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Este trabalho apresenta um aplicativo desenvolvido em ms excel® para ajudar moradores de áreas rurais a decidirem sobre a adaptação de rodas d'água existentes em suas propriedades para a geração de energia elétrica. O aplicativo utiliza uma abordagem técnico-econômica e considera fatores como vazão d'água, altura da queda d'água, diâmetro da roda, comprimento da tubulação adutora, distância até a utilização, tensão da rede e rotação do gerador. Além disso, o aplicativo calcula a potência elétrica disponível, especifica o gerador elétrico, determina o diâmetro da tubulação adutora, exibe a rotação da roda d'água e o fator de multiplicação de velocidade, e mostra o investimento necessário para a adaptação.
O que você vai aprender
Tipologia: Provas
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Desenvolvimento de aplicativo de análise técnica e econômica para adaptação de uma roda d’água acionada por cima para geração de energia elétrica no meio rural.
Guaratinguetá 2011
Trabalho de Graduação apresentado ao Conselho de Curso de Graduação em Engenharia Mecânica da Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, como parte dos requisitos para obtenção do diploma de Graduação em Engenharia Mecânica.
Orientador: Prof. Dr. Teófilo Miguel de Souza
Guaratinguetá 2011
Agradeço à Maria Aparecida Carneiro de Souza, por cumprir com o papel de mãe em sua plenitude. Ao Anderson Carneiro de Souza, pelo suporte no período inicial de minha vida acadêmica. À Ligia, pela sua inestimável companhia, carinho e dedicação em me sustentar em todos os momentos desta minha difícil caminhada. Obrigado. Ao Eduardo Dix Fuchs, por me guiar no desenvolvimento deste trabalho com suas brilhantes idéias. Ao meu orientador Teófilo Miguel de Souza, pela sua disposição e paciência em me orientar nesse trabalho.
SOUZA, J.C.; Desenvolvimento de Aplicativo de análise técnica e econômica para adaptação de uma roda d’água acionada por cima para geração de energia elétrica no meio rural. 2011. 60f. Trabalho de Graduação em Engenharia Mecânica – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, UNESP – Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2011.
Considerando a necessidade de se obter energia elétrica a baixo custo e a existência em larga escala de rodas d'água no meio rural, foi desenvolvido um aplicativo, em MS Excel ®^ , para fazer uma análise técnico-econômica para auxiliar na determinação da viabilidade de adaptação de uma roda d'água, acionada por cima, para a geração de eletricidade (utilizando um gerador de imã permanente). Este aplicativo calcula (por meio de parâmetros de entrada, tais como altura da queda d'água e vazão d'água) a quantidade de potencia gerada pelo conjunto roda-gerador, além de calcular o valor a se investir para efetuar tal adaptação (considerando a aquisição de tubulação adutora, gerador elétrico e cabo elétrico para o transporte da eletricidade gerada). Foram realizadas pesquisas acerca de equipamentos disponíveis no mercado para se formar um banco de dados a ser utilizado pelo aplicativo. Foi criado também um tutorial para explicar o funcionamento do aplicativo (sendo de fácil utilização devido à sua interface “amigável”), mostrando todas as suas funções, incluindo simulações com exemplos práticos. Por fim, foram feitas as considerações finais as conclusões sobre o trabalho.
PALAVRAS-CHAVE : energia, roda d’água, geração de eletricidade, gerador elétrico, MS Excel ®^ , VBA, aplicativo.
SOUZA, J.C.; Development of a software of techninical and economic analysis for the adaptation of a water wheel diven up to generate electricity in rural areas. 2011. 60f. Graduation Thesis as Requirement for the Mechanical Engineering Course – Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, UNESP – Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2011.
