APROVEITAMENTO DE QUEDAS D’ÁGUA PARA GERAÇÃO DE ENERGIA

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APROVEITAMENTO DE QUEDAS D’ÁGUA PARA GERAÇÃO DE ENERGIA 
ELÉTRICA COM TURBINAS PELTON DE CERÂMICA EM ATÉ 200 W 
 
Mário Kawano1
Roberto K. Onmori2
 
RESUMO 
Neste trabalho mostra-se um projeto bastante prático, para ajudar as pessoas de pequenas 
propriedades a terem mais conforto e se afastarem da exclusão social através do uso da 
energia elétrica gerado no local. 
Tenta-se transformar o processo de geração de energia elétrica em artesanato, pois se 
procurou não utilizar máquinas sofisticadas e caras na construção dos elementos do 
gerador de energia elétrica. Abre-se uma linha de pesquisa em novos materiais para 
construção de pequenas turbinas. Evita-se qualquer degradação ao meio ambiente. 
Vários locais como a Mata Atlântica e regiões interioranas possuem pequenas quedas 
d’água e podem ser aproveitadas para a geração de energia elétrica para baixo consumo como 
lâmpadas do tipo “PL”, televisão, celular, geladeira e alguns pequenos 
equipamentos agrícolas. 
O objetivo do trabalho é mostrar o que tem sido feito na prática para essa finalidade pelos 
alunos de graduação na construção das turbinas: 
a) usando barro para construção de pás, b) montagem da roda Pelton, c) montagem final da 
roda ao gerador (motores DC sucateados), c) canalização da água e geração de energia, d) 
acumulo da energia gerada em bateria (de carro), e) uso do “nobreak” de computadores para 
obter a tensão AC de 110V. 
 
Palavras chave: Hidrogerador, pico-usinas, energia alternativa, turbinas cerâmicas. 
 
1 Centro Universitário da FEI mkawano@fei.edu.b, PUC-SP kawano@pucsp.br 
2 Escola Politécnica da USP roberto.onmori@poli.usp.br 
UP TO 200WATTS ELECTRICAL ENERGY GENERATION BY USING LITTLE 
WATER FALLS AND PELTON CERAMIC TURBINES 
 
ABSTRACT 
The principal motivation of this work is to develop a practical and low cost project of 
electrical energy generation, giving opportunity to people from isolated places, such as little 
farms, of having access to electricity; and therefore more comfort. 
This method transforms the electrical energy generation into a non-manufactured activity. A 
remarkable advantage of the developed system is that no sophisticated machine is required; 
and moreover, no damages to the environment are caused. These facts make the necessity of 
studying new materials for turbines imperative. 
Little falls from many places, such as ‘’Brazilian Mata Atlântica” and country regions, can 
be used for electrical energy generation of low consumption. This energy is enough to PL 
Lights, televisions, refrigerators, few agriculture equipments and other appliances. 
This work shows how engineering students have developed the Turbines: a) the 
Pelton split buckets made of clay; b) the Pelton Wheel construction; c) piping system and the 
use of the DC motors for electrical generators; e) the battery for the energy storage; f) the 
110V AC “nobreak” for the installation. 
 
Key words: Hydraulic generator, little waterworks, alternative energy, ceramics turbine. 
 
 
Objetivo 
Produção de energia elétrica com potências inferiores a 200 Watts a partir de um sistema não 
poluente, no caso quedas d’água, uso de materiais de baixo custo tornando o sistema 
artesanal, melhoria na qualidade de vida, conscientização do beneficiário à 
conservação e possível ampliação da vegetação nativa visando manter ou aumentar a 
quantidade de água necessária no local, ministrar um curso de manutenção do 
sistema gerador e uso racionalizado da energia elétrica. 
 
