia renovável não forem suficientes para
satisfazer as necessidades energéticas do utilizador.
No caso dos painéis fotovoltaicos não é necessário aplicar um conversor CA/CC,
pois a tensão fornecida pelo painel é contínua.
Figura 13 - Constituição de um sistema com Ligação á Rede Eléctrica
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
Moinhos de Ponte de Lima 27
Figura 14 - Constituição de um sistema híbrido
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
28 Moinhos de Ponte de Lima
3.3. Turbinas Hidráulicas
As turbinas hidráulicas são máquinas que têm como objectivo converter a energia
associada a um fluido (energia cinética e pressão) em energia mecânica. Neste trabalho
é dada ênfase a quatro tipos de turbinas: Pelton(acção), Francis(reacção),
Kaplan(reacção) e Banki-Mitchell (acção). Cada um destes tipos são adaptados para
funcionar em aproveitamentos hidroeléctricos com uma determinada altura de queda e
caudal como sugere a Figura 15.
Nos aproveitamentos hidroeléctricos as turbinas estão acopladas a um gerador que
faz a transformação de energia mecânica em energia eléctrica. Nos grandes
aproveitamentos é comum obter rendimentos globais na ordem dos 80 a 90%[25][26].
A potência teórica de uma turbina é dada pela equação (3.1):
(3.1)
Ondeρ é a densidade da água,g é a aceleração da gravidade terrestre,H é a queda
máxima útil, eQ o caudal.
Figura 15 - Adequação da turbina para a relação Queda /Caudal/ Potência[24]
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
Moinhos de Ponte de Lima 29
3.3.1. Classificação das Centrais Hidroeléctricas
Uma central hídrica pode ser classificada segundo um de dois parâmetros:
Potência instalada
Altura da queda disponível
Potência
Designação Pinstalada (MW)
Pequena central hidroeléctrica <10
Minicentral hidroeléctrica <2
Microcentral hidroeléctrica <0,5
Picocentral hidroeléctrica <0,05
Quedas
Designação H (m)
Baixa queda 2-20
Média queda 20-150
Alta queda >150
As pequenas/mini/microhídricas, têm características próprias, não sendo uma
mera cópia em escala reduzida das grandes centrais hídricas. Dentro das suas principais
características salientam-se: custos reduzidos; a obra civil é orientada para sistemas
simples e compactos para reduzir os trabalhos efectuados no local; existem turbinas
normalizadas com bons rendimentos para uma vasta gama de regimes de
funcionamento; maior simplicidade de operação incluindo a automatização total da
central; o maior número de locais com bom potencial encontra-se em aproveitamento de
baixas quedas.
Tabela 1 - Classificação de hídricas segundo a potencia instalada[27][28]
Tabela 2 - Classificação de hídricas segundo a queda de água disponível[27][28]
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
30 Moinhos de Ponte de Lima
3.3.2. Turbina Pelton
A turbina Peltoné das turbinas mais utilizadas em aproveitamentos hídricos. É
considerada uma turbina de impulsão, visto que, utiliza sobretudo a velocidade da água
para provocar o movimento de rotação.
Constituição e Funcionamento
A turbina Pelton é constituída por uma roda circular, onde na sua periferia se
encontram um conjunto pás ou conchas, sobre as quais, incide, tangencialmente um
jacto de água, dirigido por um ou mais injectores (Figura 16). Estas turbinas, podem ter
eixo vertical ou horizontal, e são normalmente utilizadas em sistemas hídricos,
caracterizados por pequenos caudais e elevadas quedas úteis.
AsturbinasPelton são ainda caracterizadas por terem um baixo número de rotações
e um elevado rendimento (até 93%), encontrando-se entre o grupo das turbinas
hidráulicas com melhor rendimento.
Para aumentar a velocidade da turbina, pode aumentar-se o número de jactos de
água, obtendo-se desta forma um rendimento global mais elevado. Na Figura 17 pode
ser observada a curva característica do rendimento da topologia com um único jacto e
multijactos (Figura 18). A topologia multijactos é indicada essencialmente para
aproveitamento hidroeléctricos em que o caudal é variável.
Figura 16 - Esquema de Funcionamento da Turbina Pelton[29]
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
Moinhos de Ponte de Lima 31
Figura 17 - Comparação da variação do rendimento relativo em função do caudal
(single jetvstwinjet)[30]
Figura 18 - Turbina Pelton Multijactos[31]
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
32 Moinhos de Ponte de Lima
Na Figura 19 apresenta-se uma turbina Pelton utilizada nas grandes centrais
hidroeléctricas.
3.3.3. Turbina Francis
As turbinas Francis têm maior dimensão que as Pelton (para a mesma potência) e
operam a velocidades menores. São constituídas pelorotorepor um distribuidor que
permite controlar a potência da turbina mediante o ângulo de inclinação das pás. Estas
turbinas podem ser montadascom eixo vertical ou eixo horizontal. São bastante
utilizadas nas centrais hidroeléctricas portuguesas.
Constituição e Funcionamento
Apresenta um formato em espiral, sendo constituída por uma coroa de alhetas
fixas, as quais formam uma série de canais hidráulicos que recebem a água radialmente
e a orientam para a saída do rotor numa direcção axial (Figura 20). A entrada da turbina
ocorre simultaneamente por múltiplas comportas de admissão dispostas ao redor da
roda, sendo o trabalho exercido sobre todas as alhetas ao mesmo tempo para fazer rodar
a turbina e o gerador. A água transfere parte da sua energia para o rotor e deixa a turbina
pelo tubo de sucção.
Figura 19 - Turbina Pelton[32]
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
Moinhos de Ponte de Lima 33
São normalmente utilizadas em sistemas hídricos caracterizados por pequenos
caudais e quedas úteis desde 20 metros a algumas centenas de metros (700 m).Uma
interessante vantagem deste tipo de turbinas está associada à capacidade de funcionar
como bomba de água. Esta técnica é usada em barragens reversíveis, para assim se poder
bombear água para montante, consumindo energia eléctrica nas horas de vazio que fica
armazenada sob a forma de energia potencial para posterior utilização.Estas turbinas
apresentam um rendimento elevado, até 95%.
3.3.4. Turbina Kaplan
A turbina Kaplan(Figura 21) é uma evolução da turbina Francisque surgiu
essencialmente para preencher uma lacuna existente em equipamentos para baixa queda.
É uma turbina de reacção, indicada sobretudo para grandes caudais e quedas baixas. A
turbina Kaplan surgiu no séc. XX por intermédio do Professor alemão Viktor Kaplan.
Constituição e Funcionamento
A turbina Kaplan(Figura 22) é constituída por uma câmara de entrada de água,
que pode ser aberta ou fechada, por um distribuidor e por uma roda com quatro ou cinco
pás em forma de hélice. Estas pás são móveis, o que permite variar o ângulo de ataque à
Figura 20 - Constituição da turbina Francis[33]
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
34 Moinhos de Ponte de Lima
água, através de um mecanismo de orientação que é controlado pelo regulador da
turbina. Este facto confere á turbinaKaplan uma grande capacidade de regulação. Este
tipo de turbinas está orientado, normalmente, segundo um eixo vertical (com excepção
das turbinas bolbo que estão orientadas segundo um eixo horizontal).
O mecanismo de controlo das pás no rotor pode tornar o fabrico destas turbinas
mais caro, o que pode tornar a sua aplicação menos interessante, quando comparada
com as outras turbinas na mesma faixa de aplicação.
São ainda caracterizadas por rodarem a baixa velocidade e por possuírem um
elevado rendimento (até 93%).
Existem também turbinas Kaplan de pás fixas, denominados por turbinas de
hélice, estas possuem normalmente cinco pás fixadas ao veio principal. Neste tipo de
turbinas não é possível fazer a regulação das pás para o caudal existente.
Figura 21 - Turbina Kaplan (vista em corte parcial)[34]
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
Moinhos de Ponte de Lima 35
3.3.5. Turbina Banki-Mitchell
As turbinas Banki-Mitchell ou Crossflow (fluxo cruzado) possuem esta
designação devido ao seu inventor. Podem ser classificadas como uma turbomáquina de
impulsão. Este tipo de turbinas é utilizado para gamas de baixa potência. O seu
rendimento é inferior aos das turbinas de projecto convencional, mas mantém-se
elevado ao longo de uma intensa gama de caudais. Este facto, juntamente com a sua
capacidade de funcionar com muito baixas quedas(< 10m) e pequenos caudais, faz com
que sejam muito interessantes para pequenos aproveitamentos (nomeadamente, para
microgeração). As turbinasBanki-Mitchell só existem na disposição horizontal e
apresentam uma velocidade de rotação baixa (de 60 a 600 rot/min), sendo
frequentemente necessária a utilização de multiplicadores de velocidade entre elas e os
geradores.
Figura 22 - Constituição completa da turbina Kaplan
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
36 Moinhos de Ponte de Lima
Constituição e Funcionamento
As turbinas Banki-Mitchell são constituídas pelas seguintes partes (Figura 23):
1- Suporte do Rotor
2- Corpo do Injector
3- Rotor
4- Caixa de velocidades (nem sempre utilizada)
5- Guarda-rotor
6- Tubo de respiro
7- Descarga
8- Conduta de admissão/regulador de caudal
Figura 23 - Constituição da turbina Banki-Mitchell[35]
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
Moinhos de Ponte de Lima 37
A turbina Banki-Mitchell é indicada para baixas e médias quedas (5 a 60 metros),
e para uma larga gama de caudais (0,09 a 9 m3/s). Uma das suas maiores vantagens
reside no facto de se poder dividir a turbina em secções axiais estanques e
independentes, ou seja, dividindo a injecção em secções, é possível modular o
fornecimento de água ao rotor. Desta forma, é possível manter os vários módulos perto
do rendimento máximo, pois quando o caudal atinge o máximo de um módulo, abre-se
o fornecimento de água ao módulo seguinte. Pelo contrário, quando o caudal diminui e
os módulos começam a perder rendimento, fecha-se um dos módulos para se poder
concentrar o caudal em menos módulos (um ou dois) e subir assim o rendimento global.
As turbinas Bankipodem atingir rendimentos na ordem dos 60% a 85%,
dependendo sempre da optimização que foi feita para cada caso, ou seja, a adequação do
seu “design” ao local de instalação é o factor chave para obter um bom rendimento
final. A Turbina Banki possui uma tecnologia de construção bastante simples, requer
poucos equipamentos para o seu fabrico e manutenção. Em comparação com as turbinas
anteriormente descritas, esta possui uma tecnologia de fabrico mais simples[36].
Na Figura 24 está representado o diagrama de selecção da turbina Pelton e Banki-
Mitchell. A turbina Pelton, como já foi referido anteriormente é apropriada para
aproveitamentos hidroeléctricos com grande queda, por outro lado a turbina Banki-
Mitchell é mais adequada para aproveitamentos com pequena ou média queda e elevado
ou médio caudal.
