Vamos analisar construção de uma micro-hídrica numa pequena ribeira de montanha (Serra de Montemuro). A queda é relativamente alta e os caudais reduzidos, o que determina o uso de uma turbina de tipo Pelton.

Finalidade do aproveitamento

O micro-aproveitamento será o mais simples possível, concebido para trabalhar em regime de autoconsumo, com potência até 1.5 kW, em paralelo com rede pública. Esta modalidade dispensa trâmites burocráticos complicados e demorados. A instalação não necessita de contador e energia injectada na rede não será remunerada.

Queda bruta

A queda bruta apurada é de 86.5 m.

Caudal

A estimativa das disponibilidades hídricas determina seguintes valores:

Potencial hídrico

O potencial hídrico deste local, tendo em conta o caudal disponível 105 dias por ano (100 ltr/s), é cca 85 kW. A micro-hídrica seria projectada para esta potência (dava uns 62 kW nos bornes do gerador) se a finalidade fosse venda exclusiva da energia à rede pública.

Potencial a aproveitar

Como necessitamos só 1.5 kW, o potencial disponível não será aproveitado.
Admitindo perdas de carga entre 5% a 10%, queda líquida irá rondar uns 80 m.
No cálculo podemos considerar estes valores:

• rendimento da microturbina Pelton - 81.5%
• acoplamento directo ao gerador, sem transmissão
• motor eléctrico assíncrono, monofásico, de 1.5 kW como gerador, rendimento 70 %, velocidade nominal assíncrona 1390 rpm

Para termos nos bornes do gerador 1.5 kW, o caudal do projecto deve ser 3.3 ltr/s. Este caudal está garantido 365 dias por ano, por isso a micro-hídrica irá trabalhar, em princípio, 8760 horas/ano e produzir 12 500 kWh (disponibilidade 95%).

Captação

A captação tipo Tirolês é das mais simples. Evita entrada de objectos indesejados no circuito hidráulico, incluindo areia. A construção é relativamente simples.

Uma estrutura para envolver no açude.

Conduta

Tendo em conta o caudal do projecto, tubo PEAD, PN 10, DN 63, cumpre os requisitos necessários de uma conduta forçada. É barato e instalação é relativamente simples.

Queda líquida

Vamos admitir as perdas na captação na ordem de uns 30 cm, até entrada na conduta forçada.
A seguir calculamos a perda de carga para conduta forçada . Valores aproximados podem ser consultados aqui.
Um tubo PEAD de DN 63, PN 10 tem diâmetro interior de 53.6 mm. Comprimento é de 150 m.
A velocidade de água não deve passar 1.5 m/s. O cálculo de controlo confirma a velocidade de 1.462 m/s.
Perda de carga calculada na conduta forçada é de 5.19 m.
h_líq = h_b - h_capt - h_CF
(Queda líquida = Queda bruta - Perdas na captação - Perdas na conduta)
h_líq = 86.5 - 0.30 - 5.19 = 81.01 m

Potência no veio da turbina

Potência é calculada por equação seguinte:
P_turb = g x Q x h_líq x η_turb
(Potência no veio da turbina em kW = Constante de Gravitação x Caudal em m³/s x Queda líquida em metros x Rendimento da turbina)
P_turb = 9.81 x 0.0033 x 81.01 x 0.815 = 2.14 kW
(Nota: 1 m³/s = 1000 ltr/s; 3.3 ltr/s = 0.0033 m³/s)

Potência nos bornes do gerador

Potência é calculada por equação seguinte:
P_ger = P_turb x η_ger
(Potência nos bornes do gerador em kW = Potência no veio da turbina em kW x Rendimento do gerador)
P_ger = 2.14 x 0.70 = 1.50 kW

Velocidade do gerador

Vamos usar o motor assíncrono como gerador. O motor escolhido tem velocidade nominal assíncrona de 1390 rpm. Para trabalhar como gerador, a velocidade terá de passar para 1610 rpm.

Cálculo das dimensões principais da turbina

Turbina Pelton é relativamente simples, pode ser fabricada em qualquer serralharia que tenha equipamento básico como torno mecânico, fresa, etc.
Algumas dimensões e características da turbina, calculadas para o local em estudo:
h líq = 81,01 m
Q = 3,3 ltr/s
n.º de pás = 20
Ds = 224 mm
n = 1613 rpm
n embal. = 2903 rpm
P turb = 2139 W
Dd = 250 mm
d = 10,4 mm
D = 13 mm
b = 29 mm
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.)

Modo de funcionamento

O modo de funcionamento é também simples. O motor assíncrono como gerador (tem de estar equipado com um condensador para compensar factor de potência), a trabalhar em paralelo com a rede pública, não precisa de nenhuma regulação (velocidade, tensão, sincronização), nem excitação. Sem estar ligado à rede pública, este tipo de gerador não produz electricidade.

Como fazer o arranque do grupo:

Com a turbina fechada, liga-se o gerador à electricidade (como motor eléctrico vulgar, a consumir energia eléctrica). Quando atingir velocidade nominal (assíncrona, neste caso 1390 rpm), inicia-se a abertura do jacto da turbina, o grupo turbina-gerador começa aumentar velocidade até atingir velocidade nominal de 1500 rpm (neste ponto de equilíbrio não consome nem fornece energia à rede), e a partir daí, a continuar aumentar velocidade, passa a trabalhar como gerador, aumentar a potência debitada à rede proporcionalmente com aumento da velocidade. Quando atingir velocidade de 1610 rpm, estará a trabalhar à plena potência.

O grupo tem de estar equipado com um sistema que, em caso de falha da rede, acciona o deflector (para limitar velocidade de embalamento), e desliga gerador da rede.

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