1_Turbina_Hidrocinetica

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  UM ESTUDO DA VIABILIDADE DE UTILIZAÇÃO DE UMA MINI-TURBINA HIDROCINÉTICA PARA DIFERENTES CONTEXTOS,  UTILIZANDO COMO MODELO O CARREGAMENTO DE UM CELULAR.
Rocha, T. M.; Bezerra, M, A; Silva, R.R.
Instituto Federal de Alagoas, Palmeira dos índios, AL
Eixo Temático nº (I I): Energias Renováveis 
Comunicação Oral
RESUMO
O presente trabalho apresenta, viabiliza e fundamenta a geração de energia elétrica a partir de uma Mini Turbina Hidrocinética, que é composta por um motor elétrico. Acoplado com um circuito eletrônico que objetiva produzir energia por meio da passagem do fluxo da água. O estudo mediante ao Mini gerador transmite a ideia de diminuir o consumo de energia elétrica em pontos de residências, com o intuito de gerar e distribuir energia elétrica descentralizada de baixo custo. A viabilidade e os métodos adotados serão analisados ao longo desta pesquisa, bem como seus materiais e a elaboração de implantação do projeto. A implantação desta medida funcionará de forma complementar para auxiliar e beneficiar o seu aproveitamento sem precisar de grandes investimentos financeiros, concedendo assim o maior acesso a esta tecnologia.  Portanto, é uma tecnologia viável e cabível no ponto de vista para residências, pois além colaborar para a economia do consumo de energia elétrica não causa nenhum dano a natureza, consequentemente tendo o benefício de poder ser facilmente instalada em um intervalo de tempo consideravelmente curto.
Palavras-chave: Energia Elétrica; Energia Hidráulica; Economia; Sustentabilidade; Renovação; Turbina Hidrocinética.
ABSTRACT
The present work presents, makes feasible and justifies the generation of electric energy from a Mini Hydrokinetic Turbine, which is composed of an electric motor. Coupled with an electronic circuit that aims to produce energy through the passage of water flow. The study using the Mini Generator conveys the idea of ​​reducing the consumption of electricity in points of residences, in order to generate and distribute low-cost decentralized electricity. The feasibility and methods adopted will be analyzed throughout this research, as well as its materials and the preparation of project implementation. The implementation of this measure will work in a complementary way to assist and benefit from its use without requiring major financial investments, thus granting greater access to this technology. Therefore, it is a viable and feasible technology from the point of view of homes, since besides contributing to the economy of electricity consumption, it does not cause any damage to nature, consequently having the benefit of being easily installed in a considerably short period of time.
Keywords: Electricity; Hydraulic energy; Economy; Sustainability; Renovation; Hydrokinetic; Smartphone; Turbine.
1 INTRODUÇÃO 
Ao longo da história da humanidade, a grande inovação tecnológica vem marcando o avanço de descobertas, que se não fossem as incansáveis indagações para chegar a tais, não seria possível que o mundo se encontrasse na situação em que está atualmente, a energia elétrica é uma dessas importantes descobertas. Todavia, como a maior parte das intervenções humana na natureza, a geração de energia resulta em abalos ambientais em sua maioria de alto ou baixo grau, conforme a fonte energética utilizada. Um exemplo disso são as Fontes de energias finitas ou esgotáveis, para a maior parte delas, tem como reposição lenta na natureza, já que são resultantes de um processo milenar sob condições específicas de temperatura e pressão. Quanto mais usamos esses tipos de fontes de energias não renováveis, nosso estoque irá diminuir cada vez mais, no total. Temos como exemplos de fontes não renováveis de energia: petróleo, carvão mineral, gás natural e nuclear. 
     A proposta de uma solução que possa crescer exponencialmente e abranger não só o cenário monótono de distribuição de energia e transformar essa fronteira em um potencial economicamente aproveitável, é relacionada a uma possível fonte de energia hidrelétrica que resulta no aproveitamento dos potenciais presentes na rede de distribuição de água, o desenvolvimento desta fonte de energia se dá com a instalação de um mini gerador hidráulico que agirá no conduto da rede de distribuição é interligada a uma provável fonte de energia elétrica, desta forma tem como consequência a utilização dos potenciais existentes nas redes de distribuição de água. O alargamento desta fonte de energia advém com a implantação de uma mini turbina hidrocinética que procederá no canal da rede de distribuição. 
