Bombas funcionando como turbinas

Utilização de bombas funcionando como turbinas para acionar geradores de indução

Mateus Andrade Ferreira.

Resumo— Micro centrais hidrelétricas são importantes alternativas que devem ser consideradas no planejamento energético nacional. Nos últimos anos, a categoria vem ganhando cada vez mais expressão, paralelamente ao desenvolvimento de novas soluções tecnológicas neste âmbito. No abastecimento de energia elétrica no meio rural, encontra-se um grande potencial de aplicação desses sistemas, tendo em vista o potencial hidráulico brasileiro. A utilização de BFTs - Bombas Funcionando como Turbinas - substituindo as tradicionais turbinas hidráulicas tem chamado atenção devido às vantagens que apresentam.  Trata-se de um assunto que vem sendo explorado há alguns anos, no entanto, ainda levanta questionamentos a respeito de seu desempenho e viabilidade. Isto se torna um obstáculo para a maior disseminação de BFTs na geração de energia elétrica. Esse trabalho apresenta uma revisão bibliográfica da aplicação das BFTs para o acionamento de motores de indução atuando como geradores, que em substituição aos geradores síncronos ajudam a maximizar o principal atrativo no uso das BFTs, que é o preço reduzido.

Palavras chave: Bombas funcionando como turbinas, Micro centrais hidrelétricas, Motor de indução.

M

1. INTRODUÇÃO

uitos esforços vêm sendo feitos por parte de agentes do setor elétrico, com o intuito de promover o abastecimento de energia elétrica em todo o território nacional, além de ampliar e diversificar a matriz energética brasileira [1]. 

Alguns desses esforços se traduzem na edição de programas, governamentais ou não, que de alguma forma procuram incentivar a disseminação de sistemas de energia renovável.  O Programa Nacional de Universalização do Acesso e Uso da Energia Elétrica – “Luz para Todos” tem atuado nesse sentido [2].

No caso das comunidades rurais isoladas do Brasil as dificuldades de abastecimento de energia elétrica estão fortemente relacionadas às grandes distâncias entre o local da geração e o ponto de consumo, além da baixa demanda de energia. Isto implica em custos muito altos que impossibilitam o abastecimento através da extensão do SIN - Sistema Interligado Nacional. Assim, uma importante alternativa é promover tal abastecimento a partir de fontes renováveis e locais, com base em sistemas isolados da rede elétrica convencional.

Para isso é importante investir em tecnologias mais robustas, que apresentam custos reduzidos, de manutenção e reposição de peças mais acessível tendem a ser mais apropriadas para tais aplicações. Nesse cenário, as pequenas centrais hidrelétricas se apresentam como boas opções.

Dessa forma, um bom meio de reduzir o custo de instalação e operacional da geração é a utilização de bombas como turbinas. Segundo [3] destacam-se como vantagens no uso de BFTs o fato de as bombas serem fabricadas em série – isso diminui o custo tanto de fabricação quanto manutenção, elas não demandam mão de obra especializada para sua manutenção, o esquema de instalação é simples, são equipamentos robustos e suas peças podem ser encontradas com facilidade. E como desvantagens, elas possuem rendimento um pouco inferior se comparado às turbinas convencionais, não possuem um dispositivo de controle hidráulico incorporado e não permitem variações de carga como uma turbina convencional.

Para maximizar um dos maiores atrativos no uso de BFTs que é o custo menor, é muito interessante aliar sua aplicação à de motores de indução como geradores. Segundo [4], para potências até 10kVA o gerador de indução e o banco de capacitores para sua excitá-lo custam a metade do preço de um gerador síncrono equivalente. Para potências até 25kVA esta diferença se reduz para um terço. Outra vantagem que o gerador de indução possui em relação ao gerador síncrono é a sua robustez e ausência de escovas e anéis coletores. A ausência destes elementos reduz bastante a manutenção da máquina de indução, tornando-se praticamente nula se comparada à manutenção no gerador síncrono.

Esse trabalho apresenta a utilização de bombas centrífugas em substituição às turbinas para acionar geradores de indução em pequenas centrais hidrelétricas.

1. OPERAÇÃO

Para que a bomba opere como turbina é necessário que se inverta o sentido do fluxo do fluido, cuja consequência é a inversão da rotação do rotor, como pode ser visto nas figuras 1 e 2.

[pic 1]

Fig.1: Bomba funcionando como bomba-BFB-[5].

[pic 2]

Fig. 2: Bomba funcionando como turbina-BFT-[5].

Para que o rendimento da bomba operando como turbina seja igual àquele da bomba operando como bomba, é necessário que a altura e a vazão da BFT sejam maiores que as da BFB, para a mesma rotação [6]. Estes aumentos são necessários a fim de se compensar as perdas internas da máquina, devido à inversão do fluxo. A consequência disso é o aumento da potência de eixo quando a máquina estiver operando como turbina.

1. SELEÇÕ DA BFT

Como não é o objetivo desse trabalho fazer a seleção de uma BFT para uma instalação real ou sequer para uma simulação, mas sim mostrar como isso é feito, será apresentado resumidamente um dos métodos estudados por [6].

        No uso das BFT a altura e vazão são maiores que as da BFB, então há a necessidade de se desenvolver métodos para selecionar a bomba que vai operar como turbina.  E no Brasil este trabalho foi realizado por [6] e [7], onde foram realizados ensaios em bombas de fabricantes nacionais.

Os resultados destes trabalhos e de outros autores foram coeficientes obtidos experimentalmente, que relacionam a altura e a vazão da BFT e da BFB em função da rotação específica da bomba. Coeficientes estes denominados coeficientes de altura e de vazão. Outro método semelhante foi desenvolvido através de ensaios em bombas foi o de [8] na Europa. Os dois métodos são semelhantes, exceto pelo fato de que [8] leva em consideração o rendimento da bomba nas curvas utilizadas nos ensaios para a determinação dos coeficientes, e [5] utiliza o rendimento da bomba retirado do catálogo do fabricante.  

Portanto, com base nos dados da altura e vazão disponíveis, e na rotação específica, é possível selecionar uma bomba para operar como turbina através dos métodos propostos. No entanto, é importante considerar que estes métodos são aproximados, o que pode levar a diferenças na seleção da bomba correta.

Neste método, a altura e a vazão da bomba são dadas pelas equações 1 e 2.

    (1)[pic 3]

    (2)[pic 4]

Onde:

Hb - altura da bomba utilizada como turbina [m];

CH - coeficiente de altura [1];

Ht - altura disponível no aproveitamento (da BFT) [m];