Estudo de Barreiras Elétricas para Impedimento de

1
Estudo de Barreiras Elétricas para Impedimento
de Entrada de Peixes em Turbinas Hidráulicas
R. E. Lopes , UFMG ; C. B. Martinez UFMG ,J. O. S. Paulino, UFMG, H.N. Braga, UFMG e J.M.
Lopes, CEMIG.
Resumo- Este relatório contém uma descrição sumária dos
trabalhos desenvolvidos durante o anos 2004 e 2005 e apresenta o andamento do projeto Estudo de barreiras elétricas para
impedimento de entrada de peixes em turbinas hidráulicas que
está sendo desenvolvido em conjunto com a CEMIG.
As barragens hidrelétricas constituem-se em obstáculo para o
deslocamento dos peixes ao longo dos rios. O fluxo da água
turbinada atrai os peixes para o canal de fuga e, na busca de
uma via para ultrapassar a barragem, muitos penetram pelo
tubo de sucção das máquinas. Durante as paradas do grupo
gerador para manutenção ou durante as operações do síncrono, que são rotinas corriqueiras em usinas hidrelétricas, os
peixes atraídos ficam aprisionados dentro da tubulação, podendo causar grande mortandade. A eletrosensibilidade dos
peixes se configura nos níveis de tensão e corrente que quando
aplicados aos peixes produzem no mesmo, reações como percepção, orientação, repulsão, paralisia e morte. Baseado nesta
eletrosensibilidade e na predisposição dos peixes em responder
a fenômenos eletromagnéticos iniciou-se um estudo sobre a
influência de campos eletromagnéticos visando a pesquisa de
uma barreira elétrica cuja função é evitar a passagem de peixes em regiões potencialmente perigosas em uma usina hidrelétrica. Esta barreira tem a função de impedir que os peixes sofram lesões corporais que os levariam a morte.
Palavras-chave— Barreira elétrica, proteção de peixes em
áreas de risco.
I. INTRODUÇÃO
O fluxo da água turbinada atrai os peixes para o canal de
fuga e, na busca de uma via para ultrapassar a barragem,
muitos penetram pelo tubo de sucção das máquinas. Durante
as paradas do grupo gerador para manutenção ou durante as
operações do síncrono, que são rotinas corriqueiras em usinas hidrelétricas, os peixes atraídos ficam aprisionados dentro da tubulação, podendo causar grande mortandade.
Nessas condições freqüentemente é exigida intervenção
imediata, como remoção ou aeração, para evitar a mortalidade. O reinicio do funcionamento do grupo gerador nas
operações de síncrono pode ocasionar a morte de peixes em
quantidades expressivas, tanto por danos mecânicos como
por variações bruscas de pressão. As mortalidades de peixes
provocadas dessa forma são consideradas dano à fauna tanto
pela legislação federal (e.g., Lei de Crime Ambientais, Lei
9.605 de 13/02/1998) quanto pela estadual (e.g., lei da pesca
de Minas Gerais, Lei 14.181 de 17/01/2002) e, portanto,
sujeita a penalidades.
Este trabalho foi apoiado pela Companhia Energética de Minas Gerais
Conter a entrada de peixes na tubulação de restituição ou
expulsá-los quando necessário são alternativas para evitar a
mortalidade. Barreira física, como telas ou grades, provoca
perda de carga e de geração, e pode causar um efeito de
empuxo axial na máquina elevado. Desta forma, via de regra
elas não são utilizadas. Esse inconveniente não ocorre com
o uso de barreira elétrica. Peixes são sensíveis a campos
elétricos e podem ser guiados ou afugentados com o seu
uso.
Inicialmente, para verificar a viabilidade do uso de campo
elétrico na tubulação de restituição com objetivo de evitar a
mortalidade de peixes, montou-se em laboratório protótipo
de barreira elétrica em escala reduzida para a realização de
testes. Neste relatório é apresentado o status final de desenvolvimento do projeto
• Desenvolvimento e construção de um modelo
de tubo de sucção e canal de fuga para estudo em
situação de operação de uma turbina hidráulica;
• Estudos de eletrosensibilidade;
• Projeto de uma barreira elétrica.