Figura 24 - Ábaco da turbina Pelton vsBanki - Mitchell
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
38 Moinhos de Ponte de Lima
Conclui-se então que a turbina Banki-Mitchell seria uma boa solução a
implementar no moinho de Ponte de Lima utilizado neste projecto.
3.4. Geradores eléctricos
Os geradores eléctricos são dispositivos que convertem energia mecânica aplicada
ao seu eixo de rotação em energia eléctrica. Os geradores eléctricos são máquinas que
possuem normalmente um funcionamento reversível, ou seja, para além de converterem
energia mecânica em eléctrica, podem funcionar como motores, convertendo energia
eléctrica em mecânica.
Os geradores eléctricos são normalmente de 2 tipos: geradores de corrente
alternada (CA) e geradores de corrente contínua (CC). Nos geradores CA é possível
encontrar 2 categorias de máquina: o gerador síncrono (ou alternador) e o gerador
assíncrono (ou de indução).
3.4.1. Gerador Síncrono
Numa máquina síncrona, o campo magnético do rotor pode ser criado de duas
formas distintas: através de um enrolamento de campo (ou indutor),no caso do gerador
síncrono de rotor bobinado, WRSG (Wound Rotor SynchronousGenerator), ou através
da utilização de ímanes permanentes no rotor, no caso do gerador síncrono de ímanes
permanentes, PMSG (PermanentMagnetSynchronousGenerator).
3.4.1.1. Gerador Síncrono de Rotor Bobinado
Neste tipo de gerador (Figura 25) existe um enrolamento indutor (situado no
rotor), que é alimentado em corrente contínua e produz o campo magnético essencial ao
funcionamento da máquina (excitação). Quando o gerador é accionado por uma turbina
(p.ex.)produz-se um campo magnético constante (em amplitude)quegiraà mesma
velocidade do rotor. A variação do campo magnético nos condutores do estator origina
o aparecimento de uma força electromotriz induzida em cada um deles. Se o circuito do
estator estiver fechado, a força electromotriz dá origem ao aparecimento de uma
corrente eléctrica, que por sua vez vai criar um campo magnético girante. Da acção
conjunta dos dois campos surge o binário resistente, que tem de ser vencido pela turbina
hidráulica primária que acciona o gerador. Num gerador trifásico, o número de
enrolamentos presentes no estator é de três (ou múltiplos de três), sendo que estes se
encontram desfasados 120º (no espaço), o que origina a produção de três tensões
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
Moinhos de Ponte de Lima 39
alternadas à saída do gerador, desfasado 120º entre si (no tempo). A frequência
(eléctrica) de saída do gerador é dada pela equação (3.2).
(3.2)
Onde,
f- Frequência (Hz)
n- velocidade de rotação (r.p.m)
p - número de pólos do rotor
Na Figura 25 está representado um gerador síncrono de rotor boninado utilizado
nos automóveis. Este gerador tem a particularidade de gerar uma onda trapezoidal.
3.4.1.2. Gerador Síncrono de Ímanes Permanentes
No gerador PMSG, o estator é constituído por ímanes permanentes que formam os
múltiplos pólos. O número de pólos existentes no rotor é que indica a que velocidade irá
girar este, quantos mais pólos, menor será a velocidade a que gira o rotor. O rotor deste
gerador pode ser de dois tipos: pólos simples ou pólos salientes. Os geradores de rotores
simples são mais comuns em geradores de velocidade de rotação baixa (micro-hídricas
Figura 25- Constituição do gerador síncrono de rotor bobinado[37]
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
40 Moinhos de Ponte de Lima
ou micro-eólicas), enquanto os geradores de rotores de pólos lisos são utilizados para
velocidades de rotação elevadas (para potências elevadas).
Este tipo de gerador tem a grande vantagem de não necessitar de excitação
externa, o que associado ao elevado rendimento que apresenta faz com que seja quase
sempre a solução preferida para microgeração. O elevado rendimento deste tipo de
gerador deve-se ao facto de não possuir nenhum enrolamento no rotor, eu seja, não
possui perdas associadas aos enrolamentos do rotor.
Estes geradores possuem também a vantagem de serem bastante mais baratos pelo
simples facto de serem máquinas com uma construção mais simples.
3.4.2. Gerador de Indução/Assíncrono
O gerador de indução (Figura 26) é uma alternativa viável para geração de energia
eléctrica em aproveitamentos hidroeléctricos. Essencialmente devido ao seu baixo
custo, tanto de aquisição como de manutenção, sua simplicidade construtiva e robustez,
quando comparado ao gerador síncrono. Estudos mostram que seu custo é
aproximadamente 40% inferior em relação ao gerador síncrono. No entanto este tipo de
geradores possuem uma grande desvantagem associadaao facto do gerador consumir
permanentemente energia reactiva, e consequentemente necessitam de utilizar bancos de
condensadores, de forma a compensar o factor de potência do gerador.
Existem dois tipos de geradores de indução: gerador de indução com rotor em
gaiola de esquilo, SCIG (Squirrel Cage InductionGenerator) e o gerador de indução
com rotor bobinado, WRIG (Wound Rotor InductionGenerator)[38].
3.4.3. Gerador de Indução Gaiola de esquilo
O gerador de indução (Figura 26) é um gerador que baseia o seu princípio de
funcionamento na criação de um campo magnético rotativo. A partir da aplicação de
uma força centrífuga ao rotor é criado um campo magnético neste (campo girante). Este
campo magnético girante criado pelo rotor induzirá nos enrolamentos do estator uma
tensão. Caso a máquina esteja conectada a uma carga, circulará uma corrente nos
enrolamentos do estator. Esta corrente faz com que o campo magnético do estator
aumente. Em consequência disto, a corrente induzida no rotor também aumentará,
elevando assim a tensão induzida no estator.
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
Moinhos de Ponte de Lima 41
O gerador de indução com rotor em gaiola de esquilo (Figura 26) é muito
utilizado em sistemas de grande potência, devido à sua simplicidade mecânica, elevada
eficiência e baixos custos de manutenção. Este tipo de gerador pode ser utilizado em
sistemas de velocidade constante ou velocidade variável, sendo que em sistemas de
velocidade variável é necessária a utilização de circuitos de electrónica de potência para
fazer o interface com a rede eléctrica.
Neste gerador o rotor é composto por barras de material condutor, localizadas à
volta do conjunto de chapas do rotor, que são curto-circuitadas por anéis metálicos nas
extremidades.
A grande desvantagem deste gerador prende-se ao facto de necessitar de estar
conectado com a rede e de necessitar de um condensador acoplado aos enrolamentos do
estator.
3.4.3.1. Gerador de Indução com Rotor Bobinado
O gerador de indução com rotor bobinado é classificado como um gerador de
velocidade variável e permite o funcionamento numa vasta gama de velocidades,
extraindo assim a máxima potência do vento. Existem duas topologias possíveis de
funcionamento do gerador de indução com rotor bobinado. Uma das configurações
Figura 26– Constituição do gerador de indução "gaiola de esquilo"[52]
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
42 Moinhos de Ponte de Lima
baseia-se na possibilidade de controlar a velocidade do gerador através da variação de
uma resistência aplicada no rotor. A outra configuração tem os enrolamentos do estator
do gerador ligados directamente à rede eléctrica, e o rotor do gerador igualmente ligado
à rede eléctrica, mas através de conversores de Electrónica de Potência. Esta
configuração é identificada por gerador de indução duplamente alimentado, DFIG
(Doubly-FedInductionGenerator), e tem como objectivo controlar a velocidade do
gerador pela aplicação dos conversores de Electrónica de Potência[38][39].
3.4.3.2. Gerador de Corrente Continua
O gerador de corrente contínua é constituído por duas partes distintas, o estator e
o rotor. No rotor existem fios condutores montados em ranhuras ao longo da superfície,
sendo esses condutores enrolados de forma a criar espiras. Essas espiras são ligadas aos
terminais de anel colector, que se situa no eixo do rotor (Figura 28(b)). No estator é
onde se encontram os enrolamentos que produzem os pólos do gerador (Norte e Sul),
como está representado na Figura 28(a).
No gerador de corrente contínua o enrolamento do estator (também conhecido
como enrolamento de campo ou indutor) é excitado por uma fonte de corrente contínua,
inferindo no eixo do rotor um binário mecânico. Quando o enrolamento do rotor (o rotor
é conhecido também como armadura ou induzido) corta as linhas de força, é produzida
neste uma força electromotriz induzida, obedecendo á lei de Faraday. A força
electromotriz induzida é alternada (sinusoidal), mas por meio de uma rectificação
mecânica (comutador) é transformada em corrente contínua.
Este tipo de gerador tem a desvantagem de necessitar de uma maior manutenção e
ter um custo elevado.
Figura 27 - Constituição da máquina CC
Figura 28 - Constituição da máquina CC[39]
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
Moinhos de Ponte de Lima 43
3.5. Hidrogeradores
Existem no mercado alguns hidrogeradores que podem ser instalados
directamente em pequenos e médios cursos de água. Para a instalação
desteshidrogeradores não é necessário alterar cursos de água nem de construir qualquer
infra-estrutura para armazenamento de água. De seguida são apresentados alguns
modelos de hidrogeradores que poderão ser encontrados no mercado nacional.
A Figura 29 mostra um hidrogerador comercializado pela empresa Selm. Esta
empresa disponibiliza hidrogeradores com 300, 500 e 1500W de potência, com declives
de 12 a 25 metros e com caudais de 3 a 10 litros/segundo. Os preços para estes produtos
variam entre os 1230€ para a solução de 300W e 3470€ para a solução de 1500W[40].
A Figura 30 ilustra alguns dos hidrogeradores comercializados pela empresa
VerdeSolar, que disponibiliza uma vasta gama de potências desde 800W até 18kW, com
uma tensão nominal 240V AC. Esta empresa possui também versões de hidrogeradores
(12 VDc, 24 VDc e 48 VDc) para utilização em sistemas isolados, em que existe um
banco de baterias para acumular a energia produzida. Esta solução já vem implementada
com um regulador de tensão[42].
Figura 29- HidrogeradorSelm[41]
Figura 30- Hidrogeradores verde solar 7 kW[42]
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
44 Moinhos de Ponte de Lima
A empresa Energy4all sediada no Porto possui vários tipos de hidrogeradores,
nomeadamente hidrogeradores de baixa queda, alta queda e submersíveis. Possuem
hidrogeradores para gamas de queda desde os 1,5 a 45 metros e caudais desde os 25 a
165 litros/segundo, ao qual corresponde uma gama de potências de 200 W a 30 kW
(Anexo C)[43].
Na Figura 31 está representado um dos geradores comercializados pela empresa
Energy4all de 30kW.
Os hidrogeradores HCF são comercializados pela empresa HCF Portugal sediada
em Vale de Cambra. Esta empresa possui hidrogeradores desde os 200 W (Figura 32)
até aos 30 kW. O hidrogerador com 200 W de potência possui uma entrada de água de
50 mm de diâmetro. Este é indicado para quedas entre os 10 e os 14 metros e um fluxo
de água dos 3 a 4 Litros/Segundo. A rotação nominal do gerador é de 1500 r.p.m[44].
