Micro Central Hidroelétrica com BFT: Energia - PPGEE

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THE 8 LATIN-AMERICAN CONGRESS ON ELECTRICITY GENERATION AND TRANSMISSION - CLAGTEE 2009
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Micro Central Hidroelétrica com BFT: Energia
Renovável para o Abastecimento Rural
D. D. S. Alves, PPGEE / UFMG, S. R. Silva, Prof. Titular, EE-UFMG and C. B. Martinez, Prof.
Associado, EE-UFMG
Resumo: Micro centrais hidroelétricas são alternativas
importantes para o abastecimento de energia elétrica renovável
em regiões rurais. A utilização de BFTs - Bombas Funcionando
como Turbinas - substituindo as tradicionais turbinas
hidráulicas tem chamado atenção devido às vantagens que
apresentam em relação às turbinas. No entanto, ainda existem
algumas incertezas acerca de seu comportamento. Assim, este
trabalho apresenta uma avaliação da bomba funcionando como
turbina operando em velocidade constante e em velocidade
variável, e propõe um sistema de geração de energia elétrica
composto por uma BFT e um gerador síncrono.
Palavras – chave: BFT, micro central hidroelétrica, velocidade
variável.
M
I. INTRODUÇÃO
uitos esforços vêm sendo feitos, por parte de agentes
do setor elétrico, com o intuito de promover o
abastecimento de energia elétrica em todo o território
nacional, além de ampliar e diversificar a matriz energética
brasileira.
Alguns desses esforços se traduzem na edição de
programas governamentais ou não, que de alguma forma
procuram incentivar a disseminação de sistemas de energia
renovável. O Programa Nacional de Universalização do
Acesso e Uso da Energia Elétrica – “Luz para Todos” tem
atuado nesse sentido.
No caso das comunidades rurais isoladas do Brasil as
dificuldades de abastecimento de energia elétrica estão
intimamente relacionadas às grandes distâncias entre a
geração e o ponto de consumo, além da baixa demanda de
energia. Isto implica em custos proibitivos para a energia
gerada. Assim, uma importante alternativa é promover tal
abastecimento a partir de fontes renováveis e locais. Seja com
base em sistemas isolados da rede elétrica convencional ou
com sistemas interligados, neste último caso, incidindo no
_____________________________
Danilo Derick Silva Alves, Mestrando – Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Elétrica - Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Antônio Carlos
6627, 31.270-901, Campus Pampulha - Belo Horizonte, MG, Brasil, (e-mail:
[email protected]).
Selênio Rocha Silva, Prof. Titular, Departamento de Engenharia Elétrica da
UFMG – Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Antônio Carlos 6627,
31.270-901, Campus Pampulha - Belo Horizonte, MG, Brasil, (e-mail:
[email protected]).
Carlos Barreira Martinez, Centro de Pesquisas Hidráulicas e Recursos
Hídricos da UFMG – Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Antônio Carlos
6627, 31.270-901, Campus Pampulha - Belo Horizonte, MG, Brasil, (e-mail:
[email protected]).
contexto da geração distribuída.
Apesar dos esforços, o que se verifica é que tais sistemas
têm encontrado dificuldades de penetração na matriz
energética nacional.
Dentre os principais entraves se destacam os fatores
econômicos, além da impropriedade dos modelos de
planejamento e gestão, que muitas vezes é confundida com
inviabilidade técnica.
De maneira geral, com base na experiência brasileira no
abastecimento de comunidades rurais através de sistemas
baseados em fontes não convencionais, como mostrado por
[5], tecnologias mais robustas, que apresentam custos
reduzidos, de manutenção e reposição de peças mais acessível
tendem a ser mais apropriadas para tais aplicações. Desta
forma, é desejável aumentar e aprimorar o leque de
tecnologias disponíveis para serem utilizadas neste âmbito.
É dentro deste contexto que este trabalho avalia o
desempenho de um sistema hidroelétrico de geração de
energia, de pequeno porte, que opere de forma isolada ou
conectada à rede elétrica e que seja adequado à aplicação em
regiões rurais como comunidades isoladas, cooperativas de
produção, agrovilas, propriedades de produção rural e etc. O
sistema é baseado em uma Bomba Funcionando como
Turbina (BFT) acoplada a um gerador síncrono.
Nos últimos anos, pequenas e micro centrais hidroelétricas
se tornaram uma atrativa área de aplicação de BFTs, neste
nicho, elas substituem as turbinas, que apresentam custos
elevados. Devido ao enorme mercado de bombas de uma vasta
faixa de potência elas se apresentam com uma alternativa
facilmente encontrada, barata e confiável, principalmente, em
se tratando de manutenção, onde apresentam muitas
vantagens quando comparadas às turbinas, que são fabricadas
sob encomenda.