II. DESENVOLVIMENTO
A. Desenvolvimento e construção de um modelo de tubo
de sucção e canal de fuga
Na primeira etapa do projeto, para realização dos ensaios
projetou-se um canal de onde se pode observar a influência
do campo elétrico sobre o comportamento dos peixes. Para
isso, construiu-se um canal em vidro de formato longo e
estreito, apresentando 1500 mm de comprimento, 400 mm
de altura e 150 mm de largura, sendo essas dimensões proporcionais ao de canal de restituição de turbina hidráulica de
uma pequena usina hidrelétrica. Entretanto, alteraram-se os
contornos arredondados presentes na forma original do protótipo e a altura média para simplificar a construção do modelo. Devido à simplicidade da geometria do canal utilizado,
a introdução dos mecanismos responsáveis pela produção
dos fenômenos elétricos foi facilitada, reduzindo os esforços
no estudo do comportamento dos peixes (Figura 1).
2
Figura 3, Molde do tubo de sucção, em escala reduzida
Figura 1, Canal de teste, comparado ao canal de restituição.
Este molde de isopor foi revestido com uma fina camada
de fibra para que o modelo fosse construído sobre o mesmo
(Figura 4).
No entanto, para a real simulação dos efeitos da instalação
de uma barreira elétrica em um tubo de sucção, torna-se
necessária a construção de um modelo para testes que corresponda fielmente ao protótipo.
Como primeiro passo, foi desenvolvido em CAD um projeto do tubo de sucção (Figura 2) .
Figura 4, Molde pronto para revestimento com fibra de
vidro.
Após as primeiras camadas de fibra o molde interno foi
retirado para receber o acabamento interno e externo.(Figura 5)
Figura 2, Projeto em CAD do tubo de sucção, em escala
reduzida.
Concluída a fase de projeto iniciou-se então a construção
do modelo. Primeiramente foi construído um modelo em
isopor (Figuras 3, 4,).
Figura 5, modelo de tubo de sucção em construção
O canal foi então revestido internamente e externamente e
3
recebeu paredes de acrílico para acompanhamento visual
dos testes que serão realizados dentro do mesmo (Figura 6).
peras e a coloração é prateada. A altura do corpo e o comprimento variam com a espécie. Pode alcançar de 30 a 80cm
de comprimento total dependendo da espécie.
Ecologia: Espécies detritívoras, alimentam-se de matéria
orgânica e microorganismos associados à lama do fundo de
lagos e margens de rios. Realizam longas migrações reprodutivas. São capturadas em grandes cardumes, sendo
espécies importantes comercialmente, principalmente para
as populações de baixa renda.
Pimelodus maculatus (Figura 8), vulgarmente conhecida
como mandi ou mandi amarelo (Vaz et all, 2000). A decisão
pela utilização desta espécie foi baseada na grande incidência de problemas com essa espécie na usinas hidrelétricas.
Sendo esta a espécie com maior incidência de mortandade
em usinas. Sabe-se também que esta espécie realiza a piracema.
Figura 6, tubo de sucção já terminado.
B. Estudos de eletrosensibilidade, Desenvolvimento dos
testes em uma espécie selecionada no laboratório
Parâmetros básicos para escolha da espécie:
Prochilodus lineatus (Figura 7), vulgarmente conhecida como Curimatã ou Curimba (Vaz et all, 2000). A decisão
pela utilização desta espécie foi baseada na grande facilidade de manutenção dos espécimes, sua resistência ao manejo
além da facilidade de aquisição de exemplares para estudo.
Sabe-se também que esta espécie realiza a piracema.
Figura 8, Pimelodus maculatus, mandi.
Caracterização da espécie estudada:
Nome Popular : mandi
Nome Científico: Pimelodus maculatus
Família: Siluriformes Pimelodidae
Figura 7, Prochilodus lineatus.
Caracterização da espécie estudada:
Nome Popular : Curimatã
Nome Científico: Prochilodus lineatus
Família: Prochilodontidae
Distribuição Geográfica: Bacias amazônica e Araguaia-Tocantins (P. nigricans), Prata (P. lineatus, P. scrofa,
P. platensis) e São Francisco (curimatá-pacu P. marggravii,
P. affinnis, P. vimboides). Também foram introduzidas nos
açudes do Nordeste.
