Renan Mesquita Santos
Eficiência Energética no Serviço
Auxiliar de uma Pequena Central
Hidrelétrica
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à
Escola de Engenharia de São Carlos, da
Universidade de São Paulo
Curso de Engenharia Elétrica com ênfase em
Sistemas de Energia e Automação
ORIENTADOR: Dr. Frederico Fábio Mauad
São Carlos
2010
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR
QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA,
DESDE QUE CITADA A FONTE.
Ficha catalográfica preparada pela Seção de Tratamento
da Informação do Serviço de Biblioteca – EESC/USP
S237e
Santos, Renan Mesquita
Eficiência energética no serviço auxiliar de uma
pequena central hidrelétrica / Renan Mesquita Santos ;
orientador Frederico Fábio Mauad. –- São Carlos, 2010.
Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em
Engenharia Elétrica com ênfase em Sistema de Energia e
Automação) -- Escola de Engenharia de São Carlos da
Universidade de São Paulo, 2010.
1. Pequenas centrais hidrelétricas. 2. Serviço
auxiliar. 3. Eficiência energética. 4. Impacto
ambiental. 5. Dimensionamento. 6. Avaliação de
desempenho. I. Título.
Sumário
Resumo .......................................................................................................................................1
Abstract.......................................................................................................................................2
1
Introdução...........................................................................................................................3
2
Pequenas Centrais Hidrelétricas – PCH’s ..........................................................................6
2.1
Definição ....................................................................................................................6
2.2
Potencial Hidráulico ...................................................................................................7
2.3
Componentes ..............................................................................................................9
2.3.1
Tipos de turbinas ..............................................................................................10
2.4
Classificação.............................................................................................................14
2.4.1
Quanto à capacidade de regulação....................................................................14
2.4.2
Quanto ao sistema de adução ...........................................................................15
2.4.3
Quanto a potencia e a altura da queda ..............................................................16
3
Serviço Auxiliar em PCH’s ..............................................................................................18
3.1
Sistema de serviço auxiliar de corrente alternada ....................................................19
3.1.1
Máquinas auxiliares de corrente alternada .......................................................19
3.2
Sistema de serviço auxiliar elétrico de corrente contínua ........................................22
4
Eficiência energética.........................................................................................................23
4.1
Eficiência energética no sistema de iluminação .......................................................24
4.1.1
Grandezas envolvidas .......................................................................................24
4.1.2
Tipos de lâmpadas ............................................................................................25
4.1.3
Cálculo luminotécnico......................................................................................27
4.2
Eficiência energética em motores elétricos ..............................................................31
4.2.1
Grandezas Variáveis em um Motor de Indução ...............................................32
4.2.2
Perdas ...............................................................................................................33
4.2.3
Rendimento.......................................................................................................35
4.2.4
Dimensionamento de motores ..........................................................................36
4.2.4.1 Método da Linearização ...............................................................................37
4.2.4.2 Partida...........................................................................................................39
4.2.4.3 Analise Térmica............................................................................................42
4.2.5
Conversores de freqüência................................................................................43
4.2.6
Fator de Potência ..............................................................................................45
4.2.6.1 Correção do fator de potencia.......................................................................45
4.3
Eficiência energética em transformadores................................................................46
4.3.1
Perdas em Transformadores .............................................................................47
4.3.2
Rendimento.......................................................................................................50
4.3.2.1 Perdas no Cobre............................................................................................52
4.3.2.2 Perdas no Núcleo ..........................................................................................52
4.3.2.3 Potência de Saída..........................................................................................52
4.3.3
Fator de Potência ..............................................................................................55
4.3.4
Harmônicos.......................................................................................................55
4.4
Eficiência energética em refrigeração ......................................................................56
4.4.1
Princípio Básico................................................................................................56
4.4.2
Agentes refrigerantes ou simplesmente Refrigerantes .....................................57
4.4.3
Definições.........................................................................................................57
4.4.4
Primeira Lei da Termodinâmica (Lei da Conservação da Energia) .................58
5
6
4.4.5
Segunda Lei da Termodinâmica .......................................................................59
4.4.6
Ciclo de Refrigeração por Compressão ............................................................59
4.4.6.1 Grandezas envolvidas no ciclo de refrigeração ............................................60
4.4.6.2 Perdas no ciclo termodinâmico.....................................................................61
4.4.7
Parâmetros que Influenciam o COP .................................................................61
4.4.8
Sistemas de Ar Condicionado...........................................................................64
4.4.8.1 Aparelhos de ar condicionado tipo janela.....................................................64
4.4.8.2 Sistema Split.................................................................................................65
4.4.9
Redução do Consumo de Energia Elétrica .......................................................65
4.4.9.1 Ajustes do Controle do Ar Externo ..............................................................65
4.4.9.2 Iluminação ....................................................................................................66
4.4.9.3 Limpeza de Filtros, Condensador e Evaporador ..........................................66
4.4.9.4 Nível inadequado da temperatura .................................................................66
4.4.9.5 Incidência direta dos raios solares e/ou isolamento ineficiente....................67
Conclusão .........................................................................................................................68
Bibliografia.......................................................................................................................70
Resumo
Devido à estreita relação entre produção energética e crescimento
econômico, o governo tem, cada vez mais, investido em geração de energia. Porém,
os grupos de defesa ecológica cobram que as soluções em busca do crescimento
não agridam, ou limitem ao mínimo possível as agressões ao meio ambiente. Dessa
forma a solução tem sido o investimento crescente em soluções de baixo custo
ambiental.
As pequenas centrais hidrelétricas se multiplicam em virtude de serem de
rápida construção e não necessitarem de uma área tão grande em comparação a
uma hidrelétrica convencional. Além de possuírem a vantagem de uma geração
mais próxima as localidades que estão fora dos grandes eixos de geração.
Mas não basta uma grande quantidade de fontes de geração, é preciso
assegurar uma geração eficiente, na qual deve haver o melhor aproveitamento
possível da energia gerada, não apenas visando uma economia ambiental, mas
também uma economia financeira.
Serão abordadas técnicas de avaliação de desempenho e correto
dimensionamento dos equipamentos mais utilizados no serviço auxiliar de uma PCH,
como o sistema de iluminação, o sistema de transformadores, o sistema de motores
e o sistema de refrigeração a fim de explicitar a facilidade de aplicação das mesmas
e o alto custo benefício de sua utilização, não apenas no projeto, mas sim
continuamente por uma pequena central hidrelétrica.
Palavras chaves: Pequenas Centrais Hidrelétricas, Serviço Auxiliar, Eficiência
Energética, Impacto Ambiental, Dimensionamento, Avaliação de Desempenho.
1
Abstract
Due to the close relationship between energy production and economic
development, the government has increasingly invested in power generation. But
environmental protection groups make pressure that the solutions in search of
development do not harm the environment or limit to the minimum possible the harm
of the environment. The solution has been increasing investment in low-cost
environmental solutions.
Small hydropower plants are multiplying because they are quick to build and
do not require such a large area compared to a conventional hydropower plant. Apart
from that they have the advantage of been capable of provide a generation closer to
the locations that are outside of the major axes of generation.
But not just a lot of generation sources are needed, it is necessary to ensure
an efficient generation, which should include the best use of energy generated, not
only seeking an environmental saving, but also a financial saving.
Techniques for evaluation of performance and proper sizing of equipment
commonly used in an ancillary service of PCH will be enumerate and describe, as the
lighting system, the engine system, the transformer system and the cooling system in
order to explain the simplicity of application and the high cost benefit of using it, not
just in the design, but continuously in a small hydroelectric plant.
Keywords: Small Hydro Power, Ancillary Services, Energy Efficiency, Environmental
Impact, Design, Performance Evaluation.
2
1 Introdução
No Brasil, devido ao grande potencial hídrico existente no território nacional, 67,21
% da energia elétrica produzida provém de usinas hidrelétricas (www.aneel.gov.br). Nesse
tipo de usina, é realizada a transformação da energia potencial da água represada em
energia cinética, girando pás de turbinas, produzindo energia elétrica a partir do
acionamento do eixo de um gerador.
Devido ao elevado tempo para implantação, associado aos elevados custos de
uma grande hidrelétrica adota-se como alternativa o emprego de pequenas centrais
hidrelétricas (PCH’s), que no Brasil, são aquelas cuja potência instalada não ultrapassa 30
MW e o seu lago tem uma área máxima de 3 km² (Resolução nº 652/2003 – ANEEL). As
características desse tipo de geração de eletricidade atende de maneira especial aos
consumidores do meio rural, que estão fora dos grandes eixos de geração do país sendo,
portanto, eles favorecidos pela implantação descentralizada de novas unidades geradoras,
em forma de PCH’s.
O Governo Federal, com interesse em viabilizar o acesso a energia elétrica a todas
as pessoas, oferece incentivos fiscais à exploração do mercado de pequenas centrais
hidrelétricas por grupos empresariais privados. O REIDI - Regime Especial de Incentivos
para o Desenvolvimento da Infraestrutura, instituído pela Lei 11.488/2007, por exemplo, é
um dos programas que facilita a implantação de PCH’s, pois reduz os prazos mínimos para
utilização dos créditos de contribuições e amplia o prazo para pagamento de impostos e
contribuições para pessoa jurídica que tenha projeto aprovado para implantação de obras de
infraestruturas nos setores de transportes, portos, energia, saneamento básico e irrigação,
tornando o investimento em geração de energia mais atrativo (www.receita.fazenda.gov.br).
Além do custo financeiro, deve-se levar em conta o custo ambiental. Com
investidores e órgãos ambientais entrando em conflito a cada novo projeto de geração de
energia, vemos que os custos ambientais tornam-se a cada dia um desafio maior (PANESI
2006). Porém, com a importância crescente da energia para o bem estar da população e
para a continuidade das atividades econômicas, vemos a formação de um cenário onde a
eficiência e a sustentabilidade da geração são tão importantes quanto à geração por si só.
O conceito de desenvolvimento sustentável iniciou na Conferência de Estocolmo
(United Nations Conference on the Human Environment), realizada em 1972. O paradigma
anterior a esse evento era o de limites ao crescimento, postura que culminou com a
crescente escassez de recursos, o acúmulo de poluição de diversas fontes e com limitação
da expansão da economia mundial. O que nos trouxe ao paradigma atual que enfatiza o
3
impacto negativo das atividades humanas no meio ambiente em escala global. O conceito
de desenvolvimento sustentável surge de maneira crucial para que inúmeros avanços
fossem introduzidos no repensar sobre um dos segmentos mais dinâmicos e estratégicos da
economia: o setor energético.
A dependência da sociedade contemporânea por energia é um fato realístico e
preocupante ao mesmo tempo (PANESI 2006). A energia elétrica está diretamente
associada à melhor qualidade de vida da população, assim como sua geração está
diretamente ligada à degradação ambiental. É neste cenário que o conceito de eficiência
energética assume especial relevância. A redução da energia gasta para realizar um mesmo
serviço, faz diminuir o consumo energia primária necessária para produzir um determinado
serviço.
Eficiência energética e meio ambiente são dois aspectos que estão totalmente
associados, ou seja, podemos preservar nosso habitat através de medidas de preservação e
combate aos desperdícios de energia, reduzindo os impactos ambientais advindos da oferta
de energia. Uma gestão energética tem como objetivo principal o uso racional dos recursos
naturais, adotando o princípio do desenvolvimento sustentável (PANESI 2006).
A sustentabilidade se inicia logo na fase de projeto, onde através de melhores
técnicas visa-se a redução de gastos futuros durante a produção. O sistema elétrico a ser
previsto deve ser capaz de uma geração eficiente de energia.
É na fase do projeto básico que é definido o número de unidades geradoras e os
diagramas unifilares da usina, bem como o sistema de serviços auxiliares elétricos
(MIRANDA, 2009). Neste momento, é importante entender que a confiabilidade dos serviços
auxiliares não é determinada exclusivamente com redundâncias de fontes e equipamentos,
mas depende também com a qualidade dos componentes e equipamentos empregados.
A configuração do sistema de serviços auxiliares elétricos depende da natureza de
cada empreendimento e devem considerar aspectos técnicos, facilidades de operação e
manutenção, de segurança pessoal e da instalação. Portanto, a filosofia adotada causará
efeito sobre o custo global, o desempenho e a sua vida útil.
Este trabalho de conclusão de curso avalia as possibilidades de aplicação dos
conceitos de eficiência energética nos serviços auxiliares de pequenas centrais hidrelétricas
e propõe alternativas para a redução dos custos de energia na operação de PCH, de forma
a conseguir ganhos nos lucros através de uma redução na energia necessária para o
funcionamento de uma PCH, através da aplicação das técnicas de eficiência energética nos
sistemas de iluminação, motores, transformadores e de refrigeração de uma pequena
central hidrelétrica.