Figura 31 - Hidrogerador CJD-30kW[43]
Figura 32 - Hidrogerador HCF (200W)[44]
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
Moinhos de Ponte de Lima 45
O hidrogerador de maior potência, 30 kW, possui duas entradas de água com
300 mm de diâmetro. Este é indicado para quedas elevadas, quedas essas que podem
variar entre os 38 e 45 metros. O caudal indicado para este hidrogerador é de 90 a 120
Litros/Sengundo, com uma rotação do gerador de 1000 a 1500 RPM[44].
3.6. Inversores (Conversor DC/AC)
Os inversores podem ser diferenciados consoante a sua utilidade, como por
exemplo inversores síncronos para ligação à rede vs. inversores estáticos para
necessidades isoladas, ou quanto à forma da onda que produzem: quadrada, quadrada
modificada ou sinusoidal. Devem ser tomadas em consideração algumas características
quando se opta por um determinado tipo de inversor, tais como: eficiência, perdas em
standby, capacidade de arranque, regulação da frequência, distorção harmónica,
manutenção e preço.
O inversor é um dispositivo electrónico que faz a conversão de corrente contínua
para corrente alternada. Na turbina utilizada, existe acoplado um gerador que produz
energia eléctrica, essa energia para poder ser injectada na rede tem que cumprir
determinados valores de tensão e frequência. Após a rectificação de corrente AC para
DC (no caso do gerador produzir corrente AC) ou após as baterias (no caso de a energia
ser armazenada em baterias, corrente DC) é necessário fazer a conversão da corrente
para esta poder ser injectada na rede, então utiliza-se o inversor. Uma boa escolha do
tipo de inversor a ser utilizado num determinado aproveitamento hidroeléctrico é
fundamental para a obtenção de um rendimento elevado, ou seja é necessário adaptar o
tipo de inversor escolhido à curva característica de potência do gerador eléctrico.
Existem várias topologias de inversores DC/AC. Estes podem sermonofásicos ou
trifásicos, e consoante o tipo de alimentação podem ser VSI (Voltage Source Inverter)
ou CSI (Current Source Inverter) [34].
A configuração CSI (Figura 33),inversor tipo fonte de corrente, tem no
barramento DC uma fonte de corrente. Estes inversores são utilizados em unidades de
alta potência, nomeadamente no acoplamento de motores AC[45].
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
46 Moinhos de Ponte de Lima
AFigura 34 ilustra uma topologia trifásica em ponte completa elementar com
configuração VSI, inversor tipo fonte de tensão.
Esta configuração gera à saída uma tensão AC, composta por valores discretos
( ) elevados, deste modo a carga deverá ser indutiva, para que a onda de corrente
produzida seja “suave”. Uma carga capacitiva associada irá gerar grandes picos de
corrente, neste caso será necessário a aplicação de um filtro indutivo entre o inversor e a
carga. Analogamente, a topologia CSI gera à saída uma corrente AC composta por
valores discretos ( ) elevados. Assim, a carga deverá ser capacitiva, de modo a
produzir uma onda de tensão dita “suave”. Com uma carga indutiva, este inversor gerará
grandes picos de tensão. Para evitar estas ocorrências é necessário colocar um filtro
capacitivo à saída do inversor[46].
Por sua vez, os inversores VSI estão divididos em três categorias distintas,
inversores PWM, inversores de onda quadrada e inversores monofásicos com tensão de
cancelamento[45]:
Figura 33 - Inversor CSI trifásico[46]
Figura 34 - Inversor VSI trifásico[46]
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
Moinhos de Ponte de Lima 47
a) Inversor PWM: neste tipo de inversor, a tensão de entrada é constante em
magnitude. O inversor controla a magnitude e a frequência da tensão de saída,
através da largura por modulação de pulso, para obteruma tensão de saída o mais
próxima possível de uma onda sinusoidal [45].
b) Inversor de onda quadrada: neste tipo de inversor, a tensão de entrada DC é
controlada, com o objectivo de controlar a magnitude da tensão de saída AC.
Portanto, o inversor tem apenas de controlar a frequência da tensão de saída. A
tensão de saída tem a uma forma de onda semelhante a uma onda quadrada [45].
c) Inversor monofásico com tensão de cancelamento: com este tipo de inversor é
possível controlar a magnitude e a frequência da tensão de saída, apesar de a tensão
de entrada DC ser constante e os interruptores do inversor não serem modulados por
PWM. A forma de onda da tensão de saída é uma onda quadrada. Portanto, este
inversor combina as características dos dois inversores anteriormente descritos. A
técnica de anulação de tensão apenas funciona em inversores monofásicos [45].
Para a realização deste trabalho utilizou-se um inversor monofásico do tipo VSI,
uma vez que o objectivo é produzir uma tensão com valores de amplitude e frequência
controlados, para ser injectada na rede
À saída do gerador deve existir sempre uma protecção contra sobretensões, para
que possa proteger o inversor e restantes equipamentos a jusante de tensões superiores
às tensões máximas admitidas por estes mesmos equipamentos. Deve também existir
um disjuntor diferencial para proteger pessoas e bens e um disjuntor contra sobrecargas
e curto-circuítos.
Foi ponderado desenvolver um inversor nos laboratórios da Universidade do
Minho mas visto que seria difícil certificar e homologar o inversor desistiu-se da ideia e
optou-se por adquirir um inversor da SMA.
Neste ponto do trabalho serão apresentados então alguns dos inversores existentes
no mercado que poderiam ser implementados neste projecto.
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
48 Moinhos de Ponte de Lima
3.6.1. Inversores SMA
Com o consequente desenvolvimento feito pela SMA, o inversor SunnyBoy
(Figura 35) é um dos melhores produtos existentes no mercado para equipamentos com
ligação à rede eléctrica. Nos inversores com transformadores anulares para separação
galvânica podem ser ligados em série até 24 módulos PV.Todos os SunnyBoys são
fabricados em invólucros de aço inoxidável com o tipo de protecção IP 65, combinado
com o campo alargado de temperaturaem série, torna-se possível a montagem em
qualquer local. A fiabilidade destes inversores é elevada e possuem um tempo de vida
superior a 20 anos.
A série de inversores WindyBoy foi desenvolvida para geradores de energia
eólica/hídrica em pequena escala de ligação à rede. Esta série apresenta uma gama de
potências disponível desde 1,1 kW a 6 kW.
O intervalo de tensões de entrada varia mediante o modelo em análise. Deste
modo, o modelo 1,1kW LV, apresenta uma gama de tensões de entrada reduzida, de
20 VDCa 60 VDC. Porém, para outros equipamentos disponíveis, o intervalo das
tensões de entrada podem situar-se em 139 VDC a 600 VDC.
A SMA permite que em todas as gamas de inversores sejam configuráveis as
curvas de potência, designada curva característica polinomial, deste modo, permite que
o inversor optimize o sistema para a máxima eficiência de qualquer turbina.
Figura 35 - Inversor SMA[47]
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
Moinhos de Ponte de Lima 49
Os inversores da SMA operam com um rendimento máximo de 96,1%.Todos os
inversores dispõem de um display standard para diagnóstico, visualização e
armazenamento de dados, de igual modo, comunicação via interface RS232 e
RS485.AProtection Box da SMA é um equipamento adicional contra sobretensões, que
integra um rectificador trifásico[47].
3.6.2. Inversores Fronius
Os inversores IG (Figura 36), IG Plus e IG TL da Fronius são algumas das séries
de referência para utilização em sistemas de pequena potência (1,5 kW até 5 kW).
A gama de tensões aplicadas á entrada dos inversores da série IG vai desde os 150
a 400 VDc,sendo a gama de potência disponível de 1,5 kW até 5 kW. Estes inversores
apresentam um rendimento máximo de 94,3% e um THD (Total HarmonicDistortion)
inferior a 3,5%.
A gama de tensões aplicadas à entrada dos inversores da série IG Plus vai desde
os 230 VDC a 500 VDC sendo a gama de potência disponível de 3,5 kW e 4 kW, com
uma fase apenas. Existem inversores com potências superiores para sistemas bifásicos
ou trifásicos, pertencentes à mesma gama de inversores. Esta série apresenta um
rendimento máximo de 95,9%, e o seu valor de THD da corrente é inferior a 3%.
Figura 36- InversorFronius[48]
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
50 Moinhos de Ponte de Lima
Os inversores da gama IG TL apresentam uma gama de potências desde 3 kW a
5 kW e um intervalo de tensões á sua entrada de 350 até 700 VDC. O rendimento
máximo dos inversores desta classe é de 97,7%, e o seu THD da corrente é inferior a
3%.
Os inversores da série IG possuem uma funcionalidade que impede o seu
funcionamento autónomo (principio de medição da impedância). Estes possuem
também uma opção de transferência de dados através de um cartão de memória[48].
3.6.3. Inversores Kaco
A Kaco dispõe de uma gama de inversores (Figura37) isenta de transformadores,
deste modo, torna-os mais económicos e permitem obter rendimentos superiores.
Os inversores sem transformadores requerem uma tensão de entrada superior à
tensão de pico da rede. A gama de tensões de entrada situa-se entre 350 VDC até
600 VDC, com um rendimento máximo de 96,8%, para a série apresentada, a gama de
potências disponíveis é de 2,5 kW a 8 kW. Além dos inversores sem transformadores, a
empresa também produz inversores galvanicamente isolados. Para esta série, a gama de
potências disponíveis, para estes equipamentos é de 2 kW a 6 kW, sendo o intervalo de
tensões de entrada 125 VDC a 510 VDC para o inversor com a potência de 2 kW e a
Figura37–InversorKaco[49]
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
Moinhos de Ponte de Lima 51
gama de tensões de entrada para os restantes de 200 VDC a 510 VDC, porém o
rendimento máximo apresentado é de 96%.
O valor THD, taxa de distorção harmónica da corrente, à potência nominal e
tensão sinusoidal é inferior a 3%, para ambas as séries de inversores.
Este inversor possui algumas características que se evidenciam dos outros
inversores, nomeadamente o interface RS232 ou RS485 integrado e a monitorização da
rede por interface de segurança bidireccional (BiSi)[49].
3.6.4. Power - One Aurora
O inversor (Figura 38) é um inversor adequado para sistemas de produção de
energia eólica/ hídrica com ligação à rede. Esta série de inversores apresenta uma gama
de potências disponíveis de 3 kW a 6 kW, para um intervalo de tensão de entrada de
50 VDC a 580 VDC.
Como principais características destacam-se o seu rendimento máximo de 97%, e
o valor THD (Taxa de Distorção Harmónica da corrente) inferior a 2%.
Este inversor possui comunicação via USB e RS485, deste modo, permite o controlo
remoto da instalação via Internet.
A utilização do Interface Box elimina a necessidade de utilizar rectificador
adicional à saída do gerador eléctrico[50].
