Crit´ erios para a sele¸c˜ ao de turbinas hidr´ aulicas para micro, mini e pequenas centrais

A maior evolu¸c˜ao em termos de atualiza¸c˜ao, sele¸c˜ao e padroniza¸c˜ao de PCH na Am´erica do Sul tem sido incentivada pela OLADE (Organiza¸c˜ao Latino Americana de Desenvolvimento Energ´etico) e como pa´ıses que melhor seguem essa cartilha podemos citar : Equador, Peru, e a Colˆombia.

Considerando que muitos dos fabricantes de turbinas hidr´aulicas apresentam em seus cat´alogos, s´eries de turbinas padronizadas, ´e relevante revisar as bases conceituais e a metodologia subjacente aos parˆametros determinantes na sele¸c˜ao de turbinas hidr´aulicas.

A potˆencia instalada ´e dada pela f´ormula:

P = γ Q Hu ht

onde:

P = Potˆencia instalada (Watts); Q = vaz˜ao (m3/s);

Hu = altura ´util (m);

γ = peso espec´ıfico da ´agua (9,81 x 103 N/m3); ht = rendimento total; onde

ht= htu hg

htu = rendimento da turbina

hg = rendimento do gerador

Como uma primeira orienta¸c˜ao, o manual da OLADE (Hern´andez, Carlos A., 1980), fornece os rendi- mentos da Tabela 7.5.

Os fabricantes de turbinas geralmente prop˜oem um gr´afico para estimativa de rendimentos de turbinas para micro e minicentrais hidrel´etricas. Os valores de rendimentos podem variar muito, conforme o mercado fabricante e a tecnologia empregada, para todos os tipos de turbinas.

Para rendimentos de geradores, podem ser adotados os valores constantes nos manuais e cat´alogos de fabricantes:

Table 7.5: Rendimentos propostos para avalia¸c˜ao de instala¸c˜oes de micro, mini, e pequenas centrais hidrel´etricas. Turbinas de A¸c˜ao Pelton e Turgo htu hv hh hm Pequenas 0,80 – 0,824 0,97 M´edias 0,85 – 0,87 0,98 Grandes 0,92 – 0,93 0,99 Turbinas de Rea¸c˜ao Francis e Kaplan htu hv hh hm Pequenas 0,82 0,95 0,89 0,97 M´edias 0,86 0,97 0,92 0,98 Grandes 0,94 0,99 0,96 0,99

Geradores s´ıncronos: hg = 0,75 a 0,94 aumentando com a potˆencia.

Geradores ass´ıncronos: hg = 0,68 a 0,9 aumentando com a potˆencia.

Para as transmiss˜oes entre turbina e gerador, quando necess´ario, Niemann, Gustav, 1971, Vol. II, faz uma compara¸c˜ao entre diversos tipos de transmiss˜oes, propondo os seguintes valores:

Acoplamento direto eixo turbina - eixo gerador: h = 1,0; Transmiss˜ao por correia planas: h = 0,96 a 0,98;

Transmiss˜ao por correias em V: h = 0,94 a 0,97; Transmiss˜ao por corrente: h = 0,97 a 0,98;

Transmiss˜ao por redutor com engrenagem: h = 0, 97 n × 0, 98 n + 1, onde n ´e o n´umero de pares de engrenagens.

O tipo de turbina para determinada aplica¸c˜ao pode ser baseado na sele¸c˜ao atrav´es da rota¸c˜ao espec´ıfica. A OLADE prop˜oe o seguinte crit´erio para o c´alculo da rota¸c˜ao espec´ıfica:

Define-se como rota¸c˜ao espec´ıfica, ou ainda velocidade espec´ıfica, o n´umero de rota¸c˜oes por minuto de uma turbina unidade, tomada como padr˜ao da turbina dada, e que representa todas as que lhe forem geometricamente semelhantes, desenvolvendo a potˆencia de P = 1HP, sob uma queda Hu = 1m.

Em fun¸c˜ao da vaz˜ao:

nq = nQ1/2Hu3/4 onde: nq = rota¸c˜ao espec´ıfica n = rota¸c˜ao em rpm Q = vaz˜ao em m3/s Hu = altura ´util em m.