 
 
1.Introdução 
Quando a energia elétrica começou a ser utilizada, a vida humana tem ficado muito mais 
confortável. Aproximadamente oito milhões de brasileiros ainda não possuem e nem 
usufruem do conforto da energia elétrica. Sem essa energia, é necessário o uso de 
compostos químicos normalmente poluentes e descartáveis. 
Muitas famílias moram em pequenas propriedades rurais afastadas das redes elétricas 
e não têm condições financeiras para arcar com os custos da instalação. Por outro lado uma 
parte dessa população vive a beira de serras de onde conseguem água potável e têm 
as pequenas quedas d’água, que possa vir a gerar a sua própria energia elétrica. 
Muitos aparelhos eletro-eletrônicos necessitam dessa energia como geladeira, telefonia 
celular, televisão entre outros. A partir dela, caminhos são iluminados tornando o dia mais 
longo e mais produtivo, alimentos são conservados por um período mais longo e as 
informações chegam mais rápidas. Um exemplo típico seria a campanha de vacinação. 
Para a família onde foi instalado o sistema e usufrui dessa energia gerada, é fornecido um 
curso de utilização e manutenção do sistema, conscientização e racionalização no seu uso 
para não haver desperdício. 
Orienta-se a família ou a população local para conservá-la ou aumentar a vegetação nativa ao 
redor dos veios de água para manter a quantidade de água necessária para abastecer a turbina 
assim como propagar o conhecimento para os vizinhos que possuem condições para a 
instalação do sistema. 
 
O trabalho apresentado é social e sem fins lucrativos. 
2.Metodologia e Resultados 
- 2.1 A motivação. 
Os alunos de graduação da Pontifica Universidade Catódica de São Paulo (PUC) e da 
Faculdade de Engenharia Industrial (FEI) precisam aplicar seus conhecimentos teóricos e 
essa é uma oportunidade onde os conceitos adquiridos em mecânica dos fluidos, 
instalações elétricas e noções de física são amplamente utilizadas no projeto. 
As universidades Católicas normalmente exigem um determinado número de horas de 
dedicação em trabalhos comunitários de seus graduandos, que poderão levar muitos 
benefícios e alegrias com esse enfoque de trabalho. 
 
- 2.2 A escolha da turbina e seu desenvolvimento. 
A turbina Pelton foi escolhida por que se adequou melhor às quedas de água além de 
necessitar de pouca vazão. A turbina é quem extrai a energia da água, transferindo o 
movimento cinético para um movimento rotacional fazendo o gerador girar. A construção de
 turbinas Pelton usando cerâmica não exige nenhum
 maquinário especial ou dispendioso. A matéria prima é o barro e pode ser 
moldado de maneira simples e artesanal conforme a figura 1 e 2. O primeiro passo foi a 
construção do modelo que consistiu em colocar dois ovos de codorna em gesso em 
processo de endurecimento, como pode ser visto na figura 1. Observando-se os desenhos 
das conchas de uma turbina Pelton, nota-se uma grande semelhança com ovos de aves. 
Os ovos de codorna eram os que se aproximavam mais das medidas dessas conchas, isso 
levando em consideração a contração da cerâmica após a queima. Após a cura do gesso, os 
ovos foram retirados e o restante da concha foi desbastado. O modelo foi tornado 
perfeitamente liso e assim foi possível fazer o molde com massa plástica. Foi usado o barro 
da própria região, facilmente encontrado, para a construção das conchas e, para cada concha 
moldada, o molde era encerado com cera desmoldante. A figura 2 mostra alunos do 
quarto ano de engenharia elétrica construindo voluntariamente conchas para turbinas. As 
conchas ficaram no Sol por uma semana a fim de ficarem o mais seca possível. A primeira 
queima foi feita a 1000 graus Celsius. Após chegarem a temperatura ambiente, as conchas 
são pintadas com tinta para cerâmica e finalmente recozidas pela última vez a 980 graus 
Celsius. Uma vez definido o diâmetro da turbina, parafusam-se as conchas emum 
disco, que pode ser uma roda plástica de carrinho ou de bicicleta. O rendimento destas 
turbinas é superior a 70%. 
- 2.3 Obtenção e uso da energia elétrica. 
O gerador de energia elétrica utilizado é um simples motor de corrente continua 
(D.C.), encontrado em grande quantidade nas casa de sucatas eletrônicas de São Paulo. A 
energia fornecida pelo gerador é condicionada (regulador de voltagem) e armazenada em 
uma bateria de carro de 12V. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1 Construção do modelo em gesso com ovos de codorna. Figure 1 Model construction 
in gypsum using tinamou eggs. 
 