Alguns estudos realizados, como [2] e [4], mostram que a
bomba
hidráulica
funcionando
como
turbina
é
economicamente viável para aplicação em sistemas de
pequeno porte, limitados a um patamar em torno de 150 kW
de potência.
O presente trabalho tem cunho experimental e apresenta
uma avaliação da eficiência do conjunto com o intuito de
investigar a viabilidade de operação da Bomba Funcionando
como Turbina em velocidade constante e em velocidade
variável. Para tanto, foi construída uma bancada de testes na
qual se pôde variar a vazão e altura manométrica disponível e
avaliar a eficiência do sistema em condições diversas. Além
disso, uma alternativa é proposta para conformação da tensão
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e freqüência da energia gerada, de acordo com os critérios de
qualidade da energia.
II. ESTRATÉGIAS DE OPERAÇÃO DA BFT
A utilização de BFTs em sistemas de velocidade constante
consiste basicamente em acoplá-las a geradores síncronos ou
assíncronos com seus estatores diretamente conectados à rede
elétrica. Em aplicações onde não existe a possibilidade de
conexão à rede, estratégias alternativas devem ser buscadas
para se manter a velocidade constante, através de um controle
de carga ou vazão, por exemplo.
A operação em velocidade variável é prevista
principalmente em aplicações onde as condições de vazão
variam. O sistema pode ser implementado utilizando
conversores eletrônicos de potência acoplados a geradores
síncronos a ímã permanente ou com bobina de campo,
geradores assíncronos em gaiola ou duplamente excitados.
A operação de uma BFT em velocidade variável tem o
objetivo de manter a pressão de entrada no sistema constante,
mesmo para vazões reduzidas. Assim se obtêm um
incremento na potência de saída, comparado com a operação
em velocidade constante. No entanto, a eletrônica de potência
necessária para tal significa um aumento substancial no custo
total do sistema.
Para uma avaliação definitiva sobre a viabilidade de
operação da BFT em velocidade variável e constante é
necessário confrontar o incremento na potência de saída com
o aumento do custo do sistema devido à eletrônica de potência
adicional.
III. ESTUDOS DO SISTEMA
A Fig. 1 apresenta o sistema estudado. O grupo gerador
consiste em uma bomba hidráulica fabricada pela EH Bombas
funcionando como turbina, acoplada a um gerador síncrono
trifásico, do fabricante Bambozzi.
A alimentação do grupo foi feita através de dois conjuntos
moto-bomba, associados em série, acionados por inversores
de freqüência. Além dos dados de pressão e vazão, foram
obtidas as medições de velocidade do conjunto, temperatura
dos enrolamentos do estator, correntes de carga e de campo,
tensões de fase e potência ativa trifásica.
A eficiência da BFT para condições diversas pode ser
obtida com base na potência de entrada e saída do grupo e nas
perdas no gerador, de acordo com a Equação (1) a seguir:
η BFT =
Perdas gerador + PSaída
Pentrada
,
(1)
onde,
η BFT
= Rendimento da BFT;
Perdas gerador = Perdas totais no gerador;
PSaída = Potência de saída do sistema;
Pentrada = Potência de entrada do sistema;
Logo, para o estudo da eficiência da BFT é necessário o
mapeamento das perdas totais no gerador síncrono.
A. Estudos da Máquina Síncrona
As perdas na máquina síncrona foram identificadas com
base nos ensaios característicos realizados para diferentes
níveis de velocidade. Nestes ensaios, utilizou-se outra
montagem, na qual a máquina síncrona foi acionada por um
motor de indução previamente ensaiado e alimentado por um
inversor de freqüência. A metodologia utilizada está
disponível no guia do IEEE, vide referência [3].
As perdas totais em uma máquina síncrona podem ser
divididas em:
• Perdas a vazio:
o Perdas Mecânicas;
o Perdas Magnéticas;
• Perdas em curto-circuito:
o Perdas no Cobre;
o Perdas Suplementares;
As perdas mecânicas são aquelas ocasionadas por atrito nos
contatos deslizantes e por ventilação. A Fig. 2 apresenta as
perdas mecânicas em função da velocidade de rotação do eixo
da máquina.
Fig. 1. Foto do sistema BFT – Gerador síncrono.
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Fig. 2. Perdas mecânicas causadas por atrito e ventilação, em função da
velocidade.