Considering the necessity in getting low electric energy on a large scale with water wheels in the rural environment, an applicable was made, in Microsoft Excel ®^ , in order to analyze technical-economic to assist in determining the ability of adapting these wheels to generate electricity (using a permanent magnet generator). This software calculates (using of input parameters, such as falling water’s height and water flow) the amount of power generated by the wheel-generator in addition to calculating the amount invest to accomplish this adaptation (considering the purchase of water main pipe, electric generator and electric cable to transport the electricity generated). Studies were carried out on equipment available in the market to form a database to be used by the software. It was also created a tutorial to explain the software functions (being easy to use because of your “friendly” interface), showing all your functions, include simulations with practical tasks. Finally, the finals considerations were made the conclusions about this work.
KEYWORDS : energy, water Wheel, electricity generation, electric generator, MS Excel ®^ , VBA, software.
12 Trabalho de Graduação em Engenharia Mecânica
UNESP – Campus de Guaratinguetá
Com os avanços tecnológicos alcançados ao longo dos últimos 50 anos a energia elétrica disponível nas cidades tornou-se algo trivial. Todavia na zona rural de muitas cidades brasileiras a realidade é outra, pois ainda existem muitos lugares onde a disponibilidade de energia elétrica é um luxo. Programas como “Luz no campo” e o seu sucessor “Luz para todos” (ambos do Governo Federal) intentam suprir a deficiência energética rural. Porém ainda há muito a se fazer para que todas as famílias brasileiras que vivem no campo possam ter acesso à energia elétrica. O intuito deste trabalho é de auxiliar o morador da zona rural na tomada de decisão quanto à adaptação de uma roda d'água (acionada por cima), existente na propriedade, para geração de energia elétrica, visto que esta é uma forma simples de se obter energia elétrica no meio rural. Pois basta a existência de uma queda d’água, com vazão suficiente, para girar a roda d’água e gerar energia elétrica por meio de um gerador (de imã permanente) acoplado à mesma. O escopo deste trabalho consiste no desenvolvimento de um aplicativo em Microsoft EXCEL ®^ - com o auxilio do Visual Basic for Applications (VBA) - para uma ágil avaliação do potencial energético e de viabilidade econômica de uma roda d'água já instalada, considerando os valores de vazão d’água e do desnível útil de água.
13 Trabalho de Graduação em Engenharia Mecânica
UNESP – Campus de Guaratinguetá
1.1 Estrutura do trabalho
O estudo está dividido em sete partes. A primeira trata-se da introdução teórica do assunto, que servirá como base para o desenvolvimento do aplicativo. Na segunda parte os conceitos teóricos do primeiro capítulo são utilizados para montar a base de cálculo do aplicativo. No terceiro capítulo é apresentado um banco de dados de equipamentos e materiais, com suas especificações, disponíveis no mercado brasileiro. Parte deste banco de dados alimentará o aplicativo “E-Roda”. O quarto capítulo explana sobre o funcionamento do aplicativo. No quinto capítulo é feita uma prova funcional do aplicativo, com dois exemplos fictícios de aplicação. O sexto capítulo refere-se às conclusões e trabalhos futuros. A sétima e última parte trata-se das referências utilizadas como base para a realização desse estudo.
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UNESP – Campus de Guaratinguetá
As máquinas hidráulicas são as responsáveis pela utilização da energia hidráulica. Estas se desenvolveram ao longo do tempo e atualmente são as máquinas de melhor rendimento, podendo chegar a 90% (JUNIOR, 2007). Para países que possuem grande quantidade de rios e relevos adequados, a principal forma de se obter energia elétrica é através da energia hidráulica, disponíveis nas quedas d'águas existentes. O Brasil é um exemplo, onde 85% da energia elétrica produzida vêm das chamadas hidrelétricas (JUNIOR, 2007).