 
Figura 2 Alunos moldando conchas 
Figure 2 The students shaping the splic buckets. 
Um “nobreak” transforma a tensão DC de 12V em AC 110 ou 220V. O “nobreak” pode ser 
um obsoleto, também encontrado em casas de sucatas, pois as empresas normalmente
 substituem esses equipamentos por outros mais modernos. Para a 
iluminação, usam-se lâmpadas do tipo compactas e eletrônicas (PL) de baixo consumo (6 
a 9 W) e de grande eficiência luminosa. Em locais onde a comunidade é grande e se faz 
necessário o uso de refrigeradores, coloca-se um “nobreaks” de maior potência (700W), mas 
infelizmente ainda não são encontrados facilmente em casa de sucatas, necessitando a sua 
compra. 
 
- 2.4 Teoria e equacionamento. 
A equação do comportamento do gerador pode ser escrita pela equação de Pouillet: 
U = E - rI (1.0) 
onde U é a tensão de saída do gerador, E é a tensão gerada, r é a resistência interna do 
gerador e I a corrente fornecida. Multiplicando (1.0) por I chega-se a 
UI = �EI - rI2 (1.1) 
onde UI é a potência de saída do gerador, r*I² é a potência perdida na resistência interna do 
gerador, E*I é a potência recebida da turbina e � é o rendimento da turbina. Devido a queda 
de tensão no diodo e na fiação, que está ao redor de 1 V, esse valor deve ser 
acrescido a tensão mínima da bateria e com isso chega-se a U = 11 V. 
 
Figura 3 Levantamento das características do gerador em vazio (curva superior) e com uma 
carga de 3 Ohms (curva Inferior). 
Figure 3 No load generator characteristics is shown in the upper straight line and with a 3 
Ohms load is the lower straight line. 
A equação (1,1) fica: 
11I = 0,6 * 125 – 1,3 I2 (1.2) 
e resolvendo (1.2) tem-se I = 4,5 A. Como nos interessa a tensão E, basta dividir a 
potência recebida por esta corrente e chega-se a E = 16,8 V. Com esse valor no gráfico da 
figura 3 chega-se a N = 550 RPM. Pode-se calcular a velocidade do jato d’água em função 
do diâmetro D da roda Pelton dada por (1.3): 
V = (D * � * N) / (60 * 0,455) (1.3) 
Para D = 0,29 metros, a velocidade deve ser de V = 18,35 m/s 
Para calcular a altura da queda d’água tem-se: 
H = V2 / (2 * 9,8) (1.4) 
resultando em uma altura de H = 16,8 m. 
O diâmetro de roda de uma bicicleta infantil é de 0,25 metros, sendo que as pás aumentam 
mais quatro cm no diâmetro total da turbina (MACINTYRE,1983). A altura de queda 
necessária para essa roda é de H =16,8m, mas nestas instalações é muito comum quedas 
com 25m ou mais em 100m de mangueiras. A viagem ao local de instalação 
normalmente é muito trabalhosa, principalmente para levar os apetrechos a serem 
utilizados, como pode ser visto pela figura 4. 
Usando manômetro e um bocal de teste, faz-se o levantamento da queda e perda de carga do 
sistema, para o acerto ideal da energia que chega a turbina Pelton. Enquanto um grupo de 
alunos (do quarto ano da PUC/2005) acerta toda instalação hidráulica, um outro grupo de 
alunos (primeiro ano da PUC/2005) faz a instalação elétrica. Terminado todo o trabalho, os 
beneficiários da residência e outros das proximidades assistem um curso de manutenção do 
sistema e recebem orientações de como manter a vegetação nativa ao redor dos veios de 
água para manter a quantidade de água necessária para abastecer a turbina. Também são 
orientados para a , manutenção periódica do gerador como engraxar os eixos, verificação do 
nível de água da bateria, da rede elétrica, medida de consumo, racionalizar a energia sem 
desperdícios e, principalmente, propagar o conhecimento para os vizinhos que possuem 
condições para a instalação do sistema. 
 