        A geração centralizada de energia também traz riscos envolvidos com a concentração dos problemas, prejudicando grandes regiões por torná-las dependentes de usinas hidrelétricas distante aos centros de consumo. Neste cenário, são necessárias redes muito extensas de distribuição de energia que são suscetíveis a falhas e aumentam a vulnerabilidade da rede. Pensado em uma situação em que fosse necessário interromper as linhas de transmissão, a maior parte das áreas iriam ficar sem energia por um extenso intervalo de tempo até que finalmente fosse corrigido esse problema. Seu princípio de funcionamento utiliza a energia cinética de água e a converte em energia elétrica por meio dos equipamentos adequados. Além disso, pode funcionar em uma grande variedade de rios, desde os pequenos aos grandes, sem interromper o fluxo natural das águas. A viabilidade de sua aplicação depende de estudos das características apresentadas pelos rios tais como velocidade das águas, profundidade, perenidade, presença de entulhos entre outras. (SILVA, 2011)
 	 A problemática apontada é efeito de estudos de observações de referências bibliográficas e acervos publicados, considerando e dando importância ao aprofundamento para as colaborações científicas, O fomento do uso de tecnologias como a da turbina hidrocinética provam como é necessário um meio de geração de energia como esse, por tal tecnologia ser não só renovável, mas também não poluente.
2 MATERIAIS E MÉTODOS:
O conceito de geração descentralizada pode ser resumido pela produção da eletricidade mais próxima ao centro de consumo, além de reduzir o custo da etapa de transmissão, está associada a fontes renováveis fazendo com que diminua os impactos ambientais, sendo possível também gerar energia descentralizada com fontes não renováveis, como por exemplo o gás natural em pequenas turbinas. Por outro lado, temos a geração centralizada, caracterizada por grandes centros de produção de energia elétrica, no que diz respeito ao Brasil, majoritariamente, são as hidrelétricas ou termelétricas, mesmo tendo uma grande capacidade de produzir energia elétrica, tem sua localização muito distante dos grandes centros de consumo, fazendo com que eleve seu custo na etapa da linha de transmissão. O protótipo tem como intuito a gerar energia elétrica através de uma mini turbina hidrocinética, seu funcionamento nas tubulações hidráulicas, se dão pelo passar do fluxo da água por suas pás, a mesmas rodarão de modo que seja transformada a energia hidráulica em elétrica. 
     Pensado como exemplo o carregamento de um Smartphone, podemos imaginar que a energia sendo utilizada para carregar o mesmo, seria um exemplo prático de como pode ser aproveitado o novo tipo de energia. Demonstrando seu potencial elétrico a se gerar energia limpa e renovável os componentes presentes no sistema mecânico são: (1) Pá (2) Eixo (3) bobina (4) Imã (5) Circuito integrado. Ainda através das pesquisas executadas é possível constatar que os valores encontrados na prática são bem próximos daqueles apresentados no estudo teórico, onde aplicando o conhecimento das leis de Ohm, que nos permitiu encontrar valores de determinadas grandezas físicas sem haver a manipulação de algum aparelho específico,  podemos observar nitidamente, na figura 12 que o valor medido pelo multímetro é aproximado ao calculado com a lei de Ohm, deste modo confrontando o estudo teórico com o prático, podemos inferir que o projeto dariacerto se implantado. 
Não se esqueça de sempre dizer em qual fonte foi encontrada cada informação apresentada. Aqui você pode acrescentar algum gráfico e/ou alguma imagem relevante a análise dos resultados.
2.1 Turbina Hidráulica 
É uma máquina hidráulica, que recebe em sua porta de entrada energia mecânica-hidráulica de algum determinado fluido, convertendo assim essa energia em energia mecânica-motriz. Dado que as turbinas são máquinas hidráulicas, sabemos que a energia fornecida em seu eixo mecânico é menor do que aquele fornecida pelo fluido, isso se dá devido a conversão de energia que ocorre, onde ela sua potência vai ser dissipada, ou seja, haverá uma perda na transformação. 