O desenvolvimento deste trabalho compõe-se de três capítulos: o capítulo 2
apresenta uma descrição legal de Pequenas Centrais Hidrelétricas - PCH, as principais
4
turbinas utilizadas e suas diversas classificações; no capítulo 3 será feita uma descrição dos
serviços auxiliares de uma PCH; e no capítulo 4 serão analisadas as possibilidades de
eficiência energética nos sistemas de iluminação, motores, transformadores e refrigeração.
Na conclusão encerraremos analisando os ganhos decorrentes da aplicação das técnicas de
eficiência energética nos serviços auxiliares das PCH.
5
2 Pequenas Centrais Hidrelétricas – PCH’s
2.1 Definição
Ao longo da história, muitas formas de aplicação do uso da energia elétrica foram
desenvolvidas para melhorar a qualidade de vida das civilizações (MIRANDA, 2009). Há
muito que a força das águas foi percebida pelos homens como a energia potencial capaz de
gerar energia elétrica. Há registros de esquemas que datam de 2.500 aC. Porém, somente
em 1751, Euler desenvolveu a “equação da turbina”, em que descreve a correlação entre o
fluxo de água e a performance da turbina, que ainda hoje á a base técnica da tecnologia
hidrelétrica.
A energia hidráulica, oriunda da força da água, se apóia em dois fatores básicos: a
altura da queda da água e o volume de água disponível.
Energia = queda x volume
Com esta forma simples de mostrar a produção de energia, também é possível
iniciar o complexo processo de aproveitamento da energia disponível. Para garantir um
volume de água que permita uma produção constante de energia tanto na estação de
chuvas como na estação da seca, assim como para produzir quedas d’água maiores, foram
construídos os reservatórios de água para fins energéticos, dando origem às centrais
hidrelétricas.
As hidrelétricas podem ser “usinas de regularização”, quando suas barragens são
concebidas para armazenar água para cobrir a geração de energia durante o período de
seca, essas barragens são projetadas com grandes reservatórios. Outras são chamadas de
“usinas a fio d’água”, ou seja, não possuem reservatórios e produzem energia a partir do
fluxo da água que chega à barragem.
A Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, estabelece, através da
Resolução nº 652/2003, a divisão entre pequenas e grandes centrais hidrelétricas, sendo
que, entre 1.000 kW e 30.000 kW de potência instalada, destinada à produção
independente, autoprodução ou produção autônoma, e reservatório com área igual ou
inferior a 3 Km², considera-se como Pequena Central Hidrelétrica - PCH.
O aproveitamento hidrelétrico que não atender à condição para a área do
reservatório inferior a 3 Km², respeitando os limites de potência e modalidade de exploração,
6
será considerado PCH, caso se verifique pelo menos uma das seguintes condições e
atendida a seguinte inequação:
A <= 14,3 . P
Hb
Onde:
P = potência elétrica instalada (MW)
A = área do reservatório (Km²)
Hb = queda bruta, definida pela diferença entre os níveis d’água máximo normal de
montante e normal de jusante (m)
2.2 Potencial Hidráulico
O termo potencial hidráulico significa a energia cinética ou potencial da água dos
rios e lagos que se concentra nos aproveitamentos hidrelétricos e é transformada em
energia mecânica e, finalmente em energia elétrica.
O cálculo do potencial hidráulico é um dos pontos iniciais da definição de
viabilidade do empreendimento. Face ao elevado nível de investimento, além do elevado
nível de interferência social e ambiental deve-se avaliar de forma objetiva e precisa o
potencial hidráulico que será transformado em energia elétrica e em última análise em
retorno do investimento.
Um determinado volume d’água caindo de uma certa altura produz o trabalho
teórico (SCHEIBER, 1978, p. 9).
Tt = y . V . H (em tm).
Onde
V= Volume d’água, em m³.
y = peso específico da água. 1 t/m³.
H = altura da queda bruta, em m.
O potencial teórico é de
Pt = Q. H (em tm/s).
Onde Q é igual à descarga, em m³/s.
7
A unidade de potencia é
1 tm/s = 9,81 kW = 13,33 cv.
Sendo η o fator de rendimento da turbina e do gerador, Ht a queda bruta
menos perdas nos órgãos de adução, então a potencia efetiva é
Pe = 9,81 . η . Q . Ht (em kW)
Ou
Pe = 13,33 . η . Q . Ht (em cv).
Para cálculos preliminares, pode adotar-se o fator de rendimento da turbina
igual a 0,9 e do gerador igual a 0,95 e o fator total igual a 0,855; então
P = 8,3 . Q . Ht (em kW)
Ou
P = 11,3 . Q . Ht (em cv).
Um kW é igual a 367 tm e um volume de V m³ acumulado tem energia
elétrica potencial, medida nos terminais do gerador, de
E = VHt . η,
367
Onde Ht é igual a altura entre o centro de gravidade de V e o nível d’água
de jusante diminuída das perdas nos órgãos adutores. Calculando-se com
valores médios do fator de rendimento, tem-se
E=
1 . V . Ht (em kWh).
455
Com esse cálculo podemos observar a dependência do potencial hidráulico de três
grandezas principais, o fluxo de água (Q), a altura da queda bruta (Ht) e o fator de
rendimento (η), sendo esse último aquele que procuraremos modificar com as técnicas de
eficiência, de maneira a melhorar a produção final de energia da PCH. Dessa forma temos
uma visualização matemática da modificação que pretendemos implementar na usina,
podendo estimar os lucros envolvidos.
8
2.3 Componentes
A concepção básica de uma usina hidrelétrica é uma barragem de concentração e
armazenamento de água, um conduto para condução da água até a casa de máquinas,
onde estão as turbinas e geradores (DIRETRIZES PARA PROJETOS DE PCH –
ELETROBRAS). A energia potencial disponível na água, em razão da altura da queda e do
volume, se converte em energia mecânica por meio da turbina que, através do eixo,
transmite a energia mecânica ao gerador elétrico que, por sua vez, converte esta energia
mecânica em energia elétrica.
As Pequenas Centrais Hidrelétricas são constituídas de obra civil, equipamentos
mecânicos e equipamentos elétricos (MIRANDA, 2009):
a) Represa: consiste na contenção da água, por meio de concreto ou terra para
represamento do volume especificado em projeto. Nesta barragem, haverá um
local onde a água será conduzida para a casa de força, chamada de admissão
ou tomada d’água;
b) Casa de Força: obra de construção civil em que se localizam as turbinas e os
geradores e equipamentos auxiliares a operação da usina;
c) Subestação: local onde se localizam o transformador elétrico de energia e os
equipamentos de conexão com a linha de transmissão. Sendo através destes
feita a normalização da energia gerada para que possa ser feita a
comercialização;
d) Duto: sistema de condução da água do reservatório até a turbina;
e) Porta de Controle: sistema de interrupção do fluxo da água do reservatório
para a turbina. Quando da necessidade de manutenção se faz uso desta para
parar o fluxo de água na turbina.
9
Figura 2.3.1 – Dentro de uma PCH
Fonte: Regulação Técnica para se Obter Melhor Eficiência na Motorização de Pequenas
Centrais Hidrelétricas no Brasil
2.3.1 Tipos de turbinas
As usinas hidrelétricas ganham uma crescente importância na matriz de geração
elétrica, motivando economicamente fabricantes de equipamentos a investirem na busca por
tecnologia para atender aproveitamentos hidrelétricos de maior porte, como é o caso da
usina de Itaipu, na divisa do Paraguai com o Brasil, que gera cerca de 14.000 MW
(www.itaipu.gov.br). Embora usinas desse porte representem grande importância, tanto em
relação ao volume de energia produzido, como em avanços tecnológicos, as Pequenas
Centrais Hidrelétricas – PCH, ainda se apresentam como uma forma eficiente de geração de
energia em menor escala, mas com flexibilidade de expandir a geração próxima a centros
de consumo.
As turbinas hidráulicas tem o papel de peça chave na determinação da concepção
técnica de uma usina hidrelétrica. Os principais tipos de turbinas são: Pelton, Francis e
Kaplan.
a) Pelton: inventada por Lester Allan Pelton (1829-1908). Com características de
arranjo que, em muito, faz recordar as rodas d’água. A turbina Pelton foi
patenteada em 1880 e a primeira unidade em operação foi instalada na cidade
de Nevada, Estados Unidos. Sua rotação é produzida num ambiente aberto
10
com a água sendo direcionada para a sua roda. Sua aplicação é recomendada
em situações de projeto em que há altas quedas de água. A variação de
potencia é regulada pelo controle de entrada de água através de bicos injetores
que se posicionam diretamente em frente a roda da turbina. Esta tem a
concepção de monobloco e não oferece flexibilidade operacional própria.
Este tipo de turbina tem pouca participação no parque gerador brasileiro, o que
se deve as características geográficas do Brasil, onde se registram poucas
áreas altas e muito volume de água. (MIRANDA, 2009);
Figura 2.3.1.1 – Turbina Pelton
Fonte: Regulação Técnica para se Obter Melhor Eficiência na Motorização de Pequenas Centrais
Hidrelétricas no Brasil
b) Francis: a turbina tipo Francis foi inventada em 1849 pelo americano James
Bicheno Francis (1815-1892). Trata-se de uma tecnologia revolucionária no
conceito de geração hidráulica e, por isso, ainda hoje é aplicada de forma
ampla e equipa as maiores usinas hidrelétricas do mundo, como em Três
Gargantas e Itaipu.
Esta foi a primeira turbina de reação, ou seja, o fluxo d’água chega à roda da
turbina fora das condições atmosféricas e recebe de um componente, chamado
tubo de sucção, uma contra-pressão que maximiza o aproveitamento
energético do fluxo de água.
A turbina tipo Francis deve ser aplicada para um volume de água determinado.
Embora possua componentes de controle de passagem de vazão de água, este
11
tipo de turbina tem uma acentuada perda de performance quando há variações
de vazão. Outra característica técnica deste tipo de turbina é a falta de
flexibilidade e variações de queda, ou seja, a queda d’água deve obedecer a
variações pequenas, pois não qualquer mecanismo na turbina que possibilite
seu ajuste a variações de quedas.
Ainda assim, são turbinas que apresentam uma significativa gama de
aplicações para grandes e pequenas vazões de água, podendo ser
especificadas para até 600 metros de queda d’água, mas não são
recomendáveis para quedas muito baixas. (MIRANDA, 2009);
Figura 2.3.1.2 – Turbina Francis
Fonte: Regulação Técnica para se Obter Melhor Eficiência na Motorização de Pequenas
Centrais Hidrelétricas no Brasil
c) Kaplan: a turbina tipo Kaplan foi inventada em 1912, por Viktor Grotav Franz
Kaplan, um engenheiro austríaco. Alguns experimentos foram realizados com
sucesso, mas a consolidação desta tecnologia veio a ocorrer em 1925, com a
instalação de uma turbina de oito MW na UHE Lilla Edet, na Suécia. Esta usina
é considerada como o marco definitivo de qualificação da turbina tipo Kaplan
como a solução técnica ideal para usinas hidrelétricas com baixas quedas e
altas vazões d’água.
A turbina Kaplan é responsável pela grande evolução na técnica de construção
e aproveitamento de geração hidráulica, especialmente por apresentar
excelente eficiência para a aplicação em baixa queda e, em especial, variação
12
da vazão turbinada, o que a difere tecnicamente das demais turbinas e,
particularmente em relação às turbinas tipo Francis.
O grande diferencial técnico percebido por Viktor Kaplan foi fornecer à turbina a
capacidade de se regular por meio de movimentação das pás das rodas da
turbina,
gerando
um
equipamento
com
uma
significativa
flexibilidade
operacional obtida nas variações de vazões e de quedas. (MIRANDA, 2009).
Figura 2.3.1.3 – Turbina Kaplan
Fonte: Regulação Técnica para se Obter Melhor Eficiência na Motorização de Pequenas Centrais
Hidrelétricas no Brasil
Analisando-se as características das principais turbinas utilizadas para geração de
energia elétrica, observa-se que as turbinas Kaplan apresentam-se como as mais
adequadas para utilização em Pequenas Centrais Hidrelétricas, pois as turbinas Pelton
necessitam de grandes quedas e as turbinas Francis necessitam de grandes volumes de
água, portanto grandes reservatórios. Os limites dos reservatórios impostos pela legislação
e a preocupação que todo empreendimento deve ter em mitigar os impactos ambientais
apresentam as turbinas Kaplan como a solução ideal na geração de energia em PCH.
13
2.4 Classificação
Para facilitar a referência a uma determinada construção de PCH, se faz
necessária uma especificação de uma classificação largamente aceita. Dessa forma utilizouse o documento DIRETRIZES PARA PROJETOS DE PCH, da ELETROBRAS que classifica
Pequenas Centrais Hidrelétricas conforme a seguir:
2.4.1 Quanto à capacidade de regulação
a) PCH a fio d’água: nessa categoria a vazão do rio onde a PCH foi instalada é
igual ou superior ao necessário para manter a usina funcionando com a
potência máxima instalada, dessa forma o reservatório será muito pequeno,
sendo até desprezível na maioria dos casos.