Figura 38 - Inversor Power - One Aurora[50]
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
52 Moinhos de Ponte de Lima
3.7. Rectificador (Conversor AC/DC)
O dispositivo ou componente eléctrico que permite converter corrente alternada
em corrente contínua é designado por conversor AC/DC ou rectificador. Este pode ser
monofásico ou trifásico, consoante o número de fases de tensão alternada à entrada.
Pode ser de meia onda ou onda completa, dependendo do tipo de ligação dos
semicondutores, e ainda pode ser controlado, semi-controlado ou não controlado, de
acordo com os semicondutores utilizados. Os rectificadores trifásicos (Figura 40)
podem operar com mais potência e apresentam uma tensão de saída com menor ripple,
sendo por isso mais utilizados que os monofásicos. Nos rectificadores controlados a
tirístores, é injectada uma corrente na gate que controla a entrada em condução do
tirístor. O ângulo de disparo do tirístor (α) representa o atraso entre a passagem da
tensão por zero (rectificador monofásico) e o instante em que o tirístor inicia a sua
condução.
Na Figura 39 é apresentado um rectificador monofásico de onda completa.
A Figura 40 apresenta esquematicamente a topologia de um rectificador trifásico
de onda completa não controlado. A condução efectua-se através dos díodos nos dois
semi-ciclos (positivo e negativo) para cada tensão (fase) de entrada. A saída é
normalmente filtrada por um condensador.
Nesta topologia existe sempre dois díodos em condução, um no semi-ciclo
positivo e o outro no semi-ciclo negativo, ou seja, na parte superior do circuito conduz o
díodo em que a fase corresponde à tensão mais elevada, de igual modo relativamente à
parte inferior do circuito, conduz o díodo associada à fase que apresente a tensão mais
negativa.
Figura 39–Rectificador monofásico de onda completa[51]
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
Moinhos de Ponte de Lima 53
3.8. Conversor DC/DC
Os conversores DC/DC são circuitos electrónicos que recebem um nível de tensão
ou corrente contínua nos seus terminais de entrada e, de acordo com as exigências do
sistema, ajustam para outro valor de tensão ou corrente contínua nos terminais de saída,
obtendo-se assim uma tensão ou corrente regulada à saída. Estes são amplamente
utilizados em fontes de tensão DC, sistemas fotovoltaicos, sistemas micro-eólicos,
aplicações com motores DC, entre outras.
Nos sistemas fotovoltaicos a função do conversor DC/DC é adaptar o nível de
tensão que é fornecido à carga, e ao mesmo tempo optimizar a potência gerada pelos
painéis fotovoltaicos, pretendendo-se com isto que o painel solar funcione sempre no
ponto de máxima potência, para diferentes condições climatéricas, através do algoritmo
de controlo MPPT.
O conversor DC/DC é, portanto, um circuito de electrónica de potênciaconstituído
por vários componentes, tais como: semicondutores, indutâncias e condensadores.
Existem vários tipos de conversores DC/DC que diferem na disposição desses
componentes, e consequentemente na sua função.
Os principais tipos de conversores DC/DC são: conversor abaixador de tensão
(step-downoubuck), conversor elevador de tensão (stepupouboost), conversor
abaixador-elevador (step-down/step-upou buck-boost), conversor de Cúk conversor em
ponte completa (full-bridge). Destes cinco tipos de conversores, apenas os conversores
step-upestep-downsão tipologias básicas de conversores. Tanto o conversor buck-
boostcomo o conversor cúksão combinações das tipologias básicas. O conversor full-
bridgeé uma derivação do conversor step-down.
Figura 40 - Rectificador Trifásico[52]
Capítulo 3 – Tecnologia para Sistemas Hídricos
54 Moinhos de Ponte de Lima
O conversor DC/DC, designado por fonte comutada, tem muitas aplicações, tais
como: fontes de alimentação DC, UPS’s, sistemas fotovoltaicos, sistemas micro-eólicos,
aplicações com motores DCpara tracção eléctrica, etc.
Figura 41 - Conversores CC/CC: a) Step-up b) Step-down c) Buck-Boost d) Cúk e) Full-Bridge
Moinhos de Ponte de Lima 55
CAPÍTULO 4
Sistema Desenvolvido
4.1. Introdução
Neste capítulo será explicado detalhadamente todo o processo de
desenvolvimento do projecto e resultados obtidos. O projecto está dividido em quatro
partes distintas. Na primeira parte da dissertação será explicado todo o processo de
aquisição do material necessário para a realização do projecto. A segunda parte é
relativa á mecânica utilizada, desde turbina, apoios do veio da turbina, polias para
desmultiplicação, veio principal, chumaceiras e por fim a base de apoio do conjunto
veio/turbina. A terceira parte descreve os componentes eléctricos/electrónicos onde se
inclui o gerador, o rectificador e as protecções de toda a parte eléctrica a jusante do
gerador. Na quarta e última parte é feita uma descrição sobre o processo de instalação
dos componentes eléctricos/electrónicos instalados no moinho.
Inicialmente este projecto enfrentou vários obstáculos que puseram em causa a
sua conclusão em tempo útile que são explicados sucintamente neste capítulo.
4.2. Questões Sociais
Inicialmente o moinho escolhido para a realização deste trabalho situava-se no rio
Trovela e era uma instalação muito interessante, uma vez que tinha um aspecto rústico e
o proprietário ainda se dedica á moagem do milho para obtenção de farinha. Após uns
meses de medições e cálculos surgiu inesperadamente um problema relacionado com
partilhas familiares que pôs em causa a continuidade deste projecto. Analisando a
situação foi encontrada uma solução: abandonar o moinho e procurar outro em que não
existissem este tipo de problemas, bastante comuns no que diz respeito a cursos de água
e moinhos.
Felizmente foi possível encontrar um novo moinho para dar continuidade ao
projecto no mesmo rio Trovela, a pouco mais de 300 metros do moinho inicial. Este
moinho (Figura 42) não é tão interessante como o primeiro, uma vez que já não está em
funcionamento e não possui o mesmo aspecto rústico, mas foi o que foi possível
arranjar num curto espaço de tempo.
Capítulo 4 – Sistema Desenvolvido
56 Moinhos de Ponte de Lima
4.3. Aquisição do Material
No início deste projecto surgiu a necessidade de fazer uma pesquisa cuidada (e
posterior aquisição) deequipamento com características adequadas para o
desenvolvimento do projecto (Figura 43 a Erro! A origem da referência não foi
encontrada.). Concretamente, e para destacar apenas os mais importantes foram
adquiridos, um osciloscópio digital portátil, um multímetro digital e uma pinça
amperimétrica, cujas principais características se indicam em seguida:
Osciloscopio Portátil Agilent U1604A
Figura 42-Moinhovisto do exterior
Figura 43 - Osciloscópio Portátil Agilent U1604A
Capítulo 4 – Sistema Desenvolvido
Moinhos de Ponte de Lima 57
Fluke 179 (True-rms Multimeter)
Figura 44 - Fluke 179 true-rms
Capítulo 4 – Sistema Desenvolvido
58 Moinhos de Ponte de Lima
Pinça Amperimétrica/Multímetro IPM 138
Figura 45 - Multímetro IPM 138
Capítulo 4 – Sistema Desenvolvido
Moinhos de Ponte de Lima 59
4.4. Componentes Mecânicas
4.4.1. Turbina construída
Recorda-se que um dos objectivos deste projecto é alterar o menos possível a
estrutura física das instalações. Por outro lado, para que este seja viável, importa
também que o custo dos vários equipamentos seja baixo. Por estas razões, e tendo ainda
em conta as limitações em termos de tempo e o interesse que havia em ter uma ideia de
qual é o rendimento conseguido com uma turbina rudimentar como a que existia
originalmente no moinho, optou-se, numa primeira fase, por construir uma versão mais
moderna – basicamente utilizando chapa em vez de madeira na sua construção – da
turbina utilizada no tradicional moinho de rodízio. Ao mesmo tempo foi desenvolvida
por um colega do Departamento de Engenharia Mecânica (DEM) que fazia parte do
grupo de trabalho, uma turbina do tipo Banki-Mitchell, com características adequadas
para este tipo de aproveitamentos.
O desenho e execução da turbina tiverama contribuição do colega André Matosdo
DEMe do proprietário da empresa Agovi (empresa metalomecânica que construiu o
equipamento), que dada a longa experiência no projecto de turbinas e outras infra-
estruturas mecânicas, forneceu alguns conselhos úteis.
Infelizmente, e apesar da simplicidade da turbina, a sua construção acabou por
demorar largos meses, quase comprometendo a boa conclusão do projecto. Para além
disso na fase da instalação da mesma detectaram-se alguns problemas que atrasaram
ainda mais o projecto. Concretamente, o veio da turbina tinha aproximadamente dois
metros de comprimentos e pela forma como foi concebida a montagem do equipamento,
a vibração resultante da água a percorrer a turbina fazia com que as pás embatessem na
estrutura de cimento envolvente (voluta). Para corrigir este problema foi necessário
acrescentar quatro apoios centrais no veio (Figura 46), que não estavam inicialmente
previstos.
Capítulo 4 – Sistema Desenvolvido
60 Moinhos de Ponte de Lima
Representações da turbina instalada no moinho podem ser vistas nas Figura 46 a
Figura 50.
Figura 46 - Colocação dos apoios do veio
Figura 47 - Renderização da turbina[53]
Capítulo 4 – Sistema Desenvolvido
Moinhos de Ponte de Lima 61
Na Figura 48pode ser observada a direcção do jacto da água relativamente á
curvatura das pás da turbina, neste caso em concreto a direcção do jacto é contrária á
direcção “normal” das turbinas Pelton, pois desta forma, apesar de teoricamente se
aproveitar menor parte da energia cinética da água, evita-se um acumular de água no
interior da voluta.
Figura 48 - Turbina e orientação do jacto (Vista inferior)[53]
Figura 49 - Turbina (vista trimétrica invertida)[53]
Capítulo 4 – Sistema Desenvolvido
62 Moinhos de Ponte de Lima
O estrangulamento da saída da água é um factor que influencia o rendimento
global da turbina, assim desta forma a solução encontrada foi tentar aproveitar o
máximo da energia da água, e ao mesmo tempo fazer com que a água não se acumulasse
na voluta.
4.4.2. Outras Componentes mecânicas utilizadas
A par do desenvolvimento da turbina foram desenvolvidas/construídas também
outras componentes mecânicas que são essenciais e indispensáveis para a instalação da
solução mecânica final, sendo estas:
Disco de ligação turbina/veio
Veio de transmissão
Manga de apoio do veio
Chumaceira seca do par veio/manga, em nylon
Placa de suporte do sistema
Rolamento cónico
Par de polias (turbina/gerador)
Polia trapezoidal
Suporte gerador
Suportes para a manga de apoio ao veio
Apoios centrais do veio
Figura 50 - Turbina Concluída
Capítulo 4 – Sistema Desenvolvido
Moinhos de Ponte de Lima 63
A escolha da correcta relação de transmissão na ligação da turbina ao gerador não
foi um processo simples. Por um lado importava ter o gerador a rodar tão próximo
quanto o possível da sua velocidade nominal (450 RPM). Por outro lado a velocidade de
rotação da turbina (que acciona o gerador) dependia do caudal de água e do binário de
carga da mesma.