2.2 Escolha do tipo de turbina 
 
 Quando selecionada uma turbina visa atender a demanda de determinados valores de pressão e local de aplicação, os quais necessitam diretamente das condições próprias, o local onde será instalada, para tal escolha depende ainda de outra grandeza, que é o que a turbina irá acionar, no nosso caso iremos aplicar a um celular. Onde a turbina irá carregar o mesmo. Sendo assim precisaremos apenas de uma pressão igual ou inferior a 1.2Mpa, nessas condições teremos uma tensão de saída de 12V, uma potência máxima de saída de 10W e uma corrente máxima de saída de 220mA. Dessa forma será possível manter o carregamento do dispositivo sem que haja perdas ou eleve o tempo de carregamento e por fim gerando sua capacidade máxima de gerar energia. 
2.3 Turbinas de Ação e Reação
Turbinas de ação: As turbinas de ação são conversores hidrodinâmicos que trabalham com a energia cinética provinda do fluxo da água, sendo entregue de forma mecânico-hidráulica e fornecendo na forma mecânico-motriz. O escoamento através do rotor ocorre sem variação de pressão.
 Figura 1: Turbina PELTON
. Fonte: (PXL SEALS).
Um dos locais que mais tem aproveitamento da turbina Pelton no Brasil é em CUBATÃO I localizado no estado de São Paulo com o total de 9 turbinas, Htop/m de 720 e com vazões de 12,0. Com turbinas Pelton de eixo vertical, tem-se conseguido vencer alturas superiores a 1500m e vazões relativamente grandes de tal forma que as turbinas desenvolvam potências em torno de 100.000CV ou mais.
Turbinas de reação: A turbina de reação é uma máquina hidráulica que converte energia mecânica-hidráulica, das formas cinética e de pressão em energia mecânico-motriz. O escoamento através do rotor ocorre com variação de pressão.  
 Figura 2: Turbina KAPLAN.
· Composta por uma hélice onde as 
pás podem ser orientadas
· O fluxo da água varia.
· Taxas de fluxo de 20-30% do 
fluxo nominal.
· Utilizadas em usinas hidrelétricas 
com baixa pressão e baixa pressão 
de água.
 Fonte: (PXL SEALS)
 Figura 3: Turbina FRANCIS.
· Eficiência na faixa de 90%
· Utilizada para alturas de 20 a 700m 
· Tipo de turbina mais usada no 
mundo. 
 
 
 Fonte: (PXL SEALS)
 
PARA CENTRAIS HIDRELÉTRICAS DE BAIXA QUEDA
 TIPO ‘‘S’’
 FIgura 4: Turbina “TIPO S” 
· Aproveitamento de baixas quedas, entre 5 e 20m
· Flexibilidade de operação, simplicidade de montagem e facilidade de acesso e manutenção.
· Faixa de potência de 500 a 5000 kW.
 
 Fonte: (MEUSITE.MACKENZIE
 
 AXIAL BULBO 
 FIgura 5: Turbina AXIAL BULBO 
· Rendimento melhor do que o a Francis em baixa queda.
· No Brasil a turbina axial tem seu uso bastante difundido, aparecendo no inventário das usinas hidrelétricas de pequeno porte do SIPOT como a mais usada depois da turbina Francis.
· No Brasil a turbina axial tem seu uso bastante difundido, aparecendo no inventário das usinas hidrelétricas de pequeno porte do SIPOT como a mais usada depois da turbina Francis.   Fonte: (PXL SEALS)
 
2.4 Turbinas de fluxo cruzado 
As turbinas hidrocinéticas são classificadas de acordo com o alinhamento entre seu eixo e o escoamento, dando origem a duas classes genéricas: eixo horizontal e de fluxo cruzado. As turbinas de eixo horizontal têm seu eixo paralelo ao escoamento de água. Por outro lado a de fluxo cruzado têm seu eixo ortogonal ao fluxo de água, geralmente apresentam configuração como estruturas cilíndricas rotativas, (KHAN et al., 2006).
• Eixo em plano: são turbinas movimentadas pelo arrasto das pás e pouco eficientes, conhecidas como rodas d’água flutuantes, como mostrado na figura.
Figura 6: Turbinas de fluxo cruzado.  
Fonte: (KHAN et al., 2006).