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O método de identificação das perdas no cobre não leva em
consideração determinados efeitos como o efeito pelicular,
presente nos condutores, e correntes parasitas que, assim
como no material magnético, estão também presentes no
cobre. Dessa forma, as perdas reais são superiores àquelas
definidas convencionalmente como perdas no cobre. Algo
semelhante ocorre também para as perdas no ferro. A parcela
de perdas não computada é incorporada no que se define
como perdas suplementares. A Fig. 5 apresenta as perdas
suplementares em função da velocidade e da corrente de carga
do gerador.
As perdas magnéticas, comumente chamadas de perdas no
ferro, são subdivididas em duas parcelas, as perdas por
histerese e por correntes parasitas Foucault.
As perdas por histerese são diretamente proporcionais à
freqüência da tensão do estator. As perdas por correntes
parasitas são ocasionadas pela circulação de correntes
induzidas no material magnético da máquina e variam
proporcionalmente ao quadrado da freqüência da tensão do
estator. A Fig. 3 apresenta as perdas magnéticas em função da
velocidade e da tensão nos terminais da máquina.
Fig. 5. Perdas suplementares em função da velocidade e da corrente de
armadura.
B. Estudos da BFT
Fig. 3. Perdas no ferro em função da velocidade e da tensão de estator.
As perdas no cobre decorrem da passagem de corrente
pelos condutores da máquina. Também conhecidas por perdas
Joule, são proporcionais ao quadrado das correntes dos
enrolamentos da máquina. Neste estudo, a excitação da
máquina foi fornecida por uma fonte externa, logo, as perdas
Joule devido à corrente de excitação não foram consideradas
no cálculo de sua eficiência. A Fig. 4 apresenta as perdas no
cobre em função da corrente de carga.
Fig. 4. Perdas causadas por efeito Joule em função da corrente de armadura.
Feito o mapeamento das perdas no gerador, para qualquer
condição de operação do grupo é possível obter suas perdas
totais com base na informação de velocidade, tensão e
corrente de carga. O rendimento da BFT é obtido a partir da
Equação (1), apresentada anteriormente.
Foi realizada uma série de testes nos quais a velocidade da
BFT foi mantida constante enquanto variou-se a potência
extraída no seu eixo. A Fig. 6, a seguir, apresenta o
rendimento da BFT em função da vazão, para diferentes
velocidades.
Fig. 6. Característica do rendimento em função da vazão para velocidades
variando entre 1400rpm e 2400rpm.
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Nota-se que para cada vazão de operação tem-se uma
velocidade na qual a BFT apresenta um rendimento máximo.
Isto significa que é possível obter um ganho considerável de
rendimento para uma determinada faixa de variação de vazão,
trabalhando com velocidade variável.
A Fig. 7 apresenta os rendimentos da BFT operando a
velocidade variável e a uma velocidade constante de
1800rpm.
Fig. 9.
Curva de carga diária representativa de consumidor rural.
(ADAPTADO: Carga 1:Relatório Técnico n° DIE-6454/08 - Cepel, Carga 2 e
Carga 3: Relatório Técnico n° DPP/PER-771/02 - Cepel)
Fig. 7. Característica do rendimento em função da vazão para operação em
velocidade variável e velocidade constante.
A Fig. 8 é obtida aplicando-se as curvas de rendimentos da
Fig. 7 a um aproveitamento com altura de queda de 18mca.
Nota-se que ganhos de potência são atingidos com a operação
a velocidade variável, na medida em que a vazão se afasta da
vazão de máximo rendimento para a velocidade constante.
O Consumidor 1 é representado pela Carga 1. Trata-se da
curva de carga de um sistema de distribuição que atende
consumidores rurais. Portanto, o consumidor 1 é um
consumidor rural “médio”.
O Consumidor 2 é representado pela Carga 2. Caracteriza
uma pequena propriedade rural com atividade de pecuária de
leite. A instalação possui iluminação, bomba d’água, moedor
e ordenhadeira mecânica.
O Consumidor 3 é representado pela Carga 3. Apresenta
baixo poder aquisitivo e hábitos de consumo mais modestos.
A instalação possui iluminação e eletrodomésticos básicos.
Para cada ponto da curva de carga foi avaliado o nível de
vazão necessário para o atendimento da carga. A Tabela I
apresenta as quantidades anuais de energia necessária para o
atendimento dos consumidores, bem como o ganho energético
obtido com a operação a velocidade variável.
TABELA I
GASTOS ANUAIS DE ENERGIA PARA O ATENDIMENTO DOS CONSUMIDORES.
Fig. 8. Potência de saída em função da vazão para operação a velocidade
variável e velocidade constante.