Começou por se fazer uma primeira estimativa com base na velocidade média de
rotação (85 r.p.m) da turbina para o caudal máximo disponível. Assim obteve-se numa
primeira aproximação uma relação de transmissão de 5,30/1, tendo sido construído um
par de polias com diâmetros de 530mm e 100mm (sendo a mais pequena instalada no
gerador).
O movimento é transmitido da polia motora para a polia movida por meio de uma
correia de 3/8 de polegada (Figura 52).
Após os primeiros testes do conjunto turbina/gerador o valor da relação de
transmissão foi optimizado para uma relação 5,3/0,9.Ainda assim o sistema de controlo
do conjunto turbina/gerador terá que precaver que em situações anormais, como por
exemplo no caso de um caudal muito superior ao habitual e/ou em situações em que o
gerador fique bruscamente a funcionar em vazio (o que faria com que a turbina tendesse
a embalar), a velocidade de rotação do gerador não ultrapasse largamente o seu valor
nominal, o que colocaria em risco a integridade do mesmo.
NaFigura 51está representada a curva de tensão do gerador em circuito aberto.
Para a sua velocidade nominal de 450 RPM obtem-se aos terminais do gerador uma
tensão próxima de 270 V (tensão rectificada).
Figura 51 - Curva de Tensão do Gerador PMG-1000 em circuito aberto
Capítulo 4 – Sistema Desenvolvido
64 Moinhos de Ponte de Lima
Na Figura 53 é possível observar o conjunto de duas polias montadas no veio do
gerador, bem como o mecanismo desuporte/ajuste.
Figura 52 - Transmissão turbina/gerador
Figura 53 - Grupo turbina/suporte ajustável/polia
Capítulo 4 – Sistema Desenvolvido
Moinhos de Ponte de Lima 65
4.5. Gerador e Electrónica
4.5.1. Gerador Síncrono de Ímanes Permanentes Trifásico
Para a realização deste trabalho foi necessário adquirir um gerador síncrono de
ímanes permanentes trifásico, inicialmente com potência de 1000W (GL-PMG-1000) e
posteriormente foi adquirido outro com 1800W (GL-PMG-1800), tendo ambos as
mesmas dimensões e aparência exterior. Os geradores são produzidos por uma empresa
chinesa GinlongTechnologies que se dedica exclusivamente à produção de geradores
com o intuito de serem aplicados na produção de energia eólica. Este gerador síncrono
de ímanes permanentes trifásico é apresentado naFigura 54.
Após a montagem do gerador (Figura 54) no local foram efectuados alguns
ensaios em vazio á sua velocidade nominal (450 RPM), que permitiram confirmar
alguns valores fornecidos pelo fabricante (Anexo B):
● O valor da tensão trifásica rectificada medida é 270 V, rodando à velocidade
nominal (450 RPM);
● A frequência das tensões produzidas é 60 Hz, rodando á velocidade nominal
(450 RPM).
(4.1)
Figura 54 - Gerador síncrono de ímanes permanentes trifásico GL-PMG-1000/1800
Capítulo 4 – Sistema Desenvolvido
66 Moinhos de Ponte de Lima
4.5.2. Rectificador Trifásico
Para uma primeira fase de testes do conjunto turbina/gerador foi construído um
rectificador trifásico cuja função é converter as tensões alternadasproduzidas pelo
gerador, para uma tensão de saída aproximadamente constante. Na construção do
rectificador utilizou-se um módulo da IXYS que inclui uma ponte trifásica de díodos
para 600V/38A.
No gráfico da Figura 55 apresenta-se o aspecto típico da tensão de saída da ponte
trifásica (Vd) obtida a partir das três tensões alternadas (vab; vbc; vca)produzidas pelo
gerador.
A ponte trifásica é constituída por seis díodos, (D1+, D1-, D2+, D2-, D3+, D3-
),divididos em dois grupos, como se pode visualizar naFigura 56. Nos rectificadores de
onda completa é feita a condução nos dois hemiciclos (positivo e negativo) das tensões
de entrada de cada fase (va, vb, vc). Em cada instante de tempo conduz um díodo do
grupo de cima e um díodo do grupo de baixo.
Figura 55 - Tensão rectificada (Vd) por um rectificador trifásico
Capítulo 4 – Sistema Desenvolvido
Moinhos de Ponte de Lima 67
Na Figura 57 está representado o rectificador trifásico acoplado a um dissipador
da Ixysque tem como principal função fazer o arrefecimento do rectificador evitando
assim que este sobreaqueça e se danifique. No Anexo D encontram-se as características
relativas a esta ponte de díodos.
4.5.3. Controlador/Relé de Tensão
Inicialmente ficou acordado por motivos de escassez de tempo para a realização
do projecto, que iria ser adquirido material electrónico como inversor, rectificador e
algumas protecções. Contudo foi também desenvolvida uma solução académica que
Figura 56 - Rectificador trifásico de onda completa não controlado.
Figura 57 – Rectificador Trifásico e Dissipador
Capítulo 4 – Sistema Desenvolvido
68 Moinhos de Ponte de Lima
permite substituir o rectificador e protecções. O quadro eléctrico desenvolvido (Figura
58 e Figura 59) é constituído por:
Controlador de tensão
Porta fusíveis trifásico
Fusíveis 10A
Banco de condensadores
Relé 24V
Contactor trifásico
Voltímetro
Comutador de fases
Sinalizadores
Botoneirasstart/stop
Figura 58 - Quadro eléctrico desenvolvido (visualização frontal)
Capítulo 4 – Sistema Desenvolvido
Moinhos de Ponte de Lima 69
4.5.3.1. Modo de operação
Com o botão verde accionado, o controlador de tensão é alimentado e por sua vez
vai accionar o contactor K1. Este accionamento do contactor K1 só é feito se o valor da
tensão estiver dentro dos parâmetros definidos no controlador de tensão.
Inicialmente é necessário programar alguns parâmetros de medição deste
controlador, ou seja, existe um valor de tensão de referência superior e inferior que é
necessário definir. Este relé de tensão faz a leitura do valor da tensão entre duas fases e
compara este valor com o valor de referência. Através desta comparação de tensões, o
controlador actua se a tensão for superior ao valor de referência inferior definido, e faz o
corte se a tensão for superior ao valor de referência superior definido.
Com o botão vermelho accionado (corte geral), o controlador de tensão não está
alimentado e K1 está em aberto.
Este quadro eléctrico possui também um voltímetro para visualizar o valor da
tensão entre as 3 fases. Através do comutador de fases pode ser obtido o valor da tensão
entre L1-L2, L2-L3 e L1-L3.
De uma forma geral o quadro desenvolvido permite a protecção do circuito
eléctrico a montante deste, se a tensão de saída do gerador for superior ou inferior á
tensão de referência, então este actua deixando todos os componentes
eléctricos/electrónicos protegidos.
Figura 59 - Quadro eléctrico desenvolvido (visualização lateral)
Capítulo 4 – Sistema Desenvolvido
70 Moinhos de Ponte de Lima
NaFigura 60 está representado o respectivo circuito de comando.
Legenda:
RA – Relé auxiliar
RT – Controlador de tensão
K1 – Contactor K1
F – Fusível
B1 – Botoneira de pressão 1
B2 – Botoneira de pressão 2
Figura 60 - Circuito de comando
Capítulo 4 – Sistema Desenvolvido
Moinhos de Ponte de Lima 71
Na Figura 61 está representado o respectivo circuito de potência.
Figura 61 - Circuito de potência
Capítulo 4 – Sistema Desenvolvido
72 Moinhos de Ponte de Lima
4.5.4. Condensadores do Lado CC do Rectificador
Os condensadores aplicados do lado CC do rectificador constituem um bloco de
filtragem que tem a função de manter baixo o ripple da tensão rectificada, devendo
suportar um valor de tensão superior ao pico da tensão composta produzida pelo
gerador.
Na construção do bloco de filtragem foram utilizados condensadores electrolíticos
(BHC-ALC10A-681DH400) com uma capacidade de 680µF, que suportam uma tensão
máxima de 400V CC. NaFigura 62está representado o banco de condensadores
utilizados.
Para realizar este banco de condensadores foram utilizados oito condensadores
iguais. Esses oito condensadores são divididos em dois grupos, em que cada grupo
contém quatro condensadores ligados em paralelo, o que faz com que se obtenha em
cada grupo uma capacidade de 2720 μF e uma tensão máxima de operação de 400 V.
De seguida são ligados os dois grupos em série, para que à saída, o conjunto de
condensadores proporcione a capacidade total de 1360 μF e uma tensão máxima de
operação de 800 V.
Esta topologia é necessária devido ao valor de pico da tensão composta ser de
400V, para a velocidade rotação nominal do gerador.
Na Figura 62 estão representadas duas “resistências de sangria” que se encontram
ligadas em série entre si e em paralelo com o banco de condensadores. Estas resistências
fazem com que os condensadores se descarreguem rapidamente quando estes são
desligados. Estas possuem também a função de repartir a tensão de forma equitativa
pelos dois conjuntos de condensadores ligados em série.
Figura 62 - Banco de Condensadores do Lado CC do Rectificador
Capítulo 4 – Sistema Desenvolvido
Moinhos de Ponte de Lima 73
4.5.5. Instalação dos componentes eléctricos/electrónicos
Após a finalização da montagem de todos os componentes mecânicos avançou-se
para a instalação eléctrica do interior do moinho. Foi necessário retirar todo o material
eléctrico antigo que se encontrava nas paredes do moinho e colocar novas tubagens,
cablagens, caixas de derivação, interruptores e iluminação. A ligação eléctrica do
gerador até ao rectificador foi realizada com três condutores multifilares, de cores
diferenciadas, com secção nominal de 4 mm2.
Posteriormente iniciou-se o processo de montagem dos equipamentos de
electrónica de potência e aparelhagem de protecçãoque são apresentados na Figura 63.
1) Disjuntor tripolar de 16A – dispositivo de protecção automático, protege a
instalação eléctrica contra sobrecargas e também contra curtos-circuitos
provenientes do gerador.
2) Caixa de derivação 1 – derivação da energia proveniente do gerador para o
rectificador Protection Box e também para o rectificador trifásico
desenvolvido (solução académica).
Figura 63 - Instalação dos equipamentos eléctricos/electrónicos no moinho
Capítulo 4 – Sistema Desenvolvido
74 Moinhos de Ponte de Lima
3) Rectificador trifásico (Protection Box) – Este equipamento permite a
rectificação e a protecção contra sobretensões de entrada, limitando a saída
para 400 VDC, protegendo assim o inversor.