O projeto de construção deverá ser feito planejando um sistema de adução que
conduza água suficiente para que a usina sempre produza a demanda máxima
instalada. Vale ressaltar que tal projeto não costuma utilizar o potencial total
presente e por isso o vertedouro será utilizado quase 100% do tempo escoando
o excedente de água que não foi utilizada na geração.
Apesar de não utilizar todo o potencial presente tal modelo se torna
interessante devido a facilidade de seu planejamento e projeto. Esse tipo de
aproveitamento
apresenta,
dentre
outras,
as
seguintes
simplificações
(DIRETRIZES PARA PROJETOS DE PCH, da ELETROBRAS):
Nos estudos:
• dispensa estudos de regularização de descargas;
• dispensa estudos sazonais de cargas elétricas do consumidor; e
• facilita os estudos e a concepção da tomada d’água.
Nos serviços topográficos:
• dispensa o levantamento da área do reservatório, limitando-o a determinação
do contorno da área inundada, pois não há necessidade de determinação da
curva área x volume do reservatório.
14
No projeto:
• não havendo significativas flutuações no nível d’água do reservatório, não é
necessário que a tomada d’água seja projetada pra atender a depleção desse
nível d’água (N.A.);
• do mesmo modo, quando a adução primária é projetada através de um canal
abeto, a profundidade desse canal é a menor possível, pois não há
necessidade de atender as depleções citadas;
• pelo mesmo motivo, no caso de haver necessidade da instalação de uma
chaminé de equilíbrio, a sua altura é a mínima, pois o valor da depleção do
N.A. do reservatório que entra no somatório para o calculo dessa altura é
desprezível;
• as barragens são baixas, pois apenas tem a função de desviar as águas para
adução as turbinas;
• as áreas inundadas são pequenas, há poucas perdas em terras afogadas
próprias e as indenizações das terras inundadas de terceiros são pequenas.
Nos equipamentos eletromecânicos:
• não havendo depleção do N. A. do reservatório, a queda é constante e não há
necessidade da instalação de turbinas com rotores de pás móveis, tipo Kaplan,
o que torna a unidade turbogeradora mais econômica.
b) PCH com regularização periódica: quando o rio não é capaz de manter a
vazão constante, ao longo dos períodos de cheia e de seca, de forma a suprir a
quantidade de água suficiente para gerar a energia máxima demandada pelo
mercado consumidor, faz-se necessária a instalação de um reservatório a fim
de regularizar a vazão. Tal regularização pode ser feita diariamente,
mensalmente ou até com períodos de tempo maiores.
2.4.2 Quanto ao sistema de adução
Para poder melhor aproveitar as quedas naturais presentes no terreno se faz
necessário a instalação de um sistema apropriado de adução para a turbina, uma vez que a
casa de máquinas fica geralmente afastada da tomada d’água. Dessa maneira ressaltam-se
dois tipos principais:
15
a) PCH’s com adução em baixa pressão com escoamento livre em canal (alta
pressão em conduto forçado);
b) PCH’s com adução em baixa pressão por meio de tubulação (alta pressão
em conduto forçado).
A escolha apropriada de um ou outro tipo dependerá principalmente de fatores
econômicos, visto que dependendo das condições geológicas e topográficas do local da
implantação os valores envolvidos apresentarão grandes variações de um tipo para o outro,
considerando a mesma eficiência.
As DIRETRIZES PARA PROJETOS DE PCH, da ELETROBRAS
observa nas
suas página 6,7:
“Para sistema de adução longo, quando a inclinação de encosta e o material
do terreno forem favoráveis à construção de um canal, o primeiro tipo
deverá ser o mais econômico, por diminuir o comprimento em tubulação
entre a tomada d’água e a casa de maquinas e, em conseqüência,
aumentar a possibilidade de não ser necessária a instalação de uma
chaminé de equilíbrio.
Para sistema de adução curto, a opção por uma tubulação única para os
trechos de baixa e alta pressão deve ser estudada. Provavelmente não
haverá necessidade da instalação da chaminé de equilíbrio e, no caso de
haver flutuações do N. A. do reservatório, a tomada d’água será mais
simples e econômica do q na adução por canal.”
2.4.3 Quanto a potencia e a altura da queda
A Organização Latino-Americana de Energia – OLADE classifica as pequenas
centrais hidrelétricas conforme a Tabela 2.4.3.1 abaixo:
16
Classificação
Potência
Instalada
(KW)
Queda do projeto em metros
Baixa
Média
Alta
Microcentral
Até 100
Menos de 15
15 a 20
Mais de 50
Minicentral
100 a 1.000
Menos de 20
20 a 100
Mais de 100
Pequena
1.000 a 10.000 Menos de 25
25 a 130
Mais de 130
Central
Tabela 2.4.3.1 – PCH Quanto a potencia e a altura da queda
Fonte: DIRETRIZES PARA PROJETOS DE PCH
As características geográficas serão decisivas para a escolha do tipo de Pequena
Central Hidrelétrica que será construída, pois este é o fator preponderante para os
resultados que se deseja alcançar, devendo ser levado em consideração, também, os
diversos tipos de impactos que serão causados no entorno do empreendimento. Como
observa (PANESI 2006) a energia elétrica está diretamente associada à melhor qualidade
de vida da população, assim como sua geração está diretamente ligada à degradação
ambiental.
17
3 Serviço Auxiliar em PCH’s
Entende-se como sendo serviços auxiliares elétricos todo o sistema de
transformação, manobra e distribuição de energia para fornecimento de eletricidade com
qualidade e confiabilidade às cargas necessárias para a operação segura das unidades
geradoras, equipamentos e estruturas das instalações de uma usina e/ou subestação
(CANÇADO et al, 2009). Sendo constituídos por quadros de distribuição, transformadores,
gerador diesel, cubículos de média tensão, banco de baterias, conversores CA/CC,
inversores CC/CA para iluminação de emergência, motores elétricos e seu respectivo
acionamento, etc. O serviço auxiliar é suprido basicamente de um sistema de corrente
alternada e outro de corrente contínua.
Estes sistemas são parte essencial de todo o escopo eletromecânico de uma
usina, que é constituído pelos seguintes sistemas e equipamentos: turbinas hidráulicas,
equipamentos hidromecânicos (comportas, grades e válvula de segurança), levantamento
(ponte rolante e talhas), geradores, transformadores elevadores, sistema de proteção,
sistema de supervisão e controle, subestação, interligação gerador-transformador,
aterramento, linha de transmissão e sistemas de telecomunicações.
Os serviços auxiliares devem ser concebidos para se obter uma solução adequada,
compatível com o grau de confiabilidade necessária à operação da usina sob os aspectos
de continuidade de serviço e segurança da usina, de pessoal, de terceiros e do sistema
elétrico. A confiabilidade do sistema de serviços auxiliares elétricos é requerida na fase de
concepção do empreendimento, onde devem ser previstos os meios adequados para o
suprimento confiável de energia elétrica de emergência para operação de equipamentos
essenciais à segurança das instalações, tais como: bombas de drenagem e esgotamento,
comportas dos extravasores, vertedouro, iluminação de emergência e sistema de
telecomunicações. Além de suprir energia para permitir a partida de uma unidade geradora
após o desligamento pleno da usina.
Observa-se que os serviços auxiliares elétricos representam um custo de 3% a 5%
em relação ao desembolso total do empreendimento, dependendo de suas características
(CANÇADO et al, 2009). Dessa forma vemos que o valor envolvido no investimento em
serviço auxiliar de uma central hidrelétrica é relativamente baixo considerando sua
importância no empreendimento. Devendo, portanto, ser aplicado todas as técnicas de
engenharia para obter uma eficiência energética expressiva na geração, evitando que tais
equipamentos se tornem um peso no futuro.
18
3.1 Sistema de serviço auxiliar de corrente alternada
O serviço auxiliar de corrente alternada é destinado a suprir energia às cargas,
como motores, iluminação e tomadas, conversores CA/CC, dentre outras. A configuração do
sistema de serviço auxiliar de corrente alternada depende do número de unidades
geradoras da usina e do sistema elétrico em que a mesma será implantada.
É recomendada a utilização dos seguintes valores de tensão de alimentação 220/127 Vca
(60 Hz, sistema trifásico a quatro fios com neutro solidamente aterrado) para as usinas
menores e 380/220 Vca para usinas maiores que requeiram transformador de serviços
auxiliares com potência nominal = 500 kVA (CANÇADO et al, 2009).
3.1.1 Máquinas auxiliares de corrente alternada
a) Meio de transporte: os equipamentos chegam à obra desmontados, em peças
cujo tamanho e peso são limitados pelas condições de transporte da fábrica ao
local de instalação. Serão montados em seu local definitivo ou na área de
montagem, sendo depois transportados para o seu lugar definitivo por pontes
rolantes nas casas de força fechadas ou por guindastes pórticos nas áreas
semi-abertas. A capacidade das pontes rolantes ou guindastes pórticos deve
ser adequada para levantar a peça mais pesada a ser transportada, que
geralmente é o rotor do gerador (SCHEIBER, 1978);
b) Servomotores da turbina: o equipamento que faz parte integrante da turbina
é o regulador. O regulador consiste no mecanismo fornecedor de energia em
forma de óleo sob pressão, e no atuador, que contém o pêndulo e as válvulas
que regulam o fluxo do óleo aos servomotores da turbina. O equipamento
fornecedor de energia consiste num reservatório do óleo que é retirado e
conduzido, por bombas, ao tanque sob pressão e também do óleo que reflui
das válvulas e dos servomotores (SCHEIBER, 1978).
Nas usinas modernas, as turbinas são telecomandadas da sala de comando,
ou até de muito longe, de um centro de comando que pode atuar em várias
usinas. Mas os reguladores podem ser também, operados manualmente de um
19
lugar perto da turbina, de um painel que pode ser construtivamente ligado ao
regulador ou anexado ao painel do gerador;
c) Sistema de abastecimento de água: na casa de força, precisa-se água para a
refrigeração do gerador, dos mancais, eventualmente dos transformadores,
etc., para as instalações contra incêndio, e água potável (SCHEIBER, 1978).
Para as duas primeiras finalidades, usa-se água bruta depois de passá-la por
filtros grossos (strainers), que retêm corpos flutuantes até cerca de 5 mm,
enquanto a água potável, usada nos banheiros e bebedouros, precisa de um
tratamento;
d) Rede de drenagem de esgoto: as águas que podem ser misturadas com óleo
devem passar por um separador de óleo, para evitar a poluição do rio. O
esgoto das águas sujas dos banheiros, etc., efetua-se de maneira comum
(SCHEIBER, 1978) ou usando a rede de esgotamento sanitário da
concessionária ou armazenando em fossas sépticas.
Todos os lugares em que pode surgir água, em quantidades consideráveis, por
causa de vazamentos de tubulações, de infiltrações, etc. devem ser ligados a
um sistema de tubos ou canaletas que conduz a água para um poço de
drenagem munido de uma bomba automática, que de vez em quando esvazia o
poço e leva a água para o canal de fuga, por meio de uma tubulação que
desemboca acima do nível máximo d’água de jusante;
e) Rede de distribuição de ar comprimido: no item b) foi mencionado que a
pressão do óleo dos reguladores é mantida por ar comprimido, que é fornecido
por compressores pertencentes ao sistema do regulador. Muitas vezes esses
compressores das diversas turbinas são interligados para que, no caso de um
compressor falhar, sua capacidade possa ser substituída pelos outros. Preferese deixar esse sistema separado do de abastecimento geral de ar comprimido,
para a casa de força, a não ser que os compressores do regulador sejam
utilizados para os freios do gerador, que somente são acionados com a turbina
já fechada.
Da mesma forma como se usa, na rede de distribuição de energia elétrica, com
as tomadas para a ligação de aparelhos elétricos, etc. e, na rede de água, com
as torneiras, instala-se uma rede de distribuição de ar comprimido com
tomadas distribuídas pela casa de força, nos poços das turbinas e dos
geradores;
20
f) Purificadores de óleo:
o óleo dos mancais,
do regulador
e dos
transformadores deve ser purificado de vez em quando, enquanto que a
quantidade de óleo nos mancais e nos reguladores é relativamente pequena,
de modo que possa ser trocado usando-se tambores, o volume dos
transformadores importa em, alguns metros cúbicos e não se pode proceder da
mesma forma. Por isso instalam-se duas tubulações, para óleos sujo e limpo,
que ligam as células dos transformadores à estação de purificação. Para a
troca de óleo, o transformador é conectado à tubulação de óleo sujo, por meio
de uma mangueira, esvaziando-o, e depois à tubulação e óleo limpo, para
reenchê-lo.