C. Avaliação da Operação a Velocidade Variável
A análise da viabilidade de se operar a BFT em velocidade
variável dependerá primordialmente do tipo de aplicação.
Tratando-se de um sistema de atendimento a uma carga local
e não conectado à rede, a curva de carga demandada
influenciará o desempenho do sistema.
Analisando a Fig. 8, uma potência de 1kW é obtida com
vazões de 10,8 l/s e 11,8 l/s, para os sistemas de velocidade
variável e velocidade constante, respectivamente. A diferença
entre essas vazões representa o ganho de energia obtido ao
optar pela operação a velocidade variável, neste nível de
potência.
A Fig. 9 apresenta três curvas de carga que representam o
consumo diário de três consumidores rurais característicos.
A análise realizada mostrou que com a operação a
velocidade variável obtém-se ganhos anuais de energia de
9,5%, 6% e 11,8%, para os consumidores 1, 2 e 3,
respectivamente.
No caso de um sistema conectado à rede, toda a energia
disponível é injetada e a filosofia de avaliação muda. A carga
demandada é sempre máxima e a variabilidade da vazão
disponível passa a ser o fator determinante.
A Fig. 10 apresenta um perfil típico de variação anual de
vazão. Considerando este perfil, as curvas de potência anual
dos sistemas de velocidade constante e variável são
apresentadas na Fig. 11. Nota-se um incremento de potência
quando a BFT é operada em velocidade variável.
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potência de 10% da potência nominal do sistema, num total
de 10 cargas.
As cargas auxiliares podem ser associadas a aplicações
como aquecimento de água, bombeamento de água, secagem
de grãos, etc. O desempenho do sistema de regulação é
mostrado a seguir. Os resultados foram obtidos através de
simulação.
A Fig. 12 apresenta a variação diária de tensão para o
Consumidor 1. Nota-se que com o sistema de controle a
elevação máxima de tensão se mantém abaixo de +10%.
Fig. 10. Curva típica de variação anual de vazão.
Fig. 12. Curva de variação diária de tensão para o Consumidor 1.
Fig. 11. Curvas de variação anual de potência para o sistema de velocidade
variável e o sistema de velocidade constante.
Considerando as curvas de potência da Fig. 11, o sistema
de velocidade constante gera 6,757MWh durante o ano,
enquanto o sistema de velocidade variável gera 9,158MWh
anuais. O ganho energético obtido com a operação em
velocidade variável é de 2,401MWh para este caso, ou seja,
um aumento de 35,5%.
É importante salientar que este ganho energético é
especificamente relativo ao perfil de vazão apresentado na
Fig. 10. Uma mudança neste perfil acarreta uma mudança nas
produções anuais de energia.
A Fig. 13 apresenta a variação diária de freqüência para o
mesmo Consumidor 1. A elevação de freqüência durante o dia
se mantém abaixo de +5%.
IV. PROPOSTA DO SISTEMA DE GERAÇÃO PARA
ABASTECIMENTO RURAL
Conforme já foi mencionado, para o abastecimento de
energia elétrica em regiões isoladas recomendam-se
tecnologias mais robustas e de custos reduzidos. Assim, neste
item é proposto um micro gerador hidroelétrico que atende
tais requisitos, fornecendo energia elétrica a uma tensão e
freqüência regulada.
O sistema é composto pela BFT acoplada a um gerador
síncrono auto-excitado. As cargas são conectadas diretamente
aos terminais do gerador. O sistema opera em velocidade
aproximadamente constante. A tensão e a freqüência são
reguladas através do controle de cargas auxiliares.
O sistema é projetado para trabalhar com vazão constante e
fornecer potência nominal com velocidade, tensão e
freqüência nominal. Logo, há uma elevação de velocidade,
tensão e freqüência com a redução da demanda de potência. O
controle do sistema é feito através do chaveamento de cargas
elétricas adicionais numa medida adequada para manter estes
parâmetros dentro de limites aceitáveis. Cada carga possui a
Fig. 13. Curva de variação diária de freqüência para o Consumidor 1.
V. CONCLUSÃO
Foi observado que com a BFT operando a velocidade
variável houve um ganho de energia anual gerada de
aproximadamente 35% em relação à operação a velocidade
constante. Entretanto essa alternativa demanda um
investimento em eletrônica de potência (conversor de energia)
para garantir tensão e freqüência constante. No caso do
sistema de velocidade constante, o conversor de energia é
dispensável e o custo do sistema é menor. No entanto, essa
alternativa implicará em uma redução na geração de
aproximadamente 26% se comparada à alternativa com
velocidade variável.
