Micro-hídrica com Turbina Pelton

Introdução

Este estudo apresenta a construção de uma micro-hídrica numa pequena ribeira de montanha (Serra de Montemuro). A escolha de uma turbina Pelton deve-se à elevada queda disponível e ao caudal reduzido, características típicas deste tipo de aproveitamento.

Finalidade do Aproveitamento

O objetivo deste micro-aproveitamento é criar um sistema simples e eficiente para autoconsumo, operando em paralelo com a rede pública. A potência prevista é de 1,5 kW, permitindo evitar trâmites burocráticos complexos.

Gestão da Energia Excedente

Com a crescente instalação de contadores inteligentes, a energia injetada na rede pode ser interpretada como consumo, aumentando a fatura de eletricidade. Para evitar este problema, existem duas soluções:

• Legalização de uma instalação fotovoltaica (PV) – Se houver um sistema fotovoltaico legalizado, o contador é programado para não contar a energia injetada como consumo.
• Utilização de um sistema de dissipação de excedentes – Um controlador de carga pode ser instalado para desviar a energia excedente para um resistor de dissipação, um termoacumulador para aquecimento de água ou um banco de baterias, garantindo o aproveitamento total da energia produzida.

Dados Técnicos

Queda Bruta

A altura total da queda disponível é de 86,5 metros, conforme apurado no estudo técnico.

Caudal Disponível

A estimativa das disponibilidades hídricas apresenta os seguintes valores:

Gráfico da curva de caudais classificados

Potencial Hídrico

• O caudal disponível durante 105 dias por ano é de 100 litros/segundo.
• A potência teórica total do local seria de cerca de 85 kW.
• Em condições ideais, poderia gerar 62 kW nos bornes do gerador, se o objetivo fosse venda de energia à rede pública.

Potencial Aproveitável

Dado que apenas necessitamos de 1,5 kW, a maior parte do potencial não será utilizada.

Considerando perdas de carga entre 5% a 10%, a queda útil será de aproximadamente 80 metros.

📌 Parâmetros do projeto:

• Queda bruta: 86.5 m
• Queda útil: 81.01 m
• Caudal instalado: 3.3 l/s
• Rendimento da turbina Pelton: 81.5%
• Gerador assíncrono monofásico: 1.5 kW, 70% de rendimento
• Velocidade nominal do gerador: 1390 rpm

Com o caudal de 3.3 l/s está disponível durante todo o ano, espera-se um funcionamento de 8760 horas/ano, gerando cerca de 12.500 kWh anuais.

Infraestrutura do Sistema

Captação

A captação será do tipo Tirolês, uma das soluções mais simples e eficientes. Esta configuração evita a entrada de:

• Objetos indesejados (ramos, folhas, detritos).
• Sedimentos finos, como areia, que podem desgastar as pás da turbina.

Ilustração da captação Tirolês

Uma estrutura para envolver no açude

Conduta Forçada

Para o caudal definido no projeto, foi selecionada uma tubagem em PEAD (Polietileno de Alta Densidade), PN 10, DN 63, que cumpre os requisitos hidráulicos e estruturais necessários para uma conduta forçada. Este material é leve, resistente e de baixo custo, além de permitir uma instalação relativamente simples e rápida.

Queda Útil

A queda útil é determinada considerando as perdas na captação e na conduta forçada.

• Perdas na captação: Admitimos uma perda de carga de 0,30 m até à entrada da conduta.
• Perda de carga na conduta: A perda de carga ao longo da tubagem de 150 m é calculada com base no diâmetro interior de 53,6 mm e na velocidade da água, que não deve ultrapassar 1,5 m/s.

Após o cálculo de controlo, a velocidade da água na conduta foi confirmada em 1,46 m/s, resultando numa perda de carga de 5,19 m.

A queda útil é então determinada pela equação:

h_u = h_b - h_capt - h_CF

• h_b = 86,5 m (queda bruta)
• h_capt = 0,30 m (perdas na captação)
• h_CF = 5,19 m (perda de carga na conduta forçada)

h_u = 86,5 - 0,30 - 5,19 = 81,01 m

Potência no Veio da Turbina

A potência disponível no veio da turbina é calculada pela fórmula:

P_turb = g × Q × h_u × η_turb

• g = 9,81 m/s² (aceleração da gravidade)
• Q = 0,0033 m³/s (caudal)
• h_u = 81,01 m (queda útil)
• η_turb = 0,815 (rendimento da turbina)

P_turb = 9,81 × 0,0033 × 81,01 × 0,815 = 2,14 kW

(Nota: 1 m³/s = 1000 l/s; 3,3 l/s = 0,0033 m³/s)

Potência nos Bornes do Gerador

A potência disponível nos bornes do gerador é obtida através da equação:

P_ger = P_turb × η_ger

• P_turb = 2,14 kW
• η_ger = 0,70 (rendimento do gerador)

P_ger = 2,14 × 0,70 = 1,50 kW

Velocidade do Gerador

Será utilizado um motor assíncrono como gerador, com velocidade nominal de 1390 rpm. Para operar como gerador, a rotação deverá ser ajustada para 1610 rpm.

Cálculo das Dimensões Principais da Turbina

A solução adotada para o local é uma Turbina Pelton, que tem um design relativamente simples e robusto, podendo ser fabricada numa serralharia equipada com torno mecânico e fresadora.

Dimensões e Características da Turbina

Parâmetro	Valor
hu (queda útil)	81,01 m
Q (caudal)	3,3 l/s
Número de pás	20
Diâmetro do distribuidor (Ds)	224 mm
Rotação nominal (n)	1613 rpm
Velocidade de embalamento (nembal.)	2903 rpm
Potência da turbina (Pturb)	2139 W
Diâmetro do distribuidor (Dd)	250 mm
Diâmetro do bocal (d)	10,4 mm
Diâmetro do jato (D)	13 mm
Largura da pá (b)	29 mm
Comprimento da pá (l)	23 mm

(Nota: desenho-base de fabrico da turbina (incluindo dimensões e características completas), projectado e calculado para condições específicas, poderá ser fornecidos, caso solicitado.)

Observações Finais

A Turbina Pelton apresenta um elevado rendimento para quedas elevadas e caudais reduzidos, sendo ideal para este projeto.

Os desenhos técnicos de fabrico da turbina (incluindo dimensões e características completas) podem ser fornecidos mediante solicitação, garantindo um projeto otimizado e adaptado às condições locais.

Modo de Funcionamento

O sistema opera em paralelo com a rede pública, utilizando um motor assíncrono como gerador.

• Não requer regulação de velocidade, tensão ou sincronização.
• Não precisa de excitação externa.
• Baixa complexidade de manutenção.

Integração com Comunidade de Energia

Para um melhor aproveitamento do potencial hídrico, esta micro-hídrica poderia ser integrada numa Comunidade de Energia ou fornecer energia a uma unidade industrial.

• Aproveitamento total da energia gerada.
• Redução dos custos de eletricidade para os membros da comunidade.
• Maior independência da rede pública e estabilidade energética.

Conclusão

Este projeto demonstra a viabilidade de um micro-aproveitamento hídrico eficiente para autoconsumo, utilizando uma turbina Pelton e um motor assíncrono como gerador.

• Geração estável de energia durante todo o ano.
• Baixos custos operacionais e de manutenção.
• Funcionamento automático sem necessidade de regulação complexa.

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