Figura 4 Difícil subida até o local da instalação. Figure 4 Difficult climb up before work 
place. 
 
A figura 5 e 6 mostram respectivamente uma equipe fazendo a instalação elétrica e 
a instalação hidráulica enquanto que a figura 7 mostra o resultado do trabalho. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 5 Aluno fazendo a parte elétrica. Figura 6 Aluno testando a parte hidráulica. 
Figure 5 The students making Figure 6 the student devise hydraulic parts electrical 
installation parts . 
 
Figura 7 - Resultado do esforço. Da esquerda para direita temos: Luiz Fernando, Rafael 
Silvestre, Mario Kawano, Igor Alexandre, Pittelkow, Moacyr Buch, Ednaldo Mareco, 
Esposa do beneficiário, O beneficiário José, Alexandre Reis ,João Batista e o 
fotografo Leandro Pottes. 
Figure 7 The effort result. From left to hight Luiz Fernando, Rafael Silvestre, Mario 
Kawano, Igor Alexandre, Pittelkow, Moacyr Buch, Ednaldo Mareco beneficiary wife, 
beneficiary, Alexandre Reis , João Batista and photographer Leandro Pottes. 
 
3.Resultados e discussão 
Apesar de parecer uma energia muito pequena, ela consegue mudar completamente a vida de 
uma família. Com se um sistema fornecendo apenas 50W tem-se 36Kwh em um mês, que é 
o consumo de muitas famílias de baixa renda. 
As turbinas de cerâmica devem ser melhor estudadas, pois transformam uma 
tecnologia sofisticada em artesanato simples. 
O chuveiro elétrico não pode ser acionado pelo sistema porque exigiria uma potência 
muito elevada do sistema ou do “nobreak”, mas normalmente essas pessoas têm aquecedor 
de água acoplada nos fogões de lenha e também podem usar um aquecedor solar 
social (Kawano,2004). 
Este trabalho deve e pode ser aproveitado por outras universidades, como no caso das 
Católicas cujos alunos são obrigados a terem um determinado número de hora de 
trabalho social. 
As aulas teóricas e praticas sobre o sistema e meio ambiente devem ser lecionadas de 
maneira simples, palavras de fácil compreensão por que a comunidade tem grau de 
instrução muitas vezes básico. 
Atenção aos cuidados com seguranças para não tomar choques elétricos e melhor uso e 
racionamento da energia gerada e acumulada. 
Também disponibilizamos e incentivamos a propagação da tecnologia para outras famílias. 
O sistema é viável e mostrou-se de baixo custo e as famílias ficaram com melhor qualidade 
de vida. 
 
4. Agradecimentos 
- Aos Alunos do primeiro e do quarto ano da PUC (2005), que participaram do projeto em 
especial aos alunos Leandro Pottes e Pablo Rodrigues, que apesar de já terem 
participado da criação do projeto, continuam orientando seus colegas. 
- Ao Centro Universitário da Fei nos forneceu o Laboratório de Mecânica dos Fluidos. 
- A Pontifícia Universidade Católica nos cedeu os fornos para as queimas da cerâmica. 
- A Kanaflex pela doação das mangueiras. 
 
5. Bibliografias 
 
[1] MACINTYRE, A.J. Máquinas motrizes hidráulicas. Rio de janeiro: Guanabara Dois; 
1983. 
[2] Kawano, Mário; Aquecedor Solar Social; I Simpósio Internacional de Ciências 
Integradas da Unaerp Campus do Guarujá; 2004; S.P.