Descrição: Peixes de escamas. A principal característica
da família é a boca protrátil, em forma de ventosa, com lábios carnosos, sobre os quais estão implantados numerosos
dentes diminutos dispostos em fileiras. As escamas são ás-
Distribuição Geográfica: O mandi-amarelo (Pimelodus
maculatus), espécie de ampla distribuição geográfica e de
grandes variações cromáticas e até estruturais (Santos,
1954), pode ser encontrado na Amazônia, Guianas, Venezuela, Peru, Bolívia, Paraguai, Argentina, Bacia do Paraná, do
Prata, Rio Uruguai e Rio Iguaçu (Godoy, 1987).
Descrição: peixe de médio porte, alcançando cerca de
quarenta centímetros de comprimento e peso de até 3 kg. O
corpo é alto, e a cabeça é curta e baixa, com a boca terminal
e a fenda bucal ampla, não possuindo dentes no palato. Os
barbilhões maxilares são longos, alcançando a região do
pedúnculo caudal. O dorso é castanho escuro, com 3 a 4
séries longitudinais de manchas negras sobre o flanco. As
nadadeiras possuem manchas negras e pequenas.
Ecologia: De hábito alimentar onívoro com tendência à
ictiofagia (Basile-Martins, 1978; Souza, 1982; Menin &
Mimura, 1991), o mandi-amarelo apresenta ampla plasticidade da dieta. Como na maioria dos peixes de couro, habita
o fundo dos ambientes aquáticos. È um peixe de piracema,
fazendo a migração reprodutiva rio acima para a desova,
que ocorre com a elevação do nível das águas em razão das
4
chuvas. O comprimento médio na primeira maturação sexual varia de 12,5 a 18 cm para machos e 12 a 19 cm para as
fêmeas. É uma espécie abundante e importante na pesca
comercial (Lolis et al., 1996), com ótima aceitação pelo
mercado consumidor (Souza & Torres, 1984).
Descrição dos ensaios
O objetivo dos ensaios foi levantar as características da
eletrosensibilidade do Prochilodus lineatus e Pimelodus
maculatus .
Para realização dos ensaios preliminares projetou-se um
canal de vidro retangular de onde se pode observar a influência do campo elétrico sobre o comportamento dos peixes.
Devido à simplicidade da geometria do canal utilizado, a
introdução dos mecanismos responsáveis pela produção dos
fenômenos elétricos foi facilitada, reduzindo os esforços no
estudo do comportamento dos peixes. Além do mais a geometria retangular do canal facilitou os cálculos para validação de simulações através de dados medidos.
Para a produção do campo elétrico utilizou-se placas paralelas. O campo gerado pelas placas paralelas é mais uniforme,
gerando um gradiente de tensão constante em todo o canal
de ensaio. Os ensaios aconteceram com tensão alternada (60
hz).
Figura 11, Disposição de tensão no canal de teste, cada
cor representa um potencial.
Resultados dos experimentos.
As curimbas ensaiadas variaram de 8 a 17cm, com peso
entre 4,5 e 31,7 gramas.
Um ábaco com a eletrosensibilidade do Prochilodus lineatus é mostrado ( Figura 12). Os Mandis ensaiados variaram
de 7,8 a 20,3cm, com peso entre 25,6 e 68,3 gramas. Um
ábaco com a eletrosensibilidade do Pimelodus maculatus é
mostrado (Figura 13).
Figura 12, ábaco de eletrosensibilidade do Prochilodus
lineatus.
Figura 9, Característica do potencial entre as placas.
Figura 13, ábaco de eletrosensibilidade do Pimelodus
maculatus.
Figura 10, canal de teste de eletrosensibilidade.
Estudo comparativo
Com essa configuração geométrica temos uma distribuição de campo muito homogênea, o que permite avaliar o
comportamento do peixe sobre a aplicação de campo elétrico.
A eletro-sensibilidade dos peixes que habitam a região da
usina é um dos fatores mais importantes em um projeto de
barreira elétrica. Como a barreira deve repelir todos os tipos
de peixes, se faz necessário comparar a eletro-sensibilidade
5
por espécie. Um ábaco é mostrado na figura 14, com os valores de campo associados ao comprimento do peixe, para
peixes dentro do tamanho de maturação sexual.
Figura 14, ábaco de eletrosensibilidade do Pimelodus
maculatus e Prochilodus lineatus
A resposta eletrocomportamental do Pimelodus maculatus se mostrou bem diferente do Prochilodus lineatus, com
uma resposta à paralisia com a metade da tensão aplicada.