Na estação de purificação, são instalados uma bomba estacionária para a
circulação do óleo, eventualmente uma outra igual, mas móvel, e um purificador
móvel. Os tanques para óleo limpo e sujo, de capacidade igual ou pouco maior
que o volume de um transformador, podem ser montados na própria estação
que, nesse caso, deve ter equipamentos necessários contra incêndios, ou
então colocados fora da casa.
Devem ser previstas tubulações para óleo sujo e limpo até o lugar onde
chegam os carros-tanques que trazem óleo limpo ou levam óleo sujo.
(SCHEIBER, 1978);
g) Ventilação e ar condicionado: os geradores tem temperatura de 60 a 80º,
mesmo refrigerados, e irradiam esse calor para a casa de maquinas. Por isso é
preciso uma boa ventilação natural ou forçada (SCHEIBER, 1978). As
condições, em cada caso, são diferentes, mas devem ser previstos os canais
que distribuem o ar fresco ao longo da estrutura, devendo haver um para cada
andar.
Ar condicionado deve ser previsto para a sala de comando, para os escritórios
e eventualmente para a oficina elétrica;
h) Sistema de iluminação: os ambientes devem dispor de adequado sistema de
iluminação, que ofereça conforto visual e segurança aos operadores nas áreas
internas e facilidade de transito nas áreas externas. Além, é claro, se possuir
um sistema próprio ligado ao banco de baterias para emergências.
21
3.2 Sistema de serviço auxiliar elétrico de corrente contínua
O sistema de CC é utilizado para suprir energia segura e confiável para circuitos de
comando, controle e proteção, sinalização, transdutores e alarme. Como premissa básica
para definição do arranjo e projeto do sistema de corrente contínua de pequenas centrais,
deve-se utilizar sistemas de corrente contínua não aterrados, uma vez que esta
configuração apresenta elevado grau de continuidade. Outro critério básico é o emprego de
equipamentos com boa qualidade.
Considerando estas condições atendidas, pode-se utilizar apenas um único
retificador (conversor CA/CC) com um banco de baterias operando em paralelo, uma vez
que estes conversores CA/CC apresentam custo elevado.
Com a evolução tecnológica, quase todos os equipamentos que requerem
alimentação em corrente contínua estão disponíveis em 125 V, permitindo a utilização de
apenas um nível de tensão de corrente contínua na usina.
A operação seletiva dos dispositivos de proteção é fundamental para a operação
do sistema de corrente contínua. Embora a utilização de um sistema isolado de terra permita
a continuidade de operação para defeitos para terra envolvendo apenas um dos pólos, a
probabilidade de ocorrência de um curto-circuito sempre está presente.
Os disjuntores para aplicação em corrente contínua disponíveis atualmente no
mercado não possuem características adequadas que possibilitem ajustes para uma
operação seletiva da proteção entre disjuntores. Devido a este fato, recomenda-se que os
circuitos de corrente contínua sejam protegidos por fusíveis do tipo Diazed ou NH
(CANÇADO et al, 2009).
É importante observar que uma Pequena Central Hidrelétrica não é uma usina de
grande porte em escala reduzida, portanto, não se devem adotar os mesmos critérios de
projeto, principalmente de confiabilidade aplicados a usinas maiores. É preciso respeitar as
regulamentações vigentes do setor elétrico, elaborando projetos de sistemas auxiliares
elétricos sem conservadorismo desnecessário, onde muitas vezes é exigido para grandes
usinas.
Todos os equipamentos abordados: pontes rolantes, guindastes pórticos,
regulador, servomotores da turbina, bombas de água, separador de óleo, bombas de
drenagem, compressores de ar comprimido, transformadores, bombas de óleo, sistemas de
ventilação forçada, sistema de iluminação circuitos de comando, controle e proteção,
sinalização, transdutores e alarme serão retomados no capítulo seguinte na forma de
sistemas de iluminação, sistemas de motores e sistemas de transformadores, além do
sistema de refrigeração para as principais salas, como: salas de comando, centros de
comando, escritórios, oficina elétrica.
22
4 Eficiência energética
Pode-se definir eficiência energética como a melhoria da energia primária utilizada
para a realização de um mesmo serviço, sem qualquer prejuízo ao mesmo. Dessa forma
economiza-se energia e conseqüentemente o recurso natural utilizado para gerá-la,
ocasionando não apenas uma economia financeira, mas uma economia ambiental (PANESI,
2009).
É importante esclarecer a diferença entre eficiência energética e racionamento de
energia, evidenciando que racionamento de energia objetiva a redução do consumo
energético por meio da redução do processo envolvido, prejudicando o resultado final do
processo, enquanto que as técnicas de eficiência visam manter o resultado final através de
um uso mais consciente da energia.
Em linhas gerais, projetos de uso eficiente da energia envolvem duas abordagens:
ajuste técnico: que consiste no uso mais eficiente da energia através do emprego de
tecnologias (equipamentos) mais eficientes, que obtenham um rendimento maior nas
mesmas condições de trabalho que outros; mudança no estilo de vida: reavaliação das
técnicas utilizadas durante o processo em busca de alternativas com menor consumo
energético.
Observa-se, portanto, que medidas de eficiência, ao realizar um melhor
aproveitamento dos insumos energéticos, reduz os custos de manutenção da realização do
processo, obtendo retorno financeiro a médio e longo prazo a partir de um investimento
inicial em técnicas e tecnologias. Além disso, os investimentos em eficiência energética
oferecem resultados mais rápidos que investimentos em suprimentos/geração de energia.
A implementação de um processo de eficiência energética em um sistema elétrico
já instalado deve ser precedido de uma auditoria energética, que é a análise detalhada das
condições de utilização de energia procurando identificar: onde, quanto e como a energia é
utilizada; como estão as condições dos equipamentos; e onde se encontram os desperdícios
de energia. Após a realização da auditoria deve-se elaborar um relatório com as propostas
de soluções para corrigir/melhorar a utilização de energia de um modo geral.
Entende-se como sistema elétrico de uma determinada instalação a planta
estratégica de como a energia é distribuída e utilizada pela instalação. Em uma PCH deverá
ser levado em conta o peso da iluminação, dos motores, das bombas de água e
esgotamento, dos compressores e dos transformadores.
23
4.1 Eficiência energética no sistema de iluminação
Em iluminação, a eficiência energética não está relacionada apenas com a redução
do consumo de energia, mas também com a obtenção de um sistema eficiente do ponto de
vista quantitativo e qualitativo, devendo incluir um bom projeto e equipamentos de qualidade
empregados de uma maneira efetiva, privilegiando a segurança e o conforto visual dos
funcionários na realização das tarefas.
4.1.1 Grandezas envolvidas
Para poder analisar corretamente a quantidade de energia gasta com a iluminação,
deve-se primeiro explicitar as grandezas envolvidas (VIEIRA JR, 2009):
a) Fluxo luminoso (φ): é a radiação total da fonte luminosa, sua unidade é o
lúmen (lm);
b) Iluminância média (EM): indica o fluxo luminoso de uma fonte de luz que
incide sobre uma superfície situada a uma certa distância desta fonte. Sua
unidade é o lux (lx);
c) Temperatura de cor (T): a temperatura de cor está relaciona com a
semelhança da luz diurna solar, quanto mais claro o branco, maior a
temperatura da cor. A luz amarelada, como de uma lâmpada incandescente,
está em torno de 2.700 K enquanto que de uma lâmpada fluorescente esta em
torno de 5.000 K;
d) Índice de reprodução de cor (IRC): as lâmpadas possuem características de
reprodução de cor muito variada. A expressão “qualidade de luz” muitas vezes
é relacionada a esta característica. O IRC é uma escala percentual que indica o
quanto das cores iluminadas, em uma superfície padrão, são perfeitamente
distinguíveis.
24
4.1.2 Tipos de lâmpadas
De posse dessas grandezas, analisa-se os diferentes tipos de lâmpadas
disponíveis no mercado, para poder definir onde cada uma delas, pode ser melhor utilizada,
de forma a se obter a maior eficiência.
a) Lâmpadas Incandescentes: vida média em torno de 1.000 h, temperatura de
cor em torno de 2.700 K, fluxo luminoso até 3.400 lm, dependendo da potência
da lâmpada;
b) Lâmpadas fluorescentes
- Fluorescentes tubulares ou circulares: possuem longa durabilidade em
comparação com as incandescentes e alta eficiência na reprodução de cor.
São classificadas em lâmpadas de descarga de baixa pressão, onde as
primeiras lâmpadas produzidas pela maioria dos fabricantes apresentavam 38
mm de diâmetro do tubo (T12) e, com a evolução da tecnologia atualmente,
encontra-se no mercado lâmpadas com diâmetro de tubo de 16 mm (T5) até 7
mm (T2). Essas lâmpadas estão disponíveis em várias tonalidades de branco,
desde 2.700 K até 6.500 K e dependendo do fabricante e do modelo da
lâmpada, podemos encontrar características como o fluxo luminoso variando de
840 a 9.350 lm e IRC de 70 a 100%.
- Fluorescentes compactas: possuem a tecnologia e as características de
uma lâmpada fluorescente tubular, no entanto com tamanhos reduzidos. O seu
surgimento teve como objetivo principal à substituição das incandescentes pela
sua fácil instalação (rosqueada), apresentando as seguintes vantagens:
Consumo de energia 80% menor, durabilidade 10 vezes maior, leve e
compacto, aquecem menos, gerando assim menos carga térmica em
ambientes climatizados, IRC com índice de até 89%, tonalidade de cor
adequada para cada ambiente, com opções entre 2.700 K (aparência de cor
semelhante às incandescentes) a 4.000 K (aparência de cor mais branca), fluxo
luminoso variando de 800 a 1.400 lm.
c) Lâmpadas de descarga em alta pressão: muito utilizadas em ambientes de
grandes áreas, pois possuem em geral, grande durabilidade (de 9.000 a 32.000
25
horas). Funcionam através do uso de reatores, e, em alguns casos, só partem
com auxílio de ignitores. Dependendo do tipo, necessitam de 2 a 15 minutos
entre a partida e a estabilização total do fluxo luminoso. Seus tipos são:
- Vapor metálico: são lâmpadas que combinam iodetos metálicos, excelente
reprodução de cor (de 70 a 100%), proporcionando baixa carga térmica para
ambientes climatizados. Sua luz é muito branca e brilhante e podem ser
encontradas nas potências de 70 a 2.000 W, com índice de eficiência
energética de até 100 lm/W e temperatura de cor de 4.000 a 6.000 K. É
utilizada em supermercados, estádios de futebol, indústrias, praças etc.
- Vapor de sódio:
com eficiência energética de até 130 lm/W, de longa
durabilidade, e muito econômica. Emite luz branca dourada e é utilizada em
locais onde as reproduções de cor não é uma característica importante, como
em estacionamentos, portos, estradas, ferrovias etc.
- Vapor de sódio branca: emite luz branca, diferente da lâmpada a vapor de
sódio comum que é mais amarelada. Essa luz branca é decorrente da
combinação dos vapores de sódio e gás xênon, resultando numa luz brilhante
com aparência de cor das incandescentes. Acionadas por reatores eletrônicos
podem ter, através de chaveamento, a temperatura de cor alterada de 2.600
para 3.000 K ou vice versa. É utilizada em áreas comerciais, edifícios
históricos, stands, hotéis, exposições, teatros etc.
- Vapor de mercúrio: tem uma aparência branca azulada, com eficiência de
até 55 lm/W e potência de 80 a 1.000 W. são normalmente utilizadas em vias
públicas e áreas industriais;
- Luz mista: compostas por um filamento e um tubo de descarga, funcionam
em tensão de rede de 220 V, sem uso de reator. Em geral, representa
alternativa de maior eficiência para a substituição de lâmpadas incandescentes
quando não se deseja as fluorescentes.
d) Lâmpadas de LED: longa durabilidade (até 100 mil horas), alta eficiência,
variedade de cores, dimensões reduzidas, baixo consumo de energia e pouca
dissipação de calor (VIEIRA JR, 2010).
26
Para o funcionamento de algumas lâmpadas, é necessário ter conhecimento a
respeito dos reatores responsáveis pelo acionamento de algumas delas. São eles
equipamentos auxiliares necessários para o acendimento das lâmpadas de descarga. São
encontrados no mercado dois tipos: eletromagnético e eletrônico.
•
Reatores eletromagnéticos: núcleo laminado de silício e bobinas de fio de
cobre esmaltado. Podem apresentar baixo fator de potência.
•
Reatores eletrônicos: são constituídos por capacitores e indutores para alta
freqüência de 20 a 50 kHz. Operando nessas condições, proporciona maior
fluxo luminoso com menor potência de consumo, sendo mais eficientes do que
os eletromagnéticos.
É importante ressaltar que o reator interfere diretamente no fluxo luminosos da
lâmpada através de seu Fator de Fluxo Luminoso (FFL). Ex.: se uma lâmpada de 2.700
lúmens for empregada com reator eletrônico de FFL = 1,1, ela emitirá 2.970 lúmens. Assim
como evidenciar que o reator também possui perdas próprias de seu funcionamento,
causadas principalmente pelo efeito Joule, tais valores são informados pelo fabricante e
devem ser adicionados ao consumo final do conjunto lâmpada + reator (VIEIRA JR, 2010).