Em fun¸c˜ao da potˆencia:

ns(CV) = n Pt1/2Hu5/4

onde:

Pt = potˆencia no eixo da turbina em CV.

7.1. ENERGIA HIDR ´AULICA 143

ns(CV) = 3, 65 h1/2tu nq

Os valores correspondentes das rota¸c˜oes espec´ıficas s˜ao mostrados na Tabela 7.6.

Table 7.6: Classifica¸c˜ao das turbinas pelas rota¸c˜oes espec´ıficas nq, ns(CV). (htu= 0,84)

Pelton: nq ns(CV)

Lenta - 1 bocal 1 - 3 4 - 10

Normal - 2 bocais 3 - 6 10 - 20

R´apida - 3 ou mais bocais 6 - 9 20 - 30

Turgo: 3 - 7 10 - 24 Fluxo Cruzado: 9 - 60 30 - 200 Francis: nq ns(CV) Lenta 18 - 45 60 - 150 Normal 45 - 75 50 - 250 R´apida 75 - 120 250 - 400 Dupla 45 - 165 150 - 550 Kaplan e Axiais nq ns(CV) Lentas 90 - 135 300 - 450 Normais 135 - 200 450 - 650 R´apidas 200 - 240 650 - 800

O manual “Micro-hydro design manual - a guide to small scale water power schemes” (HARVEY, Adam; e outros, 1998), prop˜oe a seguinte f´ormula para rota¸c˜ao espec´ıfica aplicada somente `as turbinas para micro e minicentrais:

ns(CV) = 1, 2 n Pt1/2/Hu1,25

onde:

ns(CV) = rota¸c˜ao espec´ıfica;

n = rota¸c˜ao no eixo da turbina em r.p.m. Pt = potˆencia no eixo turbina kW;

Hu = altura ´util em m.

Exemplo

Desejamos fazer a sele¸c˜ao do tipo de turbina sendo conhecidos: a vaz˜ao Q = 60 l/s, a altura Hu = 60m

e a rota¸c˜ao no eixo da turbina n = 1.150 rpm (gerador ass´ıncrono, 6 p´olos, 60 Hz). Soluc¸c˜ao: Calculando-se a potˆencia da turbina com um rendimento de 76%, tem-se:

P t = 9, 81 × 0, 060 × 60 × 0, 76 = 26, 84kW.

Utilizando a f´ormula da rota¸c˜ao espec´ıfica indicada da equa¸c˜ao anterior, chega-se a: ns(CV) = 42, 8rpm.

Essa rota¸c˜ao espec´ıfica indica a utiliza¸c˜ao de uma pequena turbina de fluxo cruzado com o diˆametro do rotor de 0,3m.

7.1.7 O Programa Nacional de PCHs

No ´ınicio de 1984 foi aprovado pelo Governo brasileiro o Programa Nacional de PCHs como os seguintes objetivos a curto, m´edio e longo prazo:

Redu¸c˜ao do consumo de derivados de petr´oleo, principalmente ´oleo diesel, que comanda as importa¸c˜oes brasileiras de ´oleo cru, na gera¸c˜ao de energia el´etrica, inclusive reduzindo o ´oleo gasto no transporte do pr´oprio combust´ıvel.

Idem no transporte urbano-ˆonibus el´etricos e de longa distˆancia, eletrifica¸c˜ao de ferrovias.

Complementa¸c˜ao das condi¸c˜oes b´asicas de forma¸c˜ao de infra-estrutura `a expans˜ao de fronteiras agr´ı- colas, criando condi¸c˜oes para o maior beneficiamento dos produtos e consequente economia no transporte pela diminui¸c˜ao das cargas in natura, melhoria de qualidade de vida local e a gera¸c˜ao de empregos e, conseq¨uentemente, diminu¸c˜ao de migra¸c˜oes internas para os grandes centros.

Alternativa para energiza¸c˜ao rural nos casos em que se apresenta mais competitiva que a extens˜ao de redes de transmiss˜ao ou a implanta¸c˜ao de Pequenas Centrais Termel´etricas.