Logo a faixa de tensão que separa o limiar de agitação do
limiar de paralisia é muito estreita podendo ser inexistente
com o aumento do tamanho do peixe. Outro fator importante é o peso do indivíduo, e á área da secção reta que o peixe
apresenta ao transpor a barreira elétrica.
C. Projeto de uma barreira elétrica.
Inicialmente se pensou na utilização de pares placas para
geração de um campo homogêneo, que teria a distribuição
das tensões como mostrado na figura 15.
Figura 15, Distribuição das tensões do protótipo da barreira elétrica em canal de teste em corte superior.
Essa configuração agrada muito, pois a distribuição de
campo é bem homogênea, porém isso só é conseguido porque as paredes do canal de teste são isolantes (vidro).
Como as paredes do canal de restituição de uma usina
são de concreto e a resistividade do concreto molhado é
muito próxima da água, a simulação da distribuição de campo dentro do canal mostra que a dispersão do campo elétrico
para fora do canal é muito grande.
Isso faz com que se procure soluções para manter o
campo elétrico dentro do canal o mais próximo possível do
projetado. Uma solução é blindar a região do canal de sucção na região da barreira, evitando a dispersão no concreto e
mantendo o campo elétrico dentro da região da barreira .
O efeito da resistividade do concreto sobre o campo elétrico pode ser vista na figura 16 que possui a mesma configuração da barreira mostrada na figura 15, porém com a
resistividade do concreto próxima a da água.
Figura 16, Simulação das tensões da barreira elétrica em
canal de sucção, em corte superior.
Uma outra solução e dispor os eletrodos de forma que o
campo elétrico, apesar da fuga para o concreto mantenha-se
o mais homogêneo possível dentro do canal. Pra isso foi
realizado simulações em que os eletrodos estão dispostos de
forma que um par de eletrodos fique energizado e o seguinte
não, para forçar a permanência do campo dentro do canal, o
resultado pode ser visto nas figuras 17 à figura 20.
Para conseguir um campo próximo de 60 V/m no interior do canal, foi realizado simulações com o aumento das
tensões de 127 V até 880 V. A área em cinza das figuras
mostra a região onde o campo é igual ou superior a 60V/m.
As simulações foram feitas considerando um corte superior
do canal de sucão.
6
Figura 17, simulação da barreira para 220V.
Figura 18, simulação da barreira para 380V
Figura 19, simulação da barreira para 440V.
Figura 20, simulação da barreira para 880V.
7
As simulações das figuras 17 a 20 mostram uma alternativa, mas possuem o inconveniente do campo elétrico próximo da barreira assumir valores muito maiores que 60V/m,
além da formação de ilhas de campo de baixa intensidade.
Isso seria um problema se a barreira ficasse ligada o tempo
todo no potencial maior, mais o campo pode ser modulado
para começar em baixa intensidade e ir aumentando gradualmente e depois diminuir também gradualmente, diminuindo assim o risco para os peixes.
Outra alternativa seria a blindagem das paredes do canal
de fuga. Essa blindagem pode ser feita por material isolante
(borracha, fibra ...). O resultado da distribuição de campo
com a blindagem é mostrado nas figura 21.
Figura 22, Barreira elétrica energizada com tensão máxima,
vista de cima do canal em corte, na configuração gerada
pelo programa de otimização.
O programa de otimização retornou como resultado uma
configuração com somente dois eletrodos dispostos na boca
do canal, energizados de forma a obter uma distribuição de
campo mostrada na figura 22.
Somando as duas soluções, blindagem mais otimização temos os resultados obtidos na figura 23.
Figura 21, Barreira elétrica energizada com tensão máxima,
vista de cima do canal em corte.
Na figura 21, pode ser visto o resultado da blindagem
sobre a barreira. Nota-se que a distribuição de campo na
boca do canal ficou muito próxima da esperada. O problema
de fuga de corrente para o concreto foi eliminado, com isso
o campo dentro do canal ficou mais homogêneo.
Ainda acontece a formação de ilhas de campo, e regiões
de campo saturado acima de 50V/m, porém isso não representa um problema, pois a barreira não trabalha energizada
na tensão máxima todo o tempo. O regime de trabalho da
barreira com blindagem se assemelha ao funcionamento
proposto para a barreira sem a blindagem, ou seja, aplicar
um pulso gradual com uma tensão baixa a principio e aumentar essa tensão gradualmente até atingir a configuração
de tensão máxima, e então cessar o pulso.