• Eixo vertical: são amplamente usadas na produção de energia por operar em qualquer direção do fluido, contudo possuem um torque  de partida relativamente alto. A turbina Savonious, fig. 1.2(f), é caracterizada por possuir alto torque e baixa rotação, geralmente usadas para bombeamento. Como as pás dispõem de grandes áreas, consequentemente teremos grandes massas de pás e vibrações em velocidades altas. As turbinas Darrieus representadas na figura 1.2 em (b),(c) e (d), permitem um melhor escoamento da água que a Savonious, podendo operar em rotações superiores. A turbina Gorlov mostrada na figura 1.2 (e), apresenta os mesmos atributos da Savonious, diferenciando apenas pelas hélices helicoidais que permitem maior eficiência e estabilidade em altas rotações (GORBAN et al., 2001).
 FIgura 7: Turbinas de fluxo cruzado. 
Fonte: (KHAN et al., 2006).
• Eixo horizontal: As turbinas de eixo horizontal são as mais comuns que as de eixo vertical. Em geral, essa tradição é justificada pela simplicidade construtiva, baixo torque de partida e maior eficiência. A turbina de eixo horizontal pode ser classificada em: de eixo inclinado, ancorada, de gerador submerso e emerso. A turbina de eixo inclinado mostrada na figura 1.3(a) é habitualmente usada em rios pouco profundos ou de grande influência das marés. A turbina de eixo horizontal ancorada ilustrada na 1.3(b), possuem suas bases fixas no fundo do rio e são caracterizadas pelo uso de geradores instaladas nas proximidades do rio. Os rotores de eixo horizontal com mecanismo flutuante podem ter o gerador submerso, como na figura 1.3(d), ou emersos como ilustrado na figura 1.3(c). O baixo impacto ambiental é um dos principais fatores que favorecem a aplicação da turbina de eixo horizontal em países em desenvolvimento, com comunidades pequenas e remotas situadas ao longo de rios com águas de corrente (ELS; BRASIL, 2006). 4 O estudo de turbina hidrocinética de eixo horizontal ainda é muito incipiente e grande parte de sua concepção é feita em analogia com as turbina eólicas. Essa similaridade também é reproduzida em ensaios experimentais, devido a complexidade e custo no desenvolvimento de bancada de ensaio adequada para operação desses rotores. Atualmente, devido ao progresso tecnológico de técnicas computacionais, primeiro é feito um estudo numérico e posteriormenteinicia-se a construção de protótipos e análises experimentais. O estudo numérico aliado a técnicas computacionais de dinâmica dos fluidos computacional apresenta uma grande contribuição no desenvolvimento e otimização de rotores, pois permitem o estudo do escoamento na sua forma integral possibilitando avaliar todos os pontos do escoamento
Figura 8: Turbinas de eixo horizontal. 
 Fonte: (KHAN et al., 2006).
3 RESULTADOS E DISCUSSÕES
3.1 DEMONSTRAÇÃO PRÁTICA DA MINI TURBINA HIDROCINÉTICA
SISTEMA HIDROCINÉTICO EM ESCALA REDUZIDA
Algumas das formas de buscarmos a conscientizar pessoas sobre o uso da das energias renováveis são por meio de meios Lúdicos, didáticos e pedagógicos, para tal fim foi pensando na construção de um protótipo, demonstrando assim o sistema que retrata a energia procedente da Mini Turbina Hidrocinética.  
Através do protótipo apresentado na imagem abaixo, é possível perceber como se dá o funcionamento das tubulações hidráulicas, que ao passar o fluxo da água por suas hélices, a mesmas rodarão de modo que seja transformada a energia hidráulica em elétrica. Como mostrado na imagem foi utilizado (1) Mini turbina hidrocinética, (2) Carregador veicular, (3) Multímetro, (4) Conexões de PVC. O carregador veicular tem a função de reduzir a tensão de saída da mini turbina para que a mesma possa ser utilizada para carregar um Smartphone, pode-se observar que a energia está sendo utilizada para um fim, o que seria um exemplo prático de como pode ser aproveitado o novo tipo de energia.
 Figura 9: Demonstração do protótipo
 Fonte: (Do autor)..
Tabela 1 - Ensaios
	ENSAIO
	REGISTRO A  180º
	TENSÃO DE SAÍDA SEM O CELULAR
	TENSÃO DE SAÍDA COM O CELULAR
	1
	REGISTRO A 0º
	0V
	0V
	3
	REGISTRO A 60º
	4,3V
	2.1V
	3
	REGISTRO A 120º
	7,5
	4,7V
	4
	REGISTRO A  180º
	12.25V
	7,19V
						 Fonte: elaborado pelos autores.