Para um sistema isolado, a análise de viabilidade de
operação a velocidade variável dependerá, efetivamente, da
característica de demanda de carga. Já para um sistema
conectado à rede, a viabilidade de operação a velocidade
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variável dependerá do perfil de variação da vazão disponível
no local.
O sistema proposto ao final do trabalho permite uma
variação de freqüência inferior a 5% e uma variação de tensão
menor que 10%, em relação aos valores nominais. Essa
alternativa, apesar de não atender completamente todos os
critérios de qualidade da energia, pode se constituir em uma
boa solução para o caso de sistemas isolados, pois implica em
um esforço de implantação reduzido.
VI. REFERÊNCIAS
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
A. A. Williams ‘Pumps as turbines: a user’s guide’, IT Publications,
London, ISBN 1-85339-285-5, 1995.
Balarim, C. R.; Targa, Luiz A ; Virgens Filho, Jorim S ; Andrade Filho,
Alceu G ; Wiecheteck, Giovana K . “Custo de Bombas Centrífugas
Funcionando como Turbinas em Microcentrais Hidrelétricas”. Engenharia
Agrícola, Jaboticabal/SP - Brasil, v. v.24, p. 219-225, 2004.
IEEE Guide: Test Procedures for Synchronous Machines, IEEE
Standard 115-1983, Setembro. 1983.
L. Rafael Emílio, “Grupos Geradores de Baixa Potência Acionados Por
Bombas Funcionando Como Turbina,” Dissertação de Mestrado –
Universidade Federal de Minas Gerais. Brasil, 2003.
R. Victor Hugo da Silva, "Energia elétrica renovável em pequenas
comunidades no Brasil: em busca de um modelo sustentável". 440p. Tese
(Doutorado) – Centro de Desenvolvimento Sustentável, Universidade de
Brasília, Brasília, 2007.
SINGH, Punit, Optimization of Internal Hydraulics and of System Design
for PUMPS AS TURBINES with Field Implementation and Evaluation.
345p. Tese (Doutorado) – University of Karlsruhe, Germany, 2005.
VII. BIOGRAFIAS
Danilo Derick Silva Alves. Possui graduação em
Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Minas
Gerais (2006). Atualmente é aluno de mestrado do
Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica da
Universidade Federal de Minas Gerais. Tem experiência
na área de Engenharia Elétrica, com ênfase em Sistemas
de Energia, atuando principalmente nos seguintes temas:
geração de energia e fontes alternativas de energia.
Carlos Barreira Martinez. Possui graduação em
Engenharia Civil pela Faculdade de Engenharia Civil de
Itajubá (1984), mestrado em Engenharia Mecânica pela
Universidade Federal de Itajubá (1988) e doutorado em
Planejamento de Sistemas Energéticos pela Universidade
Estadual de Campinas (1994). Atualmente é professor
associado da Universidade Federal de Minas Gerais. Tem
experiência na área de Engenharia Civil, com ênfase em
Hidráulica, atuando principalmente nos seguintes temas:
pequenas centrais hidrelétricas, planejamento energético, mecanismo de
transposição de peixes, avaliação energética e energia elétrica.
Selênio Rocha Silva, Doutor pela Universidade Federal
da Paraíba (atual UFCG) em 1988, Mestre em
Engenharia Elétrica e Engenheiro Eletricista pela
Universidade Federal de Minas Gerais (1984 e 1980,
respectivamente) Atua, desde 1982, como Professor do
Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade
Federal de Minas Gerais – UFMG, onde se tornou
Professor Titular em 1995. Nos últimos vinte anos,
desenvolve projetos de pesquisa, junto a órgãos de
fomento nacionais, nas áreas de Acionamento de Motores
Elétricos, de Qualidade da Energia Elétrica e de Fontes de Energia Eólica e de
Energia Fotovoltaica. Desenvolveu diversos projetos de pesquisa e
desenvolvimento nos últimos 5 anos, tendo como foco principal a “Integração de
Usinas Eólicas na Rede Elétrica” para COELBA, CEMIG, ONS, COSERN e
CHESF, além de consultorias a indústrias da área de siderurgia e ligas metálicas
nas diversas especialidades que atua. Possui mais de 200 trabalhos publicados
6
em eventos nacionais e internacionais e em revistas especializadas, orientou
cerca de 37 trabalhos acadêmicos (mestrado e doutorado). Encontra-se
orientando
teses de doutorado e dissertações de mestrado junto ao
PPGEE/UFMG, além de várias monografias de especialização e trabalhos de
final de curso.