4.1.3 Cálculo luminotécnico
De posse dessas informações deve-se, então, fazer uma análise criteriosa da
Iluminância necessária para cada tipo de ambiente, de acordo com a tarefa a ser
desempenhada, de forma a oferecer o melhor conforto visual e a segurança adequada para
a correta realização da tarefa.
Classe
A
Iluminação geral para
áreas
usadas
interruptamente
ou
com tarefas simples
Iluminância (lux)
Mín – Méd - Máx
20 – 30 – 50
50 – 75 – 100
100 – 150 – 200
200 – 300 – 500
B
Iluminação geral para
área de trabalho
500 – 750 – 1.000
1.000 – 1.500 – 2.000
Tipo de Atividade
Áreas públicas com arredores escuros
Orientação simples para permanência
curta
Recintos não usados para trabalhos
contínuos; depósitos
Tarefas com requisitos visuais limitados,
trabalho médio de maquinaria, auditórios
Tarefas com requisitos visuais normais,
trabalho médio maquinaria, escritórios
Tarefas com requisitos especiais,
27
gravação manual, inspeção, indústria de
roupas
C
2.000 – 3.000 – 5.000
Tarefas visuais exatas e prolongadas,
Iluminação adicional
eletrônica de tamanho pequeno
para tarefas visuais
5.000 – 7.500 – 10.000
Tarefas visuais muito exatas, montagem
difíceis
de microeletrônica
10.000 – 15.000 – 20.000 Tarefas visuais muito especiais, cirurgia
Tabela 4.1.3.1 - Iluminâncias por classe de tarefas visuais
Fonte: ABNT NBR5413
A tabela 4.1.3.1 nos fornece os valores de iluminância mínimo, médio e máximo
para cada tipo de ambiente, de acordo com a atividade a ser exercida nele, porém é
necessário determinar o número mínimo de lâmpadas e luminárias, considerando as
dimensões e o tipo do ambiente a ser iluminado realizando o cálculo luminotécnico. Para
tanto, enumera-se abaixo os passos básicos a serem seguidos:
1º passo – características do ambiente, com as seguintes informações:
•
Dimensões do recinto (comprimento, largura, pé direito);
•
Altura de Montagem da luminária (altura plana de trabalho/suspensão da
luminária);
•
Cor do teto, paredes e piso;
•
Tipo de atividade exercida no ambiente;
•
Determinar a iluminância necessária para a atividade, ver NBR5413.
Figura 4.1.3.1 – Características do Ambiente
Fonte: Notas de aula da disciplina Eficiência Energética
2º passo – determinação do índice do recinto (K), que é a relação das dimensões
do recinto, dada pela expressão:
•
Iluminação Direta
28
•
Iluminação Indireta
Onde:
K= índice do recinto;
c = comprimento;
l = largura;
h = altura de montagem (h = pd – hl – hm).
3º Passo – Determinar o fator de utilização (FU) dado por tabelas próprias dos
fabricantes que depende do tipo de luminária e das características do ambiente. O
fator de utilização está relacionado com a eficiência do conjunto: luminária,
lâmpada e recinto, para se determinar o fator ideal adequado para o ambiente, é
preciso conhecer as refletâncias do teto, paredes e o índice do recinto mencionado
no 2º passo. Após ter calculado o índice do recinto, cruze com os índices de
refletância do ambiente a ser iluminado, Tabela 4.1.3.2.
Cores
%
Branco
70 a 80
Creme claro
70 a 80
Amarelo claro
55 a 65
Rosa
45 a 50
Verde claro
45 a 50
Azul celeste
45 a 50
Cinza claro
45 a 50
Bege
23 a 35
Amarelo escuro
23 a 35
Marrom claro
23 a 35
Laranja
20 a 25
Vermelho
20 a 25
Cinza médio
20 a 25
Verde escuro
10 a 15
Azul escuro
10 a 15
Cinza escuro
10 a 15
Azul marinho
5 a 10
Preto
5 a 10
Tabela 4.1.3.2 – Coeficiente de reflexão de cores
Fonte: Fundamentos de Eficiência Energética
4º Passo – O Fator de Perdas Luminosas (FPL) nos informa a perda do fluxo
luminoso em função do acúmulo de poeira na luminária dado pelo ambiente,
29
juntamente com a vida útil das lâmpadas. Considerar como Fator de Perda
Luminosa os seguintes valores da Tabela 4.1.3.3:
Ambiente
Período de Manutenção
2.500 h
5.000 h
7.500 h
Limpo
0,95
0,91
0,88
Normal
0,91
0,85
0,80
Sujo
0,80
0,66
0,57
Tabela 4.1.3.3 – Fator de Perdas Luminosas.
Fonte: Fundamentos de Eficiência Energética
5º Passo – Identificar a iluminância média (Em) recomendada para o tipo de
atividade exercida. A Tabela 4.1.3.1 estabelece as normas da ABNT NBR5413
para cada tipo de ambiente de acordo com a tarefa nele exercida.
Passo 6º - Definição do número de luminárias necessárias:
Onde:
Em= Iluminância média
A= área do recinto
n= quantidade de lâmpadas por luminária
φ = fluxo luminoso
FU= Fator de utilização
FPL= Fator de Perdas Luminosas
Além da quantidade de lâmpadas e luminárias, bem como o nível de iluminância, é
fundamental o cálculo da potência instalada para que se avalie os custos com energia com o
propósito de estudar melhorias no requisito eficiência energética da instalação.
•
Potência total instalada Pt(W): É a somatória da potência de todos os
aparelhos instalados na iluminação considerando lâmpadas e reatores
•
Densidade de potência Dp(W/m²): É a potência instalada para cada metro
quadrado de área. Quanto menor for esse valor, menos energia por unidade de
área será consumida, tornando a instalação mais eficiente.
30
•
Densidade de potência relativa Dpr(W/m² para/100 lx): É a densidade de
potência total instalada para cada 100 lx de iluminância. Quanto menor for esse
valor mais eficiente será a instalação, pois indica a potência necessária para
cada 100 lx de iluminância.
4.2 Eficiência energética em motores elétricos
Os motores elétricos são responsáveis por grande parte do consumo de energia
nas indústrias, estima-se que 90% da energia consumida pelo setor está concentrada em
unidades consumidoras ligadas a alta tensão, apenas 4% do consumo ocorre em baixa
tensão. No setor industrial, entre 50 a 60% da energia elétrica utilizada é consumida pelos
motores elétricos. A fim de aumentar a eficiência energética e reduzir o consumo deste tipo
de equipamento, é possível adotar diferentes medidas, tais como o redimensionamento, a
substituição de equipamentos, utilizando motores de alto rendimento, a utilização de
controle de velocidade, além de, obviamente, operação e manutenção corretas (PANESI,
2009).
Os motores elétricos são classificados de acordo com a forma de corrente utilizada,
isto é, alternada ou contínua. Os motores de corrente contínuas apresentam a vantagem de
poder regular sua velocidade de modo preciso e também utilizar baterias para alimentá-los
estando em qualquer lugar. Infelizmente, para grandes potências apresentam o
inconveniente de serem volumosos não sustentando grandes velocidades. Já os de corrente
alternada apresentam maior eficiência comparados ao de corrente contínua, sendo que
podem ser síncronos ou assíncronos. Os motores síncronos operam em velocidade pré
fixada utilizado normalmente em grandes potências onde a velocidade constante é requisito
principal. Os motores assíncronos ou de indução são mais simples, robustos e preço menor
comparados com os síncronos, utilizados praticamente na maior parte de mecanismos.
Nesse caso, a velocidade varia de acordo com a carga aplicada ao eixo.
Em PCH’s a eficiência de motores tem suma importância devido a quantidade de
bombas de óleo e de água, esteiras, compressores de ar comprimido, servomotores,
guindastes pórticos e pontes rolantes.Durante a etapa de projeto ou de auditoria energética,
deve-se atentar para cada necessidade de carga individualmente para que o motor para ela
especificado atenda eficientemente os requisitos.
Para analisarmos as possibilidades de redução de consumo de energia em
motores é importante que verifiquemos os seguintes pontos:
31
4.2.1 Grandezas Variáveis em um Motor de Indução
São diversas as grandezas que variam na operação de um motor, conforme mostra
a Tabela 4.2.1.1.
Grandeza
Potência mecânica
Símbolo
Pmec
Unidade
Cv
Potência elétrica
Pel
kW
Torque
T
Nm
Rotação
Corrente
N
I
RPM
A
Tensão
E
V
Fator de potência
Fp
%
Rendimento
Η
%
Carregamento
Γ
%
Escorregamento
S
%
Descrição
Potência fornecida no eixo do
motor.
Potência fornecida ao motor.
Torque (conjugado) desenvolvido
no eixo do motor.
Rotação do eixo do motor.
Corrente absorvida da rede elétrica
pelo motor.
Tensão da rede que alimenta o
motor (tensão entre fases).
Atraso da corrente em relação à
tensão, medido pelo cosseno do
ângulo de atraso.
Relação entre a potência mecânica
e potência elétrica.
Relação entre a potência mecânica
e a potência elétrica.
Velocidade relativa do rotor em
relação ao campo girante.
Velocidade do campo girante do
estator (velocidade síncrona).
Velocidade
do ns
campo girante do
estator
Tabela 4.2.1.1 – Grandezas variáveis em um motor de indução.
Fonte: Fundamentos de Eficiência Energética
A Figura 4.2.1.1 mostra a variação típica de algumas grandezas do motor de
indução em relação à carga no eixo.
Figura 4.2.1.1 – Curvas de desempenho de um motor
Fonte: Catálogo WEG
32
Onde:
A = rendimento: acima de 75% de carregamento assume um valor praticamente
constante. Entretanto, cai rapidamente abaixo de 50%, o que indica ser
completamente
ineficiente
usar
um
motor
com
baixa
carga
(ou
sobredimensionado);
B = fator de potência: Como o rendimento, é bem baixo para cargas baixas;
C = escorregamento: Praticamente zero a vazio, chega a um valor típico de 3% em
carga nominal;
D = corrente: sai de um valor não-nulo a vazio, crescendo com a carga.
4.2.2 Perdas
O motor elétrico é um conversor de energia elétrica em mecânica. Apesar de ser
uma máquina eficiente, apresenta vários tipos de perdas, que, em geral, se dividem em
perdas fixas, se não dependem do carregamento, e variáveis, que dependem (VIEIRA JR,
2010).
As perdas fixas são:
a) Perdas no ferro (núcleos): são as perdas devido à circulação do campo
magnético – por histerese e correntes parasitas. Dependem da freqüência da
rede (60 Hz, no Brasil), da densidade do campo (quanto menos ferro, mais
denso), da qualidade do aço (o aço silício é mais suscetível ao campo
magnético), da espessura e isolação das chapas. Representam de 15 a 25%
do total de perdas, em operação nominal;
b) Perdas mecânicas: perdas por atrito nos mancais, e ventilação. Contribuem
com 5 a 15%.
As perdas variáveis são:
a) Perdas no estator: devidas ao efeito Joule pela circulação de corrente no
enrolamento do estator, significam a maior parcela de perda em condição
nominal: 25 a 40%. Dependem da bitola dos condutores e do comprimento das
bobinas;
33
b) Perdas no rotor: igualmente devidas ao efeito Joule nas barras e anéis do
rotor, têm também uma contribuição significativa: 15 a 25%. Dependem do
material (em geral, alumínio para motores em baixa tensão), seção e
comprimento das barras;
c) Perdas suplementares: são devidas a várias imperfeições na distribuição dos
fluxos magnéticos e de corrente e geralmente medidas por subtração com
relação às demais perdas. Podem ser reduzidas com um bom projeto do motor.
Representam uma parcela menor nos motores de baixa tensão, 10 a 20%.
Fazendo um estudo analítico do motor, podemos explicitar a influencia de cada
perda no consumo final de energia, além de identificar quais as grandezas que influem
diretamente no seu incremento.
Figura 4.2.2.1 – Circuito equivalente do motor com o rotor e o estator com a mesma freqüência.
Fonte: Notas de aula da disciplina Eficiência Energética
Dessa forma, a figura acima relaciona as principais características do motor, que
nos dão a relação da carga mecânica:
Onde:
R2 = Perdas no cobre;
= Potência Mecânica + perdas rotacionais;
Portanto, a potência por fase associada ao rotor é:
34
Essa potência também é denominada potência no entreferro (gap), pois é a
potência transferida do estator ao rotor pelo campo magnético do entreferro.
Verifica-se, portanto, que as perdas no cobre aumentam com o escorregamento,
enquanto as perdas rotacionais e a carga mecânica variam segundo (1 – s).