Dessa forma podemos concluir que para um melhor aproveitamento da energia proveniente do mini turbina hidrocinética, devemos usar toda a vazão fornecida pela água sem que a mesma seja defasada ao longo da tubulação, se levarmos em consideração que na maioria dos casos os carregadores de celulares trabalham com tensões entre 4,5 e 5,5 volts, o indicado seria a turbina trabalhar com valores estimados na tabela acima. A lei de Ohm permitem calcularmos importantes grandezas físicas, como a tensão, corrente e a resistência elétrica dos mais diversos elementos presentes em um circuito. A primeira lei de Ohm nos diz que a divisão entre a tensão elétrica pela corrente elétrica nos leva até a resistência elétrica.
R = UxI
Onde:
· R = Resistência Elétrica. ()
· U = Tensão Elétrica. (V)
· I = Corrente Elétrica. (A)
Ao conectarmos um multímetro na escala de tensão, e fazermos com que o fluxo da água consiga excitar as pás da turbina de modo que ela chegue a gerar a sua tensão máxima, teremos um valor aproximado de 12V. Com essa informação conseguimos descobrir a corrente e resistência da mesma.
R=120,5
Logo teremos:
R=24
Também é possível determinar a potência elétrica da mini turbina hidrocinética, por meio da seguinte fórmula.
P = U²/R
Onde:
P = Potência elétrica (W)
U = Tensão elétrica (V)
R = Resistência Elétrica ()
 	Como pudemos observar nos cálculos acima, o valor da potência elétrica da mini turbina está relacionada com os seus valores de tensão e sua resistência, de modo que com a obtenção desses dois dados, foi possível calculá-la sem utilizar o Wattímetro. 
P = 12² / 24
P = 144 / 24
Logo, P = 6W
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS 
A ideia apresentada contribui para a divulgação de como se pode aproveitar a energia proveniente do fluxo da água na forma de energia elétrica, tendo como objetivo principal o uso de energias renováveis que causem baixo impacto ambiental. Por se tratar de um protótipo em escala reduzida tem suas potências pequenas e limitadas. Todavia expõe como uma forma prática de estimular o conhecimento da energia hidrocinética, mesmo sendo uma nova tecnologia, já existe turbinas maiores em atuação podendo gerar e acionar dispositivos domésticos, como foi apresentado em figuras, o projeto nos ajuda a termos uma melhor percepção do funcionamento do mini gerador, dos dispositivos ligados a ela, dos princípios físicos que regem todo o processo, da forma que podemos introduzir essa nova tecnologia em nosso dia a dia, das dificuldades do projeto e conjunto de peças usadas. O modelo abre um leque de pauta para pensarmos em estudos em áreas diversificadas pensando em aerodinâmica das pás, modelagem da estrutura, vibrações e entre outros aspectos teóricos e práticos envolvidos na mesma.
REFERÊNCIAS 
ARAÚJO G. R. ; LOPES W. J. ; CARVALHO E. N. Geração de Energia Através de um Mini Gerador Hidráulico para Carregamento de Lâmpadas de Emergência. I Encontro de Trabalhos Científicos de Engenharia Elétrica Engenharia de Controle e Automação, I ETCEECAU, realizado em Manaus entre 05 e 07 de dezembro de 2018
Silva T. R. M.; FIGUEIREDO S. W. O.; VAZ D. A. Construção de Um Protótipo Hidrocinético em Escala Reduzida para Geração de Energia Elétrica Aplicado a Educação. Congresso Brasileiro de Educação em Engenharia, XXXIX COBENGE, realizado em Blumenau, de 03 a 06 de outubro de 2011 
SONOSKI A. S. K. B. Produção de Energia por Mini e Micro Hidrelétricas na Rede de Distribuição de Água, Dissertação de Mestrado. São Paulo: Escola politécnica da Universidade de São Paulo, 2015
BARRETO E. J. ; FILHO G. L. Pequenos Aproveitamentos Hidroelétricos: Soluções Energéticas para a Amazônia, Ministério de Minas e Energia, Brasília, 2008.
SILVA, P. A. Estudo numérico de turbinas hidrocinéticas de eixo horizontal, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade de Brasília Brasília, 2014,