Um programa de otimização foi desenvolvido para determinar uma configuração para a disposição dos eletrodos
da barreira, e com isso obter uma barreira mais gradual e
segura para os peixes.
Figura 23, Barreira elétrica energizada com tensão máxima,
vista de cima do canal em corte, na configuração gerada
pelo programa de otimização, com blindagem.
8
A figura 23, mostra a barreira energizada a dois fios com
blindagem das paredes do canal de fuga. O resultado foi
melhor que o esperado, tendo um agrupamento de linhas de
campo de bem uniforme e disposta de forma ortogonal ao
movimento de entrada de peixes no canal de fuga.
A distribuição de campo mostrado nas figuras 21 e 23
foram testadas dentro do canal de fuga construído em modelo reduzido (Figuras 24 e 25) e testado em laboratório reproduzindo bem os resultados simulados com a ajuda do
programa de eletromagnetismo computacional.
As simulações das figuras 17 a 20 mostram uma alternativa, mas possuem o inconveniente do campo elétrico próximo da barreira assumir valores muito maiores que 60V/m.
Isso seria um problema se a barreira ficasse ligada o tempo
todo no potencial maior, mais o campo pode ser modulado
para começar em baixa intensidade e ir aumentando gradualmente e depois diminuir também gradualmente, diminuindo assim o risco para os peixes.
A blindagem das paredes do canal de fuga apresentou
uma boa solução para o problema da fuga de campo para o
concreto, e juntamente com a otimização da posição dos
eletrodos apresentou um resultado dentro dos padrões esperados para o funcionamento da barreira.
Estudos futuros combinando blindagem e otimização da
geometria dos eletrodos são promissores na determinação de
uma barreira, ainda mais segura e eficiente, com um gasto
de energia cada vez menor.
III. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]
Figura 24, barreira montada no canal de fuga.
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
Figura 25, barreira montada no canal de fuga.
Comentários finais
Os Ábacos de sensibilidade elétrica do Pimelodus maculatus e Prochilodus lineatus mostram os níveis de campo
elétrico no qual a barreira elétrica deve trabalhar, porém os
peixes ensaiados passaram muito tempo em cativeiro, o que
pode interferir no resultado final. È necessário realizar mais
ensaios com peixes em estado natural para correção e validação dos ábacos.
Com o problema da fuga de campo para o concreto, novas alternativas estão sendo testadas para encontrar a melhor
configuração da barreira, como a blindagem ou nova geometria para os eletrodos.
BRASIL, Lei Federal nº 9.605 de 13 de fevereiro de 1998. Lei de
Crimes Ambientais. Dispõe sobre as sanções penais e administrativas
derivadas de condutas e atividades lesivas ao meio ambiente, e dá outras providências. Diário Oficial da União, Brasília, 13 de fevereiro
de 1998.Sharma, K. R, ‘Small hydroelectric projects – Use of centrifugal pumps as turbines’, Kirloskar Electric Co., Bangalore, India,
1985.
Gmsh: a three-dimensional finite element mesh generator with built-in
pre- and post-processing facilities, Christophe Geuzaine and JeanFrançois
Remacle,Version
1.60,
14
March
2005.
www.geuz.org/gmsh.
GetDP: a General Environment for the Treatment of Discrete Problems, Patrick Dular and Christophe Geuzaine, Version 1.0.1, 6 February 2005, www.geuz.org/getdp .
Electrical Resistivity of Concrete — A Literature Review by David A.
Whiting and Mohamad A. Nagi. Portland Cement Association 2003
MINAS GERAIS, Lei Estadual nº 14181 de 17 de janeiro de 2002.
Dispõe sobre a política de proteção á fauna e á flora aquáticas e de desenvolvimento da pesca e da aqüicultura no Estado de Minas Gerais, e
dá outras providências. Minas Gerais, Órgão Oficial do Poderes do
Estado, Belo Horizonte.
VAZ, M.M., Torquato, V.C., Barbosa, N.DC. (2000).- "Guia ilustrado
de peixes da bacia do Rio Grande". Belo Horizonte, CEMIG/CETEC.