Sistemas hidrocinéticos com múltiplos rotores

Para aumentar a energia gerada, a hidrodinâmica dos rotores foi melhorada no tipo de perfis utilizados e na geometria das pás. Assim, foi possível aumentar a sustentação, considerando também a cavitação em rotores grandes. Dentro das turbinas de fluxo livre, a turbina de maior difusão chegou a ser o rotor axial com três pás, baixa solidez e maior eficiência. Foram publicadas várias propostas de novas pás (Anyi e Kirke, 2011) (Yavuz e Koç, 2012) (Wu et al, 2013) e sistemas para variar o ângulo de ataque (Bahaj et al, 2007).

Também, foram estudados mecanismos para incrementar a velocidade do escoamento incidente e assim, a potência hidráulica disponível (Equação 2.15). Como resultado, as turbinas tinham uma rotação maior conservando a velocidade específica (Equação 2.19). Isso diminuiu os requerimentos sobre o elemento multiplicador (Ponta e Shankar, 2000) (Bedard

et al, 2005), porém aumentando o investimento inicial (Güney e Kaygusuz, 2010).

No entanto, depois de tais avanços, a única variável restante para ser modificada foi a área do rotor. Certamente, os parques hidrocinéticos aumentam a potência hidráulica disponível ao ter uma área total maior, pois basicamente são similares aos parques eólicos. Atualmente, estudam-se os efeitos de interferência entre rotores para determinar a sua melhor localização relativa, pois a esteira modifica a uniformidade do escoamento que incide sobre os rotores posteriores (vide Figura 2.19). Em alguns casos a velocidade se recupera em uma distância de 10–20 diâmetros de rotor na esteira (Bahaj, 2011) (Mycek et al, 2014).

(a) (b) (c)

Figura 2.19 - Configurações de turbinas hidrocinéticas estudadas para seu uso em parques hidrocinéticos. Nomenclatura: x e y são os eixos do sistema de referência em coordenadas cartesianas, x1 e x2 correspondem às

Além dos parques hidrocinéticos, um incremento na área total para ter mais potência hidráulica disponível pode ser obtido utilizando sistemas multiestágio. Estes sistemas são relativamente atuais, onde vários rotores montados sobre o mesmo eixo de rotação. A seguir, são descritos alguns deles, finalizando com o Grupo gerador “Poraquê”, tema do presente estudo.

2.3.1 Sistemas multiestágio

A disposição dos rotores é similar daquela encontrada em outras turbomáquinas conhecidas como as turbinas a gás, embora com maior separação entre rotores. O primeiro destes sistemas é um projeto conceitual da empresa Hydro Green Energy (HGE, 2002). O sistema foi concebido para que fosse modular, com rotores de diferente diâmetro colocados dentro de uma mesma carcaça. O gerador elétrico é periférico, uma vantagem em arranjos de várias unidades (vide Figura 2.20). Não existem aplicações reportadas deste sistema.

(a) (b)

Figura 2.20 - Sistema multiestágio da empresa norte-americana, Hydro Green Energy.

Outro conceito, apresentado recentemente, é baseado em rotores axiais colocados em uma configuração alternada. Isto é possível com vários eixos paralelos e próximos entre si (vide Figura 2.21). O espaço entre turbinas corresponde a um canal que gera um efeito „jato‟ para equalizar a pressão por trás de cada turbina, melhorando a eficiência. O inventor, o búlgaro George Tonchev Ph.D., já adaptou esta configuração em alguns sistemas hidrocinéticos que operam com fluxo livre e confinado (Tonchev, 2014). Estes sistemas receberam patentes internacionais em 2008 e 2009 (EPO, 2014).

(a) (b)

Figura 2.21 - Sistemas multiestágio baseados no conceito do inventor Tonchev. (a) Pequeno modelo do sistema com três eixos de rotores superpostos, (b) representação gráfica do sistema flutuante.

2.3.2 Grupo gerador “Poraquê”

O nome do sistema foi inspirado na enguia elétrica (Electrophorus electricus), espécie comumente conhecida na Amazônia como “Poraquê” (de Castro, 2010). O sistema original é composto basicamente por uma série de rotores axiais, colocados no mesmo eixo horizontal de rotação comum. Este eixo vai acoplado com outro eixo vertical para transmitir a potência ao multiplicador de rotação, conectado finalmente ao gerador elétrico.