4) Disjuntor monofásico – este dispositivo tem como principal função “abrir”
o circuito quando for necessário colocar em funcionamento o rectificador
trifásico desenvolvido.
5) Caixa de derivação 2 – ponto de recepção da energia do rectificador
Protection Box e do rectificador trifásico desenvolvido.
6) Inversor monofásico SMA – equipamento de electrónica de potência
responsável pela conversão da tensão em corrente contínua para tensão
alternada e á frequência da rede eléctrica (50Hz).
7) Disjuntor diferencial de 30mA – dispositivo de protecção automático, que
protege a instalação eléctrica e fundamentalmente pessoas contra perigos
resultantes das correntes de fuga. Este baseia-se na comparação entre duas
correntes (fase e neutro), actuando quando a diferença entre elas excede um
valor predeterminado, interrompendo o circuito.
Figura 64 - Vista frontal dos equipamentos montados no moinho
Capítulo 4 – Sistema Desenvolvido
Moinhos de Ponte de Lima 75
Na montagem dos equipamentos eléctricos/electrónicos surgiram algumas
dificuldades no que diz respeito á fixação destes á parede do moinho. As paredes do
moinho são antigas e irregulares, e por isso foi necessário colocar os equipamentos em
locais da parede estratégicos (Figura 64).
No final da montagem foi necessário colocar um contador de energia electrónico
com telecontagem. Este contador foi adquirido através da empresa donauer juntamente
com o inversor e protection box da SMA.
Constituição do Contador Janz A1700 (Figura 65):
Modem com comunicação GSM
Ligação RS232
Ligação RS485
Quatro módulos de entrada
Dois módulos de saída
Figura 65 - Contador de Energia Janz A1700 com telecontagem
76 Moinhos de Ponte de Lima
CAPÍTULO 5
Testes e Resultados
5.1. Introdução
Neste capítulo descrevem-se os testes realizados no sistema desenvolvido para a
instalação piloto e apresentam-se alguns resultados experimentais.
5.2. Estimativa do Potencial Energético do Moinho
Existem um conjunto de testes que permitem estimar a potência que é possível
extrair de um curso de água. Essa estimativa passa normalmente pela medida da queda e
do caudal disponíveis. Em seguida descrevem-se alguns métodos simples que permitem
obter estes parâmetros.
5.2.1. Medição da Altura Disponível
É a diferença entre o nível superior da água, a montante da turbina e o nível
inferior, onde a água é extraída da turbina. A altura é um dos factores mais importantes
para adequar um determinado tipo de turbina ao local onde é instalada.
Existem vários métodos para realizar a medição da altura, alguns destes métodos
serão apresentados a seguir.
5.2.1.1. Utilização de um Barómetro/Altímetro
Neste método a altura é medida através da diferença de pressão atmosférica
existente entre a parte superior (captação) e inferior (saída da turbina). Estes aparelhos
medem a pressão atmosférica do local, relativamente à altitude do mar, sendo
posteriormente, convertido para um valor de altitude. Este valor pode ser visualizado
analogicamente ou digitalmente, dependendo do tipo de aparelho que se utiliza.
A utilização deste aparelho apresenta a vantagem de ser muitocómodo uma vez
que só é necessário medir a pressão na parte superior e na parte inferior do curso de
água, fazendo-se a medição directamente, não sendo necessária a utilização de qualquer
outro dispositivo.
Capítulo 5 – Testes e Resultados
Moinhos de Ponte de Lima 77
5.2.1.2. Medição de Unidades Sucessivas
Este método consiste em medições sucessivas de pequenas alturas geométricas
(Figura 66), devendo a parte superior de cada unidade de medição estar alinhada com a
parte inferior da medição anterior. Uma medição correcta pode ser facilmente alterada
pelo estado do terreno e pelo rigor da medição do operador.
5.2.1.3. Medida da Pressão Hidrostática
Neste método é necessário utilizar um tubo ou mangueira cheio de água,
estendido desde a parte superior do aproveitamento até á parte inferior.Na parte inferior
colocamos um medidor de pressão relativa (diferença entre a pressão absoluta e a
pressão atmosférica), um manómetro por exemplo, como se pode observar naFigura 66.
Depois de ter sido medido o valor da pressão relativa utiliza-sea equação (5.1).
→ (5.1)
Com:
P – Pressão relativa medida no ponto inferior [Pa]
ρ – Massa volúmica da água [kg. m3]
g– Aceleração da gravidade [9,8 m/s2]
Figura 66 - Implementação do Método de Unidade de Medição
Capítulo 5 – Testes e Resultados
78 Moinhos de Ponte de Lima
No caso dainexistência de um manómetro, a medição do nível de água pode
efectuar-se recorrendo a uma mangueira cheia de água, com início no ponto de entrada
de água no moinho (ponto mais alto) e com fim na saída de água do moinho (ponto mais
baixo). Levantando-se a parte inferior da mangueira até esta ficar ao mesmo nível do
seu ponto mais alto, detectada pelo facto de, em dado momento a água deixar de sair da
mangueira,mede-se a altura desta ao solo, obtendo-se assim a altura disponível no
aproveitamento.
5.2.2. Medição do Caudal Disponível
O caudal disponível é difícil de determinar se for medido num rio ou num canal
de dimensões não uniformes. Podem, no entanto, ser obtidos valores aproximados com
um dos métodos apresentados a seguir.
5.2.2.1. Utilização da Equação de Bernoulli
De acordo com o princípio de Bernoulli, o aumento da velocidade de um fluido
ocorre simultaneamente com uma diminuição da pressão ou com uma diminuição na
energia potencial do fluido.
(5.2)
Com:
- Altura piezométrica – devida à pressão estática.
-Altura cinética – devida ao escoamento.
Z-Altura potencial – devida à cota do ponto.
e, s-Índices, respectivamente a montante e a jusante.
Como Pe = Ps = 0 = Pa (pressão atmosférica) e considerando a velocidade a
montante aproximadamente igual a zero, virá:
Capítulo 5 – Testes e Resultados
Moinhos de Ponte de Lima 79
(5.3)
Com:
Us – velocidade a jusante antes de entrar na turbina [m s -1
]
H – Desnível geométrico [m]
Posteriormente, sabendo a área da secção transversal ao escoamento, pode
calcular-se o caudal pela equação (5.4).
(5.4)
5.2.2.2. Método do Cano Cheio
Este método consiste em fazer com que toda a água existente no rio ou riacho
passe pelo interior de um tubo com um determinado comprimento e diâmetro. Deve-se
ter em atenção que, o tubo deve estar sempre cheio de água, mas se alguma água
transbordar, isso não constituirá um problema.
A seguir apresenta-se uma tabela onde é possível observar os diferentes caudais
para um tubo de 50 cm de comprimento e diversos diâmetros.
Tabela 3 - Relação entre Diâmetro de Tubos e Respectivo Caudal
Capitulo 5 – Testes e Resultados
80 Moinhos de Ponte de Lima
5.2.2.3. Método do Tambor
O método do tambor baseia-se na colocaçãode um tambor ou um balde, com
volume conhecido, em baixo da queda de água. De referir que este método só é
praticável em pequenos cursos de água.
Posteriormente é medido o tempo (em segundos) que demora a encher o tambor
ou balde. Com estas variáveis conhecidas divide-se o volume do balde ou tambor pelo
tempo em segundos de enchimento, obtendo-se o caudal em litros por segundo, pela
equação (5.5).
(5.5)
Com:
Q - Caudal
V – Volume do balde
t - Tempo
5.2.2.4. Método Flutuador
Relativamente a este método existem vários aspectos que têm que ser tomados em
consideração.
O primeiro aspecto a ter em conta é a escolha do local, onde se efectuam as
medições, sendo este, preferencialmente um local de secção uniforme e trajecto
rectilíneo.Nesse troço do rio, devem ser esticadas duas cordas perpendiculares ao eixo
do mesmo(Figura 67). Em seguida deve ser medido intervalodo tempo que decorre
desde que o objecto flutuador (p.ex. pedaço de madeira) passa pela primeira corda até
atingir a segunda. Regista-se a distância entre cordas [d] e o tempo que o flutuador
demorou a percorrê-la [t].
Figura 67 - Aplicação do Método Flutuador
Capítulo 5 – Testes e Resultados
Moinhos de Ponte de Lima 81
De referir que, por baixo de cada uma das cordas, num determinado numero de
locais distintos (cinco será um numero razoável), deve medir-se a profundidade do rio,
de forma a poder ser calculada a profundidade média do seu leito, de acordo com a
equação (5.6).
(5.6)
A Figura 68 ilustra o método para efectuar a medição correcta da profundidade do
curso de água,utilizando um barra de nível com ranhuras equidistantes.
Depois de calculados os parâmetros anteriores, a profundidade média e a largura
do rio, o próximo passo, deve ser o do cálculo da área da secção do rio (A, em metros
quadrados), seguindo a equação (5.7).
(5.7)
Figura 68 - Medições da profundidade do rio
Capitulo 5 – Testes e Resultados
82 Moinhos de Ponte de Lima
Assim, obtida a secção do rio, é calculada a velocidade deste pelo método
flutuador, através da equação (5.8).
(5.8)
Por fim, depois de todos os parâmetros anteriores terem sido calculados, falta,
agora, calcular o caudal do rio (Q), que é dada pela equação (5.9).
(5.9)
Onde, a constante 0,8 é uma constante empírica que tem em conta por defeito os
erros resultantes das medições.
5.2.3. Estimativa do Potencial Hídrico da Instalação Piloto
Dos métodos descritos foi seleccionado o método flutuador para medir a
velocidade de escoamento (e posteriormente estimar o caudal) e foi utilizado o método
da pressão hidrostática para medir a altura disponível.
Através da utilização do método flutuador foram obtidos os dados apresentados na
seguinte tabela:
Medição da velocidade de escoamento
Distancia percorrida pelo flutuador (d) 4 m
1º Tempo decorrido 12.35 s
2º Tempo decorrido 13.12 s
3º Tempo decorrido 11.63 s
Valor Médio (Δt) 12.37 s
Tabela 4 - Medição de velocidade de escoamento (Método do Flutuador)
Capítulo 5 – Testes e Resultados
Moinhos de Ponte de Lima 83
Com base nestes dados foi possível estimar o valor da velocidade de escoamento a
partir da equação (5.10).
(5.10)
Para estimar o valor da velocidade foi também utilizado em alternativa um
anemómetro emprestado pelo Dep. de Eng. Cívil da marca SEBA (Figura 69). A
utilização deste aparelho é bastante cómoda, já que indica a medida da velocidade de
uma forma quase directa, e teria sido uma boa maneira de confirmar os valores obtidos
pelo método flutuador. No entanto os resultados obtidos por este equipamento acabaram
por ser ignorados uma vez que não foi possível encontrar curvas de calibração credíveis
para o equipamento.
Através da medição da pressão hidrostática foi estimada a altura disponível no
aproveitamento tendo-se obtido o valor de 1,9 metros.