1.2.3 Centrais hidrelétricas
As centrais hidrelétricas, de acordo com Junior (2007), aproveitam um desnível existente em um curso d'água, mas podem também criar este desnível (ou aumentá-lo), por meio de construção de barragens. A passagem da água do nível mais elevado pela turbina hidráulica realiza a conversão de energia hidráulica em mecânica, e a energia mecânica é transformada em elétrica por meio do gerador elétrico, sendo assim utilizada para alimentação da população. As grandes centrais hidrelétricas estão mais associadas a grandes barragens e grandes reservatórios, além de impactos sócio-ambientais severos. Já as Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCH’s) os impactos ambientais e a capacidade de geração de energia são menores, além de custos unitários de instalação e operação maiores que as grandes centrais (JUNIOR, 2007). As Micro-Centrais Hidrelétricas (MCH’s) é uma das formas mais ambientalmente amigáveis de produção de energia elétrica (JUNIOR, 2007). As PCH’s são classificadas pelo Manual da Eletrobrás (1982) da seguinte forma:
Tabela 1.1: Classificação de PCH’s (Eletrobras, 1982).
Fonte: http://www.cerpch.unifei.edu.br/oque.php Porém, segundo o Centro Nacional de Referência em Pequenas Centrais Hidrelétricas (CERPCH) sugere uma reclassificação conforme Tabela 1.2.
Categoria Potência Queda D'água Microcentral Menor que 100kW Entre 15 e 50 metros Minicentral Entre 100 kW e 1 MW Entre 20 e 100 metros PCH Entre 1 MW e 10 MW Entre 25 e 130 metros
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UNESP – Campus de Guaratinguetá
Tabela 1.2: Reclassificação das usinas (CERPCH).
Fonte: http://www.cerpch.unifei.edu.br/oque.php Essa segunda classificação é mais adequada à realidade do projeto em questão, pois é mais segmentada. Assim, pode-se concluir que a geração de energia elétrica por meio de uma roda d'água é considerada uma Pico Central Hidrelétrica (pCH).
1.2.4 Roda D’água
As primeiras rodas d'água (ou também chamadas de rodas hidráulicas) foram construídas por volta de 200 a.C. (LINSINGEN, 2003), perdurando seu uso até os dias atuais através dos moinhos de água. Sua evolução culminou nas atuais e potentes turbinas hidráulicas das centrais hidrelétricas, que geram até milhões de watts de potência. Segundo Macintyre (1983) roda d’água (ou roda hidráulica) é uma máquina motriz rudimentar, de bom rendimento, em que a água atua com a predominância de um dos tipos de energia que possui, de acordo com o tipo da roda. Também de acordo com Macintyre (1983) seu uso é restrito a fazendas, sítios e pequenas indústrias, onde são utilizadas para acionar moinhos, engenhos de serra, bombas e pequenos geradores elétricos. Esta última utilização é o enfoque deste trabalho. Considerando este enfoque pode-se considerar a roda d'água como um tipo de hidroturbina, pois segundo Potter e Wiggert (2004) hidroturbinas extraem energia útil da água que escoa num sistema de tubulação, onde esta energia é transformada em energia cinética de rotação. Esta energia é representada através de um torque no eixo rotativo da hidroturbina, que pode acionar um gerador elétrico.
Hidrelétricas Potência Grandes Centrais (GCH) Acima de 50MW Médias Centrais (UHE) De 30 e 50 MW Pequenas Centrais (PCH) De 1 e 30 MW Mini Central (mCH) De 100 até 1000 kW Micro Central (mCH) De 20 Até 100 kW Pico Central (pCH) Até 20 kW
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UNESP – Campus de Guaratinguetá
Figura 1.2: Geração de torque em uma roda acionada por cima.^ Esse torque gerado no eixo da roda é utilizado para gerar energia elétrica, por meio de um gerador elétrico acoplado ao eixo da roda, conforme Figura 1.3.
Figura 1.3: Roda d’água acoplada a um gerador.^ Como regra prática para as instalações desse tipo de roda, deve-se evitar ao máximo o choque da água com a caçapa, no momento da entrada da água na mesma, fazendo com que a água entre com uma velocidade tangente à pá, que forma uma das paredes da caçapa (MACINTYRE, 1983).
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1.2.5 Tubulação Adutora
Para transportar a água do manancial até a roda d'água é necessário especificar a tubulação que transportará o fluído. Assim é necessário especificar um diâmetro mínimo que suportará a vazão d'água determinada.
Figura 1.4: Especificação do diâmetro da tubulação adutora.^