Um sistema externo é o responsável de acondicionar a tensão e a frequência da eletricidade (vide Figura 2.22a). Estes equipamentos são colocados em uma plataforma principal com dois flutuadores laterais, sendo necessário fixar a sua posição em algum lugar do rio. O conceito inclui a possibilidade de conectar mais plataformas flutuantes acopladas em um dos extremos do eixo principal (vide Figura 2.22b).

(a) (b)

Figura 2.22. Grupo Gerador Poraquê. (a) representação CAD, (b) desenho no registro de patente. Nomenclatura: 1- Escoamento, 2-Multiplicador e gerador, 3-Acoplamento, 4-Base e flutuadores, 5-Eixo, 6-

Teoricamente, o escoamento incide sobre todos os rotores produzindo um ganho de eficiência em comparação a um único rotor. A prova do conceito do sistema também considerou rotores de fabricação simples, com o objetivo de estudar um sistema de baixo custo. Esta alternativa favoreceria a viabilidade econômica da tecnologia nos países em desenvolvimento, em comparação a outras opções renováveis.

Os ensaios experimentais foram realizados no canal hidráulico do Laboratório de Pequenas Centrais Hidrelétricas da Universidade Federal de Itajubá. No entanto, devido às restrições operacionais, a largura do canal foi reduzida de 1 m até 0,4 m para trabalhar com profundidades e velocidades mais apropriadas. Assim, alguns parâmetros de projeto importantes do rotor foram definidos como (Bardelli de Rossi, 2009):

 Diâmetro externo (De) igual a 0,3 m;

 Número de pás (z) igual a 4;

 Ângulo da pá (β) igual a 25 graus;

 Fator de estrangulamento (coeficiente de solidez) igual a 0,98;

 Diâmetro interno (Di) de 0,08 m;

 Relação de cubo (Di/De) de 0,267.

A bancada de ensaios incluía uma contração assimétrica e uma estrutura principal, que suportava os mancais, o eixo principal, o sistema de transmissão e o freio tipo Prony (vide Figura 2.23). Este freio utilizava um trecho de correia para restringir por atrito a rotação de uma polia de alumínio, que com ajuda de massas calibradas fornecia um torque equivalente.

(a) (b)

Figura 2.23 - Detalhes da bancada de ensaios do Grupo gerador “Poraquê”. (a) Estrutura e contração assimétrica, (b) freio tipo Prony (Bardelli de Rossi, 2009).

O material de fabricação foi aço inoxidável. As pás foram cordadas de uma chapa de 3 mm de espessura, o cubo foi um cilindro simples com duas perfurações: uma axial para inserir o eixo principal (de 12,7 mm de diâmetro) e outra radial para colocar o parafuso de fixação. Logo, as pás seriam unidas ao cubo com soldagem MIG (Metal Inert Gas) (vide Figura 2.24a). O parafuso de fixação permitiu um posicionamento sem complicações de cada rotor sobre o eixo fabricado em aço e com 12,7 mm de diâmetro.

O procedimento experimental envolvia a medição de variáveis, tanto do escoamento quanto da máquina hidráulica. Para determinar a vazão foi calculada uma curva-chave, relacionando as medições de velocidade com as respectivas profundidades do escoamento, isto é, com as áreas da seção. Um tacómetro forneceu a rotação do eixo principal e o torque foi calculado utilizando o freio de Prony. Foram ensaiados até quatro rotores considerando diferentes separações (0,23; 0,48; 0,73; 1,18; 1,42 e 1;66 m) e defasagens relativas (0, 10, 20, 30 e 40 graus) entre eles (Bardelli de Rossi, 2009).

A eficiência máxima obtida para um único rotor foi de 34% e aumentou até 78% utilizando a seguinte configuração: três rotores separados 0,73 m (equivalente a 2,43 Diâmetros), defasagem de 30 graus, rotação de 94 RPM, velocidade do escoamento de 1,08 m/s, e rotação específica de 680 (Tiago et al, 2010). O diagrama de colina do grupo gerador nestas condições é apresentado na Figura 2.24b. Embora a incerteza das medições não seja reportada, o valor da máxima eficiência supera o limite de Betz (59,3%).

(a) (b)

Figura 2.24 - Detalhes dos ensaios experimentais do Grupo Gerador “Poraquê”. (a) Geometria do rotor, (b) campo de operação experimental para a configuração de máxima eficiência, 78% (Tiago et al, 2010).

Capítulo 3