4.2.3 Rendimento
Como as perdas nos enrolamentos do rotor dependem do escorregamento do
motor, o rendimento também dependerá. Dessa forma é possível avaliar o rendimento ideal
em função das perdas e por fim em função do escorregamento.
Onde:
Pentrada = Pentreferro = Pgap;
Perdas no rotor = R2I²2 = s . Pgap;
Psaída = Pgap – s . Pgap = (1-s) . Pgap.
Com a inclusão das demais perdas, a eficiência real da máquina sempre será
menor do que a eficiência interna, observa-se, então que para manter alta eficiência, o
motor de indução deve operar próximo a velocidade síncrona, pois:
Na figura abaixo observa-se que a eficiência real, para valores abaixo da
velocidade síncrona cresce acompanhando a curva de eficiência ideal, aumentando a
35
eficiência para cada incremento do da velocidade do campo girante do estator. Porém, ao
alcançar a velocidade síncrona a eficiência real caí abruptamente. Dessa forma observa-se
a necessidade de se operar próximo a velocidade síncrona a fim de se manter a eficiência
alta.
Figura 4.2.3.1 – Eficiência Real e Eficiência Ideal em função da velocidade síncrona.
Fonte: Notas de aula da disciplina Eficiência Energética
4.2.4 Dimensionamento de motores
Um motor é dimensionado pela carga mecânica que acionará. É comum haver
incertezas sobre esta carga no momento do dimensionamento: haverá ampliações, haverá
situações em que se poderá exigir um pouco mais de potência (por exemplo, peso em uma
esteira transportadora, deposição de massa em agitadores, variação na densidade do
líquido impulsionado por uma bomba)?
Analisa-se a oportunidade de uso de motores de alto rendimento em duas
situações principais: para um motor novo, a instalar, ou para substituir um motor já em
operação. Na primeira hipótese, é quase sempre viável economicamente usar um motor de
alto rendimento, pois a diferença de investimento é apenas entre os custos dos dois
motores. Pode apenas não ser compensador em casos com baixíssima utilização do motor
(por exemplo, uma bomba d’água que opere 1 ou 2 horas por dia) e/ou baixo custo da
energia (R$/kWh).
36
Na segunda hipótese, o investimento a ser considerado é não só o custo total do
motor de alto rendimento, mas também o custo de colocá-lo em funcionamento: estudo,
compra, frete, eventual adaptação da base e acoplamento, eventual mudança no circuito
elétrico (relé térmico), mão-de-obra para troca e condicionamento. Neste caso é razoável
dobrar-se o custo do motor.
Na primeira hipótese (motor novo), basta comparar o custo adicional de um motor
de alto rendimento em relação ao motor padrão com a economia obtida ao longo da vida útil.
Na segunda hipótese (troca de um motor em funcionamento), a análise é descrita abaixo:
4.2.4.1
Método da Linearização
Uma forma analítica de se dimensionar o motor mais eficiente para uma
determinada aplicação inclui o método da linearização, no qual a curva de conjugado versus
rotação do motor de indução pode ser aproximada por uma reta na região de operação da
máquina, dessa forma o seu carregamento pode ser estimado a partir de poucas medições
das condições reais de operação.
Figura 4.2.4.1 - Curva de conjugado versus rotação do MI
Fonte: Notas de aula da disciplina Eficiência Energética
Onde:
MN = conjugado nominal;
Mt = conjugado de trabalho;
ns = velocidade síncrona;
37
nN = velocidade nominal;
nt = velocidade de trabalho.
A partir da Figura 4.2.4.1 e conhecendo-se a velocidade de trabalho, a velocidade
nominal e o conjugado nominal, pode-se determinar o conjugado de trabalho pela equação
da reta.
Como a potência de trabalho é dada por Pt = Mt . nt , podemos definir Fc como fator
de carregamento:
Usualmente, se Fc for maior que 0,75 significa que o motor está bem
dimensionado. Caso contrário, não se pode, de imediato, dizer que o mesmo está
inadequado. Deve-se analisar o regime de operação da máquina, pois existem situações em
que o uso de motores sobredimensionados se faz necessário. É o caso de acionamento de
cargas de alta inércia ou ciclos de cargas severos.
Existem situações em que não é possível medir a velocidade, mas a mesma pode
ser estimada linearizando a curva da corrente, conforme demonstrado na Figura 4.2.4.2:
Figura 4.2.4.2 – Curva de Corrente em um MI
Fonte: Notas de aula da disciplina Eficiência Energética
38
Onde:
I0 = corrente em vazio;
It = corrente de trabalho;
IN = corrente nominal.
Para determinar a corrente em vazio, pode-se usar os resultados do teste em vazio
ou desacoplar a carga e medir a corrente. Caso não seja possível desacoplar a carga, podese recorrer a fórmulas empíricas, tal como a apresentada a seguir:
Nº de Pólos
Ao
Bo
8
77,463
-7,145
6
72,110
-7,413
4
67,484
-7,490
2
56,855
-6,866
Tabela 4.2.4.1 – Parâmetros para fórmula empírica
Fonte: Fundamentos de Eficiência Energética
4.2.4.2
Partida
Um momento delicado na operação do Motor de Indução é a aceleração inicial.
Com o escorregamento muito alto, a corrente do motor é muito alta, chegando tipicamente a
oito vezes a corrente nominal. Isto pode causar problemas tanto à rede, provocando queda
de tensão, quanto ao próprio motor. O tempo de aceleração é decisivo: ele pode ser igual a
1 segundo, tipicamente para bombas centrífugas e cargas com baixa inércia, mas pode
chegar a mais de 30 s para ventiladores e centrífugas, por exemplo, que têm elevada
inércia.
O limite para o motor é o chamado tempo de rotor bloqueado, que é o tempo
máximo que o motor pode resistir nesta condição (valor típico 20 s). O conjunto motor-carga
acelera porque o conjugado motor é maior que o conjugado resistente. A que resiste à
mudança de velocidade é o momento de inércia, que faz o mesmo papel da massa no
movimento linear. O momento de inércia é grosseiramente a integral das massas
multiplicadas pelo quadrado da distância ao eixo de rotação.
39
Cargas de elevada inércia merecem estudo especial do acionamento, para permitir
a aceleração do conjunto motor-carga. Muitas vezes a solução mais barata é o
sobredimensionamento do motor, resultando, em operação normal, numa conversão de
energia de baixo rendimento.
Ao indicar a substituição de um motor sobredimensionado por outro de menor
capacidade, deve-se certificar que o novo motor seja capaz de acionar a mesma carga,
acelerando-a em um intervalo de tempo inferior ao tempo de rotor bloqueado, que é o tempo
máximo que o rotor de uma máquina de indução pode ficar travado sem que a mesma sofra
danos devido ao calor dissipado pelas altas correntes. É especificado pelo fabricante.
Para calcular o tempo de aceleração do motor para acionar determinada carga
existem 2 métodos principais: uso de simulações computacionais: diversos softwares
específicos podem ser usados para calcular os valores; e uso de fórmulas analíticas: de
posse das informações dos motores é possível estimar o tempo com fórmulas analíticas.
Vamos dar enfoque às fórmulas analíticas. Analisando a Figura 4.2.4.3:
Figura 4.2.4.3 – Curva conjugado do motor x velocidade do carregamento e momento de inércia x
velocidade de carregamento.
Fonte: Notas de aula da disciplina Eficiência Energética
Onde:
Mm = Conjugado do motor;
Mc = Momento de inércia;
ns = velocidade síncrona;
nt = velocidade de trabalho.
De acordo com a figura acima, vê-se que o ponto de operação estável ocorre
quando MC = MM. Aplicando a 2ª lei de Newton (adaptada para movimentos circulares):
.
40
Logo:
Onde:
= Tempo de partida.
Da expressão anterior, percebe-se que é preciso conhecer a curva de conjugado e
o momento de inércia da carga. O desconhecimento dessas características é uma das
principais causas do sobredimensionamento dos motores, pois se usam fatores de
segurança que podem não estar adequados.
Basicamente, existem os seguintes tipos de cargas em um ambiente industrial:
Figura 4.2.4.4 – Tipos de cargas em ambiente industrial.
Fonte: Notas de aula da disciplina Eficiência Energética
(a) pontes rolantes, esteiras, guinchos, elevadores e semelhantes
(b) moinhos de rolo, bombas de pistão, plainas e serras
(c) ventiladores, exaustores e compressores
(d) máquinas operatrizes, frezadoras, mandriladoras e bobinadeiras
Todos os tipos de cargas anteriores podem ser genericamente descritos por:
Onde:
Mc = conjugado de carga (Nm);
N = rotação (RPM);
k1 e k2 = constantes a serem determinadas;
41
x = coeficiente de variação do conjugado em função da rotação.
Carga tipo
X
Constante
0
Linear
1
Quadrática
2
Inversa
-1
Tabela 4.2.4.2 - coeficiente de variação do conjugado em função da rotação.
Fonte: Notas de aula da disciplina Eficiência Energética
4.2.4.3
Analise Térmica
Visa verificar a elevação de temperatura durante o regime de operação normal do
motor. Essa análise é muito complexa, portanto são admitidas algumas hipóteses para
simplificar os cálculos.
Considerando o isolamento do motor como um corpo homogêneo, a elevação de
temperatura da máquina em relação ao ambiente pode ser estimada por:
Onde:
= elevação de temperatura final, em um tempo suficientemente longo, tal que
possa ser considerado como em regime permanente;
TA = Constante de tempo de aquecimento;
θ0 = Temperatura inicial.
A elevação de temperatura final na partida e em regime permanente pode ser
estimada, portanto, pelas seguintes expressões simplificadas:
Partida:
42
Em carga:
Onde:
nP = a velocidade média durante a partida
∆θLIM = a elevação máxima de temperatura correspondente à classe de isolação do
motor.
4.2.5 Conversores de freqüência
A tensão aplicada ao motor pode influenciar significativamente o desempenho de
um motor de indução trifásico, se a tensão é inferior à nominal, deve-se aumentar a corrente
para manter o mesmo torque. Portanto, as perdas Joule aumentam. Se a tensão é superior
à nominal, às perdas por histerese e correntes parasitas de Foucault aumentam, podendo
causar a saturação do motor.
Tensões desbalanceadas causam a circulação de correntes desbalanceadas que
provocam o aumento das perdas nos enrolamentos do motor e aquecimento do núcleo,
reduzindo sua vida útil.
Figura 4.2.5.1 – Aumento das perdas x desbalanço percentual da tensão
Fonte: Notas de aula da disciplina Eficiência Energética
43
Os conversores de freqüência se baseiam nessa variação da tensão e da
freqüência nos terminais do motor, de modo a manter o torque e o fluxo magnético
constantes:
Como P = T . n, reduzindo-se n quando necessário, reduz-se a potência.
Figura 4.2.5.2 - Esquema básico de um conversor de freqüência
Fonte: Notas de aula da disciplina Eficiência Energética
Considerando que ventiladores, bombas e outras máquinas rotativas nem sempre
operam em plena carga (a vazão varia) e que as vazões estão linearmente relacionadas
com a rotação da maquina, a utilização de variadores de freqüência possibilita o ajuste da
vazão sem introduzir perdas, alterando a rotação da máquina.
Normalmente, a forma de onda da tensão fornecida ao motor não é inteiramente
senoidal. Isso implica no aumento das perdas no rotor em torno de 15%. No entanto, a
economia de energia que a aplicação do conversor pode proporcionar supera esse aumento
das perdas.
No caso da instalação de conversores de freqüência em motores em operação, é
necessário verificar se o motor possui capacidade de reserva para acomodar esse aumento
de 15 % de perdas. Para projetos novos, a potência do motor deve ser calculada de acordo
com a equação abaixo:
44
Onde:
Pei = potência mínima solicitada ao eixo do rotor, em cv;
nmi = velocidade mínima do motor correspondente à potência mínima solicitada, em
RPM.
O uso indiscriminado de variadores de freqüência acarreta na geração de
harmônicos no sistema, devendo-se levar em conta tanto as implicações relativas à
eficiência energéticas nos serviços auxiliares da PCH, como também na qualidade da
energia disponibilizada não apenas internamente nos demais equipamentos, como também
para comercialização com os rigores que a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL)
impõe nos procedimentos de distribuição (PRODIST) regulamentados pela resolução
normativa 395/2009.
4.2.6 Fator de Potência
O fator de potência é o índice que indica o quanto de energia aparente (fornecida
pela concessionária) é transformada em energia que realiza trabalho. Quanto maior for esse
índice, que pode variar de 0 a 100%, maior será o aproveitamento de energia pelo
consumidor. Um baixo fator de potência provoca vários problemas, como variação de
tensão, redução do aproveitamento da capacidade dos transformadores e dos circuitos
elétricos, aquecimento irregular dos condutores etc.
A legislação determina que o fator de potência deve ser mantido o mais próximo
possível de 100%, porém permite um valor mínimo de 0,92% indutivo ou capacitivo. Se o
fator de potência estiver abaixo desse mínimo, a concessionária cobra na conta mensal a
energia reativa ou energia excedente.