Para além da altura e da velocidade foram ainda efectuadas outras medições cujos
valores se resumem no quadro seguinte:
Velocidade 0,323 m/s-1
Queda Total (h) 1,9 m
Dimensões da admissão da conduta 0,26 x 0,9
Dimensões do ejector 0,4 x 0,41
Dimensão da voluta Ø 0,93 x 0,47
Figura 69 - Anemómetro SEBA
Tabela 5 - Características dimensionais do moinho e velocidade de escoamento
Capitulo 5 – Testes e Resultados
84 Moinhos de Ponte de Lima
Para obter uma estimativa dopotencialhídrico do moinho efectuaram-se os
seguintes cálculos:
Secção da conduta de admissão = 0,26 × 0,9 = 0,234m2 (5.11)
Q = A × v = 0,234 × 0,323 = 0,076m3.s
-1 (5.12)
Assim, a potência hidráulica é dada por (ρ - massa volúmica, ɡ - aceleração da
gravidade):
Phidráulica = ρ × ɡ × h × Q (5.13)
Phidráulica = 1000 kg.m-3
× 9,807 m.s-2
× 1,9 m × 0,076 m3.s
-1 (5.14)
Phidráulica = 1416W (5.15)
5.2.4. Cálculo da Potência Eléctrica
Uma vez obtida a estimativa da potência hídrica, é agora possível calcular o valor
da potência eléctrica, que amini-hídrica é capaz de produzir. Trata-se de um passo
importante para o dimensionamento do gerador eléctrico e componentes
eléctricos/electrónicos.
Q = 0,8 × A × v (5.16)
Q = 0,8 × 0,234 × 0,323 (5.17)
Q = 0,060 m3.s
-1 (5.18)
O rendimento global, que depende do caudal, é o produto do rendimento do
circuito hidráulico da turbina do gerador e dos restantes componentes que constituem a
microhídrica. Assim, toma-se como valor empírico que é aceite para pequenos
aproveitamentosum rendimento médio, cerca de 60% [27].
P eléctrica anteprojecto = ρ × η × Q × H (5.19)
Peléctrica anteprojecto = 9,807m.s-2
× 0,6× 60 l/s × 1,9 m (5.20)
Peléctrica anteprojecto = 670W (5.21)
Capitulo 5 – Testes e Resultados
Moinhos de Ponte de Lima 85
Resultados Experimentais
Com a finalidade de validar as estimativas de produção de energia eléctrica
estimadas no ponto anterior, foram efectuadas alguns testes cujos resultados se
apresentam em seguida
Uma vez instalado o conjunto turbina/gerador ligou-se á sua saída o equipamento
descrito no ponto 4.5.2 e4.5.3 para alimentar um conjunto de cargas de diferente valor.
Estas cargas consistiram num conjunto de receptores eléctricos (basicamente
aquecedores e grelhadores adquiridos no mercado que foram ligados em diferentes
configurações série/paralelo para proporcionar diferentes valores de potência
consumida).
Através dos valores obtidos na Tabela 6, resultante da concretização dos testes de
potência, foi elaborada a curva de potência do grupo turbina/gerador, criada em folha de
cálculo.
Os valores da resistência (carga) foram obtidos com recurso à equação da lei de
Ohm. De igual modo, a potência eléctrica dissipada em forma de calor foi obtida pelo
produto da tensão e corrente, resultante dos testes efectuados.
Assim, através dos valores obtidos na tabela anterior, resultante da concretização
dos testes de potência, foi elaborado a curva de potência grupo turbina/gerador, criada
em folha de cálculo (Tabela 6).
Tabela 6 - Características eléctricas do conjunto electroprodutor
Capitulo 5 – Testes e Resultados
86 Moinhos de Ponte de Lima
Através da análise dos dados obtidos nos testes de potência do conjunto
electroprodutor verifica-se que o valor de maior potência (441W, Figura 70) foi obtido
quando o gerador rodava a uma velocidade próxima das 58 r.p.m.
Os resultados de potência obtidos estão bastante abaixo do valor inicialmente
estimado (670 W) e a diferença dificilmente poderia ser explicada apenas pelo facto de
os testes não teremsido feitos exactamente nas mesmas condições de caudal. Depois de
estudado o problema, chegou-se à conclusão de que o rendimento do gerador utilizado é
de apenas 63%, bastante abaixo do valor típico (cerca de 80%), mesmo para máquinas
de pequena potência.
No entanto é previsível que nas mesmas condições de caudal, utilizando um
gerador de melhor rendimento e depois de alguns melhoramentos introduzidos em todo
o sistema, nomeadamente com a optimização da saída da água da turbina e a limpeza do
curso do leito do rio a montante e a jusante, se possam atingir valores próximos dos
estimados.
Figura 70 - Curva de Potência do conjunto electroprodutor
Moinhos de Ponte de Lima 87
CAPÍTULO 6
Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro
6.1. Introdução
Neste capítulo apresentam-se as conclusões mais importantes do projecto
desenvolvido, assim como também são expostas algumas sugestões de trabalho futuro,
que permitirão melhorar o desempenho do sistema microprodutor.
6.2. Conclusão
Esse trabalho enquadra-se num projecto de maior dimensão que, deverá contar
apoio do município de Ponte de Lima. A ideia seria montar num moinho do concelho,
previamente seleccionado, um sistema de microgeração hídrica, com o principal
objectivo de demostrar a viabilidade/interesse do projecto, a começar pelos próprios
autarcas do município.
As principais dificuldades na gestão do projecto tiveram a ver com o cumprimento
de prazos. Uma empresa de Braga que se disponibilizou para construir a turbina “de um
de dia para o outro”, acabou por levar mais de 6 meses para a entregar, por outro lado, o
processo de aquisição dos equipamentos destinados à interface com a rede eléctrica foi
também muito demorado, nomeadamente por motivos burocráticos associadas à
tesouraria da UM e da empresa à qual o material foi adquirido. Estas situações
originaram um atraso significativo no processo de conclusão da instalação para
demostração.
Através do estudo efectuado, foi possível concluir que o potencial hídrico em
Portugal é considerável. Os moinhos antigos surgem como pontos de excelência para
implementar este tipo de solução tecnológica: não requerem investimentos avultados em
infra-estruturas de construção civil, e a reabilitação energética alavanca uma possível
reabilitação da integridade destes imóveis, aumentando muito o valor do património.
Surge assim um incentivo natural à reabilitação de antigos moinhos para turismo
rural, valorizada pela componente de produção de energia limpa. Somente na região de
Ponte de Lima existem centenas de locais com antigos moinhos, abandonados ou não,
habitualmente em grupos de duas ou três unidades.
Numa fase inicial, o projecto consistia na construção de um sistema electrónico
capaz de realizar o interface do microgerador hídrico à rede eléctrica. Após um estudo
Capitulo 6 – Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro
88 Moinhos de Ponte de Lima
de mercado sobre os dispositivos necessários para realização do projecto chegou-se à
conclusão que seria vantajoso adquirir um conjunto rectificador-inversor, que integrasse
todas as funcionalidade pretendidas para a instalação piloto. Isto deveu-se
essencialmente ao facto de existir pouco tempo disponível para a implementação de um
sistema completo no moinho e também devido ao facto dos dispositivos adquiridos
serem certificados e homologados. Juntamente com a aquisição de material efectuada
foi também desenvolvido um quadro eléctrico que permitiu fazer alguns testes iniciais
no moinho.
Em geral entende-se que os objectivos principais do projecto foram atingidos.
Inicialmente foi feita uma pesquisa sobre a legislação existente para a microgeração, e
foi também realizada uma pequena pesquisa de mercado s
Tendo como referência a actual instalação piloto, conclui-se que será possível
construir aproveitamentos micro-hídricos idênticos, a custos aceitáveis e interessantes
quando comparados com os de outras tecnologias renováveis de potência equivalente.
Em termos de mercado, foi possível verificar que existe um nicho muito
interessante na área da microgeração hídrica, e que esta solução tecnológica pode ser
competitiva com outras tecnologias na área das energias renováveis.
A análise económica comparativa feita do sistema microhídrico com o sistema solar
fotovoltaico para microgeração em regime especial, mostra que o sistema microhídrico é
um melhor investimento. Isto é possível porqueo sistema microhídrico tem um custo de
instalação inferior e consegue produzir energia quase ininterruptamente, apesar da
electricidade produzida ser vendida a uma tarifa mais baixa.
Relativamente ao retorno do investimento para o sistema desenvolvido, para uma
potência estimada de 670W e com um investimento inicial de aproximadamente 5000€,
obtem-se uma facturação anual de 771€. Isto significa então, que o retorno do
investimento seria feito em 6 anos e meio.
Por último, refira-se a propósito que foi realizada uma visita à instalação piloto,
organizada pelos responsáveis do projecto, pelas entidades autárquicas, concretamente
Sr. Presidente da Câmara (Eng.º Victor Manuel Alves Mendes), o Vice-presidente
(Gaspar Correia Martins) e assessor do município de Ponte de Lima, havendo boas
perspectivas em relação à continuidade do projecto.
Capitulo 6 – Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro
Moinhos de Ponte de Lima 89
6.3. Trabalho Futuro
Como propostas de trabalho futuro, destacam-se alguns aspectos relevantes,
contribuindo, deste modo para uma optimização de todo o sistema microprodutor. Os
principais trabalhos futuros incidem essencialmente na modificação e limpeza do canal
de restituição da água a montante e jusante do moinho. Com a turbina em
funcionamento, verificou-se que a saída da água se encontrava com algum
estrangulamento, prejudicando o escoamento e naturalmente a permanência de alguma
água no interior da voluta. Assim um aumento de área da saída da voluta e
consequentemente a limpeza do canal da mesma proporcionariam um aumento do
rendimento do conjunto electroprodutor.
Para realizar uma optimização de todo o sistema electroprodutor, seria vantajoso
construir uma comporta manual a ser implementada no canal a montante do moinho, na
entrada da conduta forçada. Actualmente, a abertura e bloqueio da passagem da água
para a turbina é efectuada com recurso a pequenos pedaços de madeira (tábuas).
Adicionalmente, uma das propostas de melhoria seria implementar um sistema de
monitorização de dados recolhidos no moinho. Isto seria possível visto que o contador
electrónico possui comunicação por RS232/ RS485 e um módulo GSM.
90 Moinhos de Ponte de Lima
Referências
[1] E. Commission, International Energy Outlook 2009, vol. 484, no. May. 2009.
[2] Ipcc, “Intergovernmental Panel on Climate Change.” [Online]. Available:
http://www.ipcc.ch/. [Accessed: 2011].
[3] EIA, “U.S. Energy Information Administration,” 2006. [Online]. Available:
www.eia.gov.
[4] IEA, “International Energy Agency,” 2006. [Online]. Available: www.iea.org.
[5] J. Ramage, Guia da Energia, Monitor - . 2003, p. 352.