Suprimento `a ind´ustria de tecnologia que utiliza intensamente a eletricidade, em regi˜oes dotadas de mat´eria-prima, n˜ao justifica a instala¸c˜ao de linhas de transmiss˜ao.

Realiza¸c˜ao de projetos com pequeno prazo de matura¸c˜ao, o que possibilita uma melhor distribui¸c˜ao no tempo dos investimentos e sua r´apida absor¸c˜ao, diminuindo os efeitos inflacion´arios.

Utiliza¸c˜ao de fatores de produ¸c˜ao locais, incluindo forte demanda de m˜ao-de-obra n˜ao especializada. Utiliza¸c˜ao de equipamentos de fabrica¸c˜ao brasileira.

Nesse contexto, cumpre destacar o programa social de PCH em um pa´ıs como o Brasil, principalmente nas regi˜oes Norte e Centro-Oeste, onde existem pequenas popula¸c˜oes, praticamente isoladas do resto do pa´ıs, que necessitam de integra¸c˜ao com os demais centros atrav´es dos meios de comunica¸c˜ao, os quais necessitam de eletricidade para operarem.

A energia, chegando a estas localidades, tornar´a bem mais f´acil a solu¸c˜ao de problemas de educa¸c˜ao, sa´ude, alimenta¸c˜ao e outros, al´em de propiciar a seus habitantes toda gama de lazer que a eletricidade veicula.

Destaca-se, tamb´em, que as PCHs se integram aos sistemas sem, praticamente, modificar os ecossis- temas ou quando provocam modifica¸c˜oes, s˜ao quase e sempre no sentido de uma melhoria dos mesmos, seja em rela¸c˜ao a flora, fauna e condi¸c˜oes de uso em geral.

No Brasil existem algumas particularidades que recomendam o uso das PCHs como um vetor energ´etico importante, destacando-se as seguintes:

a) Caracter´ısticas hidrol´ogicas, topogr´aficas e geol´ogicas altamente favor´aveis a instala¸c˜ao de PCHs. b) Dom´ınio tecnol´ogico, por parte de empresas brasileiras, no estudo, projeto, constru¸c˜ao, fabrica¸c˜ao e opera¸c˜ao de PCHs, a baixos custos, permitindo gera¸c˜ao hidrel´etrica de alta rentabilidade.

c) Existˆencia de milhares de pequenos n´ucleos populacionais e pequenos empreendimentos rurais, onde a PCH promoveria desenvolvimento e criaria futuros mercados para o sistema interligado.

d) Existˆencia de muitos programas sociais dos governos Federal, Estadual e Municipal, de finalidades m´ultiplas, nos quasi a PCH se insere de maneira integrada.

e) Tecnologia export´avel, prevendo-se contribui¸c˜oes das empresas brasileiras na busca do equil´ıbrio da balan¸ca comercial.

De tudo o que foi dito, destacamos dados relativos soamente ao meio rural brasileiro retirados dos ´

ultimos Manuais do Instituto Brasileiro de Geografia e Estat´ıstica (IBGE), que demonstram como as PCHs poder˜ao contribuir para energiza¸c˜ao desse componente.

A LEGISLAC¸ ˜AO

A Portaria N 136 de 06/10/87 do Departamento Nacional de Aguas e Energia El´etrica (DNAEE), estabelece e define PCH como segue:

1. Estabelece que, para fins de an´alise pelo DNAEE do projeto relativo a PCH, ser´a observado os Manuais elaborados pelo DNAEE e ELETROBR ´AS.

2. Define que, para efeito do disposto no item 1, ser´a considerada PCH o aproveitamento que tenha potˆencia instalada total de, no m´aximo, 10 [MW] e pot`encia m´axima, por gerador, de 5 MW.

3. Permite a aceita¸c˜ao de solu¸c˜oes de engenharia e planejamento n˜ao contempladas nos referidos Manuais, desde que tornem mais convenientes o projeto e conduzam a um custo final da energia gerada

7.2. ENERGIA E ´OLICA 145