[6] N. Tanaka, “World primary energy demand by fuel in the Reference Scenario,”
Renewable Energy. 2010.
[7] “APREN - Associação Portuguesa de Energias Renováveis.” [Online]. Available:
http://apren.pt/dadostecnicos/index.php?id=96&cat=,. [Accessed: 2010].
[8] Ministério da Economia e do Emprego, “Caracterização Energética Nacional.”
[Online]. Available: http://www.dgge.pt/.
[9] “Energias Renováveis no Século XXI: construir um futuro mais sustentável,” no.
2006. Comissão das Comunidades Europeias, pp. 1-24, 2007.
[10] “Comissão Europeia.” [Online]. Available: http://ec.europa.eu/index_pt.htm.
[11] Wikipédia, “Interacção Gravitacional, Marés.” [Online]. Available:
http://pt.wikipedia.org/wiki/Maré. [Accessed: 2011].
[12] “Energias Renováveis,” 2009. [Online]. Available:
http://www.energiarenovavel.info/.
[13] “Programa nacional de barragens com elevado potencial hidroeléctrico
(pnbeph).” Governo de Portugal, 2007.
[14] “Portal das Energias Renováveis,” 2009. [Online]. Available:
http://www.energiasrenovaveis.com.
[15] “Plano Nacional de Barragens com Elevado Potencial Hidroeléctrico,” Geota,
2007. [Online]. Available:
http://www.geota.pt/scid/geotaWebPage/defaultArticleViewOne.asp?categoryID
=721&articleID=1937.
[16] Rede Eléctrica Nacional, “Ren.” [Online]. Available: http://www.ren.pt.
[17] Snirh, “Sistema Nacional de Informação de Recursos Hídricos,” 2011. [Online].
Available: http://snirh.pt/.
Moinhos de Ponte de Lima 91
[18] “Ministério da Economia e do Emprego,” Energia, 2007. [Online]. Available:
http://www.min-
economia.pt/innerPage.aspx?idCat=186&idMasterCat=62&idLang=1.
[19] Inag - Instituto da Água, “Programa Nacional de Barragens de Elevado Potêncial
Hidroeléctrico.” [Online]. Available: http://pnbeph.inag.pt/np4/home.html.
[Accessed: 2011].
[20] “SELM - Sistemas e Microelectrónica u. lda.” [Online]. Available:
http://www.selm.pt/html/hidrica.html. [Accessed: 2010].
[21] “Verde Solar Green Energy.” [Online]. Available:
http://verdesolar.com/default.aspx. [Accessed: 2010].
[22] “Decreto-Lei n.o 118
a/2010 de 25 de Outubro de 2010.” Estado Português, 2010.
[23] “EDP - Energia de Portugal,” Tarifário 2010 - de 2,3 a 20,7kVa. 2010.
[24] “Hidroenergia.” [Online]. Available:
http://www.hidroenergia.com.br/br/index.php?i=adequacao. [Accessed: 2010].
[25] A. Bandi, W. Bogenrieder, W. Braitsch, C. Clauser, Y. Dafu, M.N. Fisch, G.
Gökler, A. Goetzberger, H. Haas, D. Hein, K. Heinloth, V. Huckemann, J. Karl,
H.J. Laue, A. Neumann, E. Pürer, S. Richter, W. Shuqing, W.-oh Song, M.
Specht, T. Strobl, and W.V. Walsum, “Energy Technologies (Subvolume C:
Renewable Energy).” 2006.
[26] D.K.-H. Grote, D.E. Antonsson, G. Aherns, G. Byrne, S. Bacha, S. Baksi, M.
Chłosta, N.I.C. Machado, F. Dammel, R.S. Esfandiari, and B. Denkena,
“Handbook of Mechanical Engineering,” 2008.
[27] “Union of International Associations,” 2010. [Online]. Available:
http://www.uia.be/s/or/en/1100065583.
[28] R. M. G. Castro, Introdução à Energia Mini-Hídrica. .
[29] “GForum - A turbina Pelton.” [Online]. Available:
http://www.gforum.tv/board/568931-post4.html.
[30] G. Inc., “Pelton Turbines - Technical Brochure.” 2010.
[31] “Cink - Hydro Energy,” 2011. [Online]. Available: http://cink-hydro-
energy.com/en/pelton.
[32] “Wikipédia - Turbina Pelton,” 2005. [Online]. Available:
http://pt.wikipedia.org/wiki/Turbina_Pelton.
[33] “GForum - Turbina Francis,” 2008. [Online]. Available:
http://www.gforum.tv/board/876/184081/tipos-de-turbinas-
hidraulicas.html#post568931.
92 Moinhos de Ponte de Lima
[34] “Panoramio Groups.” [Online]. Available:
http://www.panoramio.com/photo/11793894.
[35] “Indian Institute of Technology,” 2008. .
[36] J. P. do C. P. da Rocha, “Metodologia de projecto de sistemas de produção
deelectricidade descentralizada baseados em Energia Hídrica.” Faculdade do
Porto.
[37] “Campo de indução magnética.” [Online]. Available:
http://limao.blogs.sapo.pt/arquivo/584612.html.
[38] T. Ackermann, Wind Power in Power Systems. 2005.
[39] “Apontamentos da disciplina de Energias Renováveis do Professor Doutor João
Luiz Afonso.” .
[40] Selm, “Documento de Trabalho - Micro Aproveitamentos Hídricos,” Micro, no.
mm. www.selm.pt, Braga, 2010.
[41] “Selm - Sistemas e Microelectrónica,” 2011. [Online]. Available:
http://www.selm.pt/.
[42] “Verde Solar - Energias Renováveis,” 2011. [Online]. Available:
http://verdesolar.com/default.aspx.
[43] “Energy4all - Catálogo Microhídricas.” Energy4all, 2009.
[44] “HCF - Energias Renováveis,” 2011. [Online]. Available:
http://www.hcfportugal.com/web/index.php?option=com_content&view=categor
y&id=16&Itemid=27.
[45] T. L. Skvarenina, The Power Electronics Handbook - Industrial Electronics
Series. Indiana: Purdue University - West Lafayette, 2002, pp. pp. 194-212, 408.
[46] M. H. Rashid, Power Electronics Handbook. University of West Florida, 2001,
pp. pp. 225-267.
[47] “SMA - Solar Technology.” [Online]. Available:
http://www.sma.de/en/products/solar-inverters/sunny-boy/sunny-boy-1200-1700-
2500-3000.html.
[48] “Fronius International,” 2011. [Online]. Available:
http://www.fronius.com/cps/rde/xchg/SID-BB00F364-
DBCD69ED/fronius_international/hs.xsl/83_318_ENG_HTML.htm.
[49] “KACO new energy,” 2011. [Online]. Available: http://kaco-
newenergy.de/en/site/0/produkte/photovoltaik/netzgebunden/page/produkte/index
_cat03.xml.
[50] “Power One - renewable energy,” 2011. [Online]. Available: http://www.power-
one.com/renewable-energy/products/solar/string-inverters.
Moinhos de Ponte de Lima 93
[51] “Farnell,” 2011. [Online]. Available: http://pt.farnell.com/.
[52] “Semikron,” 2011. [Online]. Available: http://www.semikron.com.
[53] André Gomes Moreira de Matos, “Desenvolvimento de uma Turbina Banki para
Aplicações Micro-Hídricas,” Universidade do Minho, 2010.
[54] “Western Electric Australia,” 1997. [Online]. Available:
http://www.westernelectric.com.au/Help/howdoes.html
94 Moinhos de Ponte de Lima
Anexos
A. Fluxos monetários a vinte anos para sistemas fotovoltaicos e hídricos
Ano Tarifa (€/kWh) Energia (kWh) Fluxos Monetários
Ano 0 -16.500 €
Ano 1 0,40 € 5744,2 2.298 €
Ano 2 0,40 € 5686,7 2.275 €
Ano 3 0,40 € 5629,8 2.252 €
Ano 4 0,40 € 5573,5 2.229 €
Ano 5 0,40 € 5517,8 2.207 €
Ano 6 0,40 € 5462,6 2.185 €
Ano 7 0,40 € 5408 2.163 €
Ano 8 0,40 € 5353,8 2.142 €
Ano 9 0,40 € 5300,4 1.272 €
Ano 10 0,24 € 5247,4 1.259 €
Ano 11 0,24 € 5194,9 1.247 €
Ano 12 0,24 € 5143 1.234 €
Ano 13 0,24 € 5091,8 1.222 €
Ano 14 0,24 € 5040,6 1.210 €
Ano 15 0,24 € 4990,2 1.198 €
Ano 16 0,13 € 4990,2 641 €
Ano 17 0,12 € 4890,9 604 €
Ano 18 0,12 € 4842 568 €
Ano 19 0,11 € 4793,6 548 €
Ano 20 0,11 € 4745,6 515 €
Total 104647 29.270 €
Mês Energia Eléctrica (kWh)
Janeiro 1494.67
Fevereiro 1245.56
Março 1162.52
Abril 1079.48
Maio 996.45
Junho 913.41
Julho 747.33
Agosto 664.3
Setembro 747.33
Outubro 996.455
Novembro 1162.52
Dezembro 1494.67
Total 12704.73
Tabela 7 - Fluxos monetários a 20 anos para sistema solar fotovoltaico de 3,5kW
Tabela 8 - Produção de Energia Eléctrica para sistema micro-hidrico
Moinhos de Ponte de Lima 95
Ano Tarifa (€/kWh) Energia (kWh) Fluxos Monetários
Ano 0 -9.559 €
Ano 1 0,16 € 12705 2.033 €
Ano 2 0,16 € 12705 2.033 €
Ano 3 0,16 € 12705 2.033 €
Ano 4 0,16 € 12705 2.033 €
Ano 5 0,16 € 12705 2.033 €
Ano 6 0,16 € 12705 2.033 €
Ano 7 0,16 € 12705 2.033 €
Ano 8 0,16 € 12705 2.033 €
Ano 9 0,16 € 12705 2.033 €
Ano 10 0,09 € 12705 1.143 €
Ano 11 0,09 € 12705 1.143 €
Ano 12 0,09 € 12705 1.143 €
Ano 13 0,09 € 12705 1.143 €
Ano 14 0,09 € 12705 1.143 €
Ano 15 0,09 € 12705 1.143 €
Ano 16 0,13 € 12705 1.633 €
Ano 17 0,12 € 12705 1.569 €
Ano 18 0,12 € 12705 1.491 €
Ano 19 0,11 € 12705 1.452 €
Ano 20 0,11 € 12705 1.380 €
Total 254100 32.679 €
Tabela 9 - Fluxos monetários a 20 anos para sistema micro-hidrico de 3,5kW
96 Moinhos de Ponte de Lima
B. Especificações do gerador utilizado (GL-PMG-1000)
Moinhos de Ponte de Lima 97
C. Gama de hidrogeradoresdiponíveis pela empresa Energy4all
98 Moinhos de Ponte de Lima
D. Especificações do rectificador utilizado
Moinhos de Ponte de Lima 99