4.2.6.1
Correção do fator de potencia
Quando se percebe que o fator de potência está abaixo de 0,92 é preciso corrigi-lo
de modo a evitar cobranças da concessionária. Para isso, o método mais utilizado é através
da instalação de capacitores, que são equipamentos elétricos capazes de anular a energia
reativa indutiva dos circuitos elétricos. Essa energia é substituída pela energia criada pelo
capacitor, chamada de energia reativa capacitiva. Há dois tipos de instalações de
45
capacitores: instalações com capacitores individuais ligados em cargas e instalações com
bancos de capacitores fixos ou automáticos, ligados na subestação de entrada de energia.
É importante ressaltar que a instalação com bancos de capacitores fixos ou
automáticos, apesar de apresentar um valor menor para instalação, corrige o fator de
potência da carga como um todo, não eliminando a alteração na qualidade da energia
provocada por equipamentos com baixo fator de potência. Recomenda-se a instalação de
capacitores individuais ligados em cargas, para que o baixo fator de potência por ela gerado
não tenha efeito nos demais equipamentos da instalação.
Também é importante evitar que os motores trabalhem em vazio, ou seja,
máquinas ligadas sem estar produzindo, assim como com grandes quantidades de motores
de baixa potência ou superdimensionados e evitar o uso de lâmpadas de descarga
fluorescente, vapor de mercúrio, vapor metálico que possuem reatores de baixo fator de
potência.
Pesquisa realizada pela WEG (www.weg.com.br) concluiu que se for feito um
trabalho de eficiência energética no parque nacional de motores elétricos industriais é
possível economizar mais energia que todas as PCHs (Pequenas Centrais Hidrelétricas) e
Termelétricas à Carvão juntas. É imprescindível que todo e qualquer empreendimento leve
em consideração as vantagens econômicas e ambientais da eficiência energética.
4.3 Eficiência energética em transformadores
Em geral, os transformadores são construídos para serem máquinas com elevada
eficiência, algo entre 96 e 99%. No entanto, eles não estão livres de perdas e se sabe que o
rendimento varia com o seu carregamento (PANESI, 2009).
Estima-se que cerca de 14% de toda a energia elétrica gerada no Brasil são
consideradas perdas (técnicas e comerciais) nos sistemas de transmissão e de distribuição
de energia elétrica. E 30% das perdas técnicas se devem às perdas nos núcleos dos
transformadores (PANESI, 2009).
Portanto, entender como se dão as perdas nos transformadores e meios de
determiná-las é um fator importante para melhorar a eficiência energética de uma PCH,
sobretudo pelo fato de um transformador ser um equipamento de longa vida útil. Uma
pequena perda pode significar ao longo de vários anos um grande prejuízo, justificando-se a
indicação de um equipamento mais eficiente.
46
Os seguintes aspectos contribuem para que os transformadores apresentem
valores baixos de perdas:
a) O transformador é uma máquina estática, ou seja, não tem partes rotativas, não
apresentando, portanto, perdas por atrito no eixo e por resistência do ar no
entreferro.
b) O núcleo é constituído por placas laminadas e dopadas de materiais de alta
resistência elétrica, as quais têm o objetivo de minimizar as perdas por
correntes parasitas.
c) Materiais com alta permeabilidade magnética são utilizados para diminuir as
perdas por histerese.
4.3.1 Perdas em Transformadores
O funcionamento dos transformadores é acompanhado de perdas, ou seja, parte
da potência absorvida é dissipada em forma de calor pelos enrolamentos primários e
secundários e pelo núcleo. Quando os transformadores estão operando sem carga ou com
um mínimo de carregamento, de acordo com a sua potência, diz-se que é acompanhado
das chamadas perdas em vazio (PICANÇO, 2009).
Operando sob carga, o transformador possui perdas concentradas nos seus
enrolamentos, denominadas perdas em carga. Tais perdas podem ser estimadas através de
ensaios de perdas em vazio e ensaios de perdas em curto-circuito.
a) Perdas Magnéticas: a transformação de tensão ocasiona perdas no núcleo
que podem ser analisadas com o transformador operando sem carga. Tal
operação é dita operação em vazio, onde se obtêm as perdas no núcleo. As
perdas em vazio são ocasionadas pela corrente de magnetização responsável
pelo estabelecimento do fluxo magnético. Neste caso, as perdas nos
enrolamentos são desprezíveis e, portanto, podem ser representadas pelas
perdas no núcleo que possuem duas componentes: perdas por histerese e
perdas Foulcalt. Esta última é também conhecida como perda por correntes
parasitas nas lâminas do núcleo.
47
A histerese é um fenômeno que descreve a energia consumida por um material
magnético, seu comportamento não-linear e sua natureza. Desta forma, a
histerese pode ser representada por uma curva de indução magnética, Bm,
versus intensidade de campo magnético, Hm. A área determinada por esta
curva indica a energia dissipada no núcleo em forma de calor durante um ciclo
de alimentação.
Figura 4.3.1 – Curva de Magnetização Inicial e Laço de Histerese.
Fonte: AVALIAÇÃO ECONÔMICA DE TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO COM BASE NO
CARREGAMENTO E EFICIÊNCIA ENERGÉTICA
As perdas em vazio totais são o resultado da soma das componentes de
perdas por histerese e Foulcalt conforme Equação.
As perdas em vazio geralmente representam menos de 1% da potência
nominal do equipamento e têm pouca dependência da carga, mas na rede de
distribuição influenciam no custo da energia para as perdas capitalizadas
(PICANÇO, 2006).
Os parâmetros massa e densidade do material de que é constituído o núcleo
do transformador, assim como sua arquitetura exercem influência direta nas
perdas em vazio tanto por histerese quanto por Foulcalt. Portanto, apenas
aspectos construcionais podem intervir na redução dessas perdas
48
b) Perdas em Carga: as perdas em carga são caracterizadas pelas perdas nos
enrolamentos primário e secundário do transformador e pelas perdas por
dispersão. As perdas nos enrolamentos variam com o quadrado da corrente de
carga I2R, e as perdas por dispersão ocorrem nos enrolamentos e em outras
partes estruturais do transformador (PICANÇO, 2006).
As perdas I2R são devido à corrente eficaz de carga, considerando-se a
resistência em corrente contínua, tendendo a aumentar com a elevação da
temperatura.
As perdas por correntes parasitas nos enrolamentos são devidas à passagem
de corrente alternada nos condutores, tendo tal fenômeno sua origem no efeito
pelicular.
Devido a este fato, surgem correntes parasitas nos condutores devido à lei de
Lenz, que tendem a se opor ao fluxo criado. Este efeito ocorre devido ao fluxo
de dispersão criado nos próprios condutores, aumentando a resistência do
cobre e, portanto, aumentando as perdas por efeito Joule pela elevação de
temperatura no condutor (PICANÇO, 2009).
Estas perdas - devido às correntes parasitas nos condutores para um campo
magnético uniforme e perpendicular à largura do condutor - dependem da
largura do condutor, da densidade magnética máxima e da freqüência. Para
campos magnéticos não uniformes, tal como o fluxo de dispersão nos
condutores, o cálculo das perdas por correntes parasitas torna-se uma
aproximação, pois depende da forma como o fluxo magnético corta a superfície
do cobre. Portanto, o dimensionamento da largura do condutor torna-se
fundamental para a redução destas perdas.
As outras perdas por dispersão também são devidas ao fluxo de dispersão
criado pelo transformador, porém se concentram em quaisquer partes
estruturais que não sejam nos enrolamentos.
Portanto as perdas em carga de um transformador podem ser expressas
conforme.
49
Desta forma, as perdas sob carga são diretamente relacionadas com o
carregamento do transformador.
4.3.2 Rendimento
Para o entendimento dos padrões de eficiência de energia aplicada em
transformadores, é primeiramente introduzido o conceito teórico de eficiência ou rendimento
em transformadores.
A eficiência de um transformador está relacionada à magnitude das suas perdas de
energia. Vale ressaltar que, tais perdas possuem também conseqüências financeiras.
O transformador deve ser projetado de modo a se adequar aos padrões de perdas,
geralmente estabelecidos em normas.
Na realidade, não existe uma definição geral sobre transformadores de alta
eficiência. Cada norma e cada país utiliza uma definição diferente, considerando perdas,
custos ou transformadores produzidos em um determinado período. Dentro deste contexto,
têm-se duas linhas principais mais difundidas na definição de eficiência em transformadores,
a Européia e a Americana.
Os transformadores de distribuição são máquinas de alto rendimento com
eficiência em torno de 99%. No entanto, quando instalados em redes elétricas, sob vários
níveis de tensão de distribuição, o total das perdas nesta rede é relativamente alto
(PICANÇO, 2006).
50
Figura 4.3.3 – Circuito equivalente de um transformador
Fonte: Notas de aula da disciplina Eficiência Energética
Onde:
Xl1 = reatância de dispersão do primário;
Xl2 = reatância de dispersão do secundário;
Rc = resistor fictício que representa as perdas no núcleo;
Xm = reatância de magnetização.
A eficiência de um transformador de distribuição pode ser definida como a relação
da potência de saída, Ps, pela potência de entrada, Pe conforme a equação.
O rendimento de um transformador pode ser definido por:
As perdas no transformador (Pperdas) incluem as perdas no núcleo (ferro): PC
(perdas por correntes parasitas e perdas por histerese) e as perdas no cobre: Pcu (perdas
ôhmicas), portanto:
51
4.3.2.1
Perdas no Cobre
As perdas no cobre podem ser determinadas se os parâmetros do transformador
forem conhecidos (corrente nos enrolamentos e resistência dos enrolamentos).
Onde:
Req,1 = resistência equivalente dos enrolamentos referida ao primário;
Req,2 = resistência equivalente dos enrolamentos referida ao secundário.
As perdas no cobre são, portanto, proporcionais ao quadrado da corrente de carga.
4.3.2.2
Perdas no Núcleo
As perdas no núcleo podem ser determinadas pelo teste em vazio, ou a partir dos
parâmetros do circuito equivalente.
As perdas no núcleo são, portanto, proporcionais ao quadrado da tensão aplicada.
4.3.2.3
Potência de Saída
A potência de saída do transformador pode ser obtida por:
Onde:
V2 = tensão na saída;
52
I2 = corrente na saída;
θ2 = defasagem angular entre os fasores V2 e I2.
Finalmente, a partir da obtenção dos valores de perdas no núcleo e no cobre, o
rendimento do transformador em estudo pode ser obtido, para qualquer condição de
operação por:
Considerando que a tensão na carga é mantida constante e que as perdas no
núcleo praticamente não variam com o carregamento, pode-se concluir que o rendimento
depende da corrente exigida pela carga (I2) e do fator de potência da carga (cosθ2)
Variação na corrente de carga (I2)
Considerando a tensão na carga (V2) e o fator de potência (cosθ2) constantes, e
avaliando somente a variação da corrente de carga (I2), tem-se que o rendimento máximo
ocorre para:
Temos que:
Logo:
E, finalmente, isolando PC:
53
Do resultado acima, pode-se concluir que o rendimento máximo ocorre quando as
perdas no núcleo se igualam às perdas no cobre.
Variação no fator de potência (cosθ2)
Considerando agora somente a variação do ângulo θ2, tem-se que o rendimento
máximo ocorre para:
Simplificando a expressão anterior, temos que:
Para que essa equação seja válida:
Ou
Portanto, o rendimento máximo ocorre para quando o fator de potência da carga
(cosθ2) é unitário.
Usualmente, emprega-se um gráfico que representa a variação do rendimento com
a corrente de carga e o fator de potência da carga.
54
Figura 4.3.3.1– Gráfico da variação do rendimento com a corrente de carga e o fator de potência.
Fonte: Notas de aula da disciplina Eficiência Energética
O transformador pode ser projetado para apresentar rendimento máximo para
corrente no secundário (I2) próxima da nominal.
De posse dessas informações o projetista pode determinar qual o transformador
que melhor atende as necessidades da carga especificada.
4.3.3 Fator de Potência
Caso o sistema elétrico da instalação possua um baixo fator de potência além de
ocasionar maiores perdas por efeito Joule devido à circulação da potência reativa,
aquecimento dos cabos e fatura de energia elétrica mais cara ocorrerá a redução do
aproveitamento das capacidades dos transformadores, tornando necessária a instalação de
bancos de capacitores a fim de corrigi-lo.
4.3.4 Harmônicos
A influência dos harmônicos nas perdas sob carga depende do carregamento do
transformador. Isto porque o efeito do aumento da corrente de carga devido às
componentes harmônicas faz com que a parcela I2R sofra um acréscimo.
55
Aproximadamente 5% das perdas em carga estão relacionadas com as correntes
parasitas. As perdas por corrente parasita variam com o quadrado da freqüência, e as
harmônicas a ela relacionadas tendem a aumentar tais perdas (PICANÇO, 2006).
O Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial –
INMETRO (www.inmetro.org.br) estuda a possibilidade de incluir no programa de
etiquetagem, as normas para que a indústria obtenha a etiqueta que indica o grau de
consumo de energia dos transformadores instalados nas redes brasileiras de distribuição de
energia elétrica. A etiqueta é semelhante às aplicadas em geladeiras, aparelhos de ar
condicionado e outros equipamentos elétricos, e foi criada por um grupo de 21 indústrias do
setor, para que as empresas combatam o desperdício de energia e aumentem a qualidade e
a eficiência dos equipamentos. Dessa forma, a regulamentação da Lei 10.295/2001, que
prevê padrões mínimos de eficiência energética para os aparelhos elétricos usados no
Brasil, apresenta-se como mais uma ferramenta para a aquisição de equipamentos mais
eficientes.
4.4 Eficiência energética em refrigeração
Com a necessidade de refrigeração do gerador, dos mancais, eventualmente dos
transformadores, além das salas controle e escritórios, um projeto eficiente de refrigeração
se faz necessário em uma pequena central hidrelétrica.
4.4.1 Princípio Básico
O fluxo de calor sempre ocorre da fonte quente para a fonte fria, logo quanto maior
a diferença de temperatura entre as fontes, maior será o fluxo de calor. Assim, é de grande
importância que esse transporte de calor se dê de modo eficiente, com um mínimo de
perdas.
Para uma substância passar do estado líquido para o gasoso é necessário que lhe
seja fornecido calor durante um certo período, até que se atinja a temperatura de
evaporação da mesma. Portanto, ao evaporar, a substância “retira” calor de um ambiente ou
de um corpo. Para conseguir essa diferença de temperatura utilizam-se substâncias que
evaporem a baixas temperaturas (VIEIRA JR, 2010).
56
O processo de refrigeração, em que o calor é transferido de um ambiente para
outro, se dá obedecendo a um ciclo termodinâmico. Em se tratando de refrigeração, os
principais ciclos termodinâmicos são: ciclo de refrigeração padrão por compressão, ciclo de
refrigeração por absorção e ciclo de refrigeração por magnetismo.
Será abordado apenas o ciclo de refrigeração padrão por compressão, mas antes
de explicar suas características, algumas definições importantes são necessárias.
4.4.2 Agentes refrigerantes ou simplesmente Refrigerantes
Em qualquer processo de refrigeração a substância empregada como absorvente
de calor ou agente de esfriamento é chamada de refrigerante. Os primeiros refrigerantes
que inovaram completamente o campo da refrigeração pelo simples fato de atingir um ponto
de ebulição extremamente baixo e de não ser tóxica e inflamável foram a família CFC:
CFC 12 (diclorodifluormetano) – ebulição a -29,8º C (nível do mar)
CFC 22 (monoclorodifluormetano) – ebulição a -40,8º C (nível do mar)
Com a substituição progressiva dos fluidos da família CFC, devido à constatação
de ser considerado um gás estufa que agride a camada de ozônio da atmosfera, estão
sendo aplicados os seguintes tipos de substâncias:
HCFC – clorofluorcarbonos parcialmente halogenados
HCF – fluorcarbonos parcialmente halogenados
HC – hidrocarbonetos não halogenados
4.4.3 Definições
a) Temperatura de saturação: é a temperatura na qual se dá a vaporização de
uma substância pura a uma dada pressão: pressão de saturação (VIEIRA JR,
2010).
b) Líquido saturado: quando uma substancia encontra-se em estado líquido à
temperatura e pressão de saturação.
57
c) Líquido sub-resfriado (líquido comprimido): quando a temperatura do
líquido é menor que a temperatura de saturação para a pressão existente.
d) Vapor saturado (vapor saturado seco): quando uma substância se encontra
completamente como vapor na temperatura de saturação.
e) Vapor superaquecido: quando o vapor está a uma temperatura maior do que
a temperatura de saturação.
f) Energia interna (u): é a energia possuída pela matéria devido ao movimento
e/ou forças intermoleculares. É decomposta em duas partes: Energia cinética –
devida à velocidade das moléculas; Energia potencial – devida às forças de
atração existente entre as moléculas.
g) Entalpia (h): grandeza física que busca medir a energia em um sistema
termodinâmico que está disponível na forma de calor, isso a pressão constante.
Onde:
u = energia interna;
P = a pressão;
V = o volume.
h) Entropia (s): é uma medida do grau de desordem molecular de um sistema
termodinâmico. Exemplo de aumento de entropia: gelo derretendo.
i)
Título (x): é a relação entre a massa de vapor e a massa total (líquido+vapor).
4.4.4 Primeira Lei da Termodinâmica (Lei da Conservação da Energia)
A energia total transferida para um sistema é igual à variação da sua energia
interna (VIEIRA JR, 2010).
58
4.4.5 Segunda Lei da Termodinâmica
“A quantidade de entropia de qualquer sistema isolado termodinamicamente, que
ainda não atingiu o equilíbrio, tende a incrementar-se com o tempo, até alcançar um valor
máximo”. Mais sensivelmente, quando uma parte de um sistema fechado interage com outra
parte, a energia tende a dividir-se por igual, até que o sistema alcance um equilíbrio térmico
(VIEIRA JR, 2010).
4.4.6 Ciclo de Refrigeração por Compressão
É o ciclo termodinâmico dos refrigeradores e aparelhos de ar condicionado.
Principais
componentes:
Compressor,
Condensador,
Dispositivo
de
Expansão
e
Evaporador. Figura 4.4.6.1.
1 – 2 - O líquido saturado passa pelo dispositivo de expansão, sendo submetido a
uma queda de pressão brusca e então passa a ter dois estados: líquido e gasoso.
A temperatura cai ao valor da temperatura de evaporação do refrigerante.
2 – 3 - O refrigerante entra no evaporador e se vaporiza, absorvendo o calor do
ambiente a ser refrigerado.
3 – 4 - O vapor é succionado pelo compressor, que aumenta sua pressão e
temperatura.
4 – 1 - O refrigerante segue diretamente ao condensador, onde o calor retirado do
ambiente a ser refrigerado é rejeitado para as vizinhanças, causando sua mudança
de estado de vapor para líquido.
59
Figura 4.1.1 - Ciclo de Refrigeração por Compressão.
Fonte: Notas de aula da disciplina Eficiência Energética
4.4.6.1
Grandezas envolvidas no ciclo de refrigeração
a) Trabalho do compressor (WC)
b) Calor adicionado no evaporador (Qentra) (capacidade frigorífica)
c) Calor rejeitado no condensador (Qsai)
d) Válvula de expansão: h2 = h1
e) Coeficiente de desempenho (COP)
Onde:
h = massa específica do fluido (kJ/kg);
m = vazão em massa do fluido (kg/s).
60
4.4.6.2
Perdas no ciclo termodinâmico
a) Perdas por quedas de pressão causadas pelo atrito da passagem do
refrigerante pelo sistema;
b) Perdas por superaquecimento do vapor na sucção para evitar a entrada de
líquido no compressor;
c) Perdas por sub-resfriamento do líquido na saída do condensador, criando um
novo estado representado por h1’.
No processo de compressão ocorrem perdas de energia no compressor e o mesmo
perde uma pequena quantidade de calor ao meio ambiente. O processo real deixa de ser
isoentrópico. Este efeito é observado considerando o rendimento do conversor por meio da
seguinte expressão:
O novo valor de entalpia h4’ corresponde ao ciclo real.
4.4.7 Parâmetros que Influenciam o COP
a) Influência da temperatura de vaporização no ciclo teórico: no geral, a cada
1º C de aumento na temperatura de evaporação, reduz-se o consumo de
energia entre 2 e 4%;
61
Figura 4.4.7.1 - Influência da temperatura de vaporização no ciclo teórico.
Fonte: Notas de aula da disciplina Eficiência Energética
b) Influência da temperatura de condensação no ciclo teórico: no geral, a
cada 1º C de redução na temperatura de condensação, reduz-se o consumo de
energia entre 1,5 e 3%;
Figura 4.4.7.2 - Influência da temperatura de condensação no ciclo teórico.
Fonte: Notas de aula da disciplina Eficiência Energética
62
c) Influência do sub-resfriamento do líquido no ciclo teórico: a redução na
temperatura de sub-resfriamento ocasiona o aumento no COP. Lembrando
que: Qentra = m.(h3 – h2) e COP = Qentra / WC
Figura 4.4.7.3 - Influência do sub-resfriamento do líquido no ciclo teórico.
Fonte: Notas de aula da disciplina Eficiência Energética
d) Influência do superaquecimento do líquido no ciclo teórico:
depende do tipo do refrigerante. Pode tanto aumentar quanto reduzir o
COP.
Figura 4.4.7.4 - Influência do superaquecimento do líquido no ciclo teórico
Fonte: Notas de aula da disciplina Eficiência Energética
63
4.4.8 Sistemas de Ar Condicionado
Em pequenas instalações como residências, escritórios, lojas etc. os parelhos
utilizados são janelas, mini split, self. Aqui se utiliza o próprio refrigerante como meio de
extração de calor.
Geralmente para grandes
instalações
como hospitais,
shopping centers,
hipermercados, etc. os aparelhos utilizados são chillers, torres de resfriamento, bancos de
gelo. Nesse caso, utiliza-se geralmente a água como fluido na retirada de calor do ambiente
4.4.8.1
Aparelhos de ar condicionado tipo janela
Equipamentos compactos autocontidos que reúnem, numa única caixa ou unidade,
todas as funções requeridas para o funcionamento do ar condicionado. A totalidade do ciclo
de refrigeração é realizada no interior da caixa do equipamento.
Figura 4.4.8.1.1 - Aparelhos de ar condicionado tipo janela.
Fonte: Notas de aula da disciplina Eficiência Energética
64
4.4.8.2
Sistema Split
Os equipamentos split (separado) diferenciam-se dos sistemas compactos por
estarem divididos em duas unidades ou caixas separadas, uma situada no exterior e outra
no interior do local a climatizar. Esta separação tem como objetivo dividir as fases do ciclo
de refrigeração, ficando a fase de evaporação no interior e a fase de condensação no
exterior. Ambas as unidades estão unidas entre si, através de tubos por onde circula o
refrigerante.
Além do fato de que o lado frio e o lado quente estão separados e a capacidade é
maior (em função dos trocadores de calor e compressores serem maiores), não existe
diferença entre um sistema do tipo split e um ar condicionado tipo janela.
Figura 4.4.8.2.1 - Aparelhos de ar condicionado sistema split.
Fonte: Notas de aula da disciplina Eficiência Energética
4.4.9 Redução do Consumo de Energia Elétrica
4.4.9.1
Ajustes do Controle do Ar Externo
Em sistemas de ar condicionado em que é admitido ar externo para renovação,
cargas excessivas de ar exterior levam a elevado consumo, uma vez que será gasta uma
quantidade extra de energia elétrica para resfriar tal excesso.
65
Deve-se avaliar criteriosamente a quantidade de ar requerido, realizar medidas da
vazão real do ar e dimensionar corretamente a carga térmica.
Usualmente válvulas de controle são utilizadas para controlar a vazão do ar, mas
na ausência destas, o controle deve ser feito manualmente.
4.4.9.2
Iluminação
Por mais eficientes que sejam, as lâmpadas provocam o aumento da carga
térmica, conseqüentemente maior consumo para o sistema de refrigeração. Logo,
recomenda-se que o uso das lâmpadas seja feito de forma racional.
4.4.9.3
Limpeza de Filtros, Condensador e Evaporador
Filtros obstruídos acarretam aumento no consumo de energia elétrica, pois o motor
do ventilador é forçado a trabalhar contra um aumento de pressão. Neste caso, pode-se
estimar o excesso de energia pela seguinte expressão:
Onde:
N = potência, em cv;
Q = vazão em m3/s;
PT = pressão total, em mmca (milímetro de coluna d’água).
A presença de sujeira prejudica a eficiência dos trocadores de calor, portanto
ocorre um aumento do consumo de energia elétrica.
4.4.9.4
Nível inadequado da temperatura
Quando as temperaturas medidas em uma câmara frigorífica ou em um ambiente
condicionado estiverem abaixo dos valores recomendados, haverá um consumo
66
desnecessário de energia elétrica. Isso pode ser corrigido regulando o termostato
adequadamente.
4.4.9.5
Incidência direta dos raios solares e/ou isolamento
ineficiente
Proteger o ambiente a ser refrigerado da incidência direta de raios solares para
evitar o aumento do consumo da carga térmica. Evitar abrir portas e janelas além do
necessário, pois o ar externo aumentará a carga térmica.
67
5 Conclusão
A construção de PCH's ganha força no cenário brasileiro, principalmente por
causarem menores impactos ambientais e apresentarem tempo de construção mais rápido.
Da mesma forma os aspectos tecnológicos avançam em velocidade elevada a cada dia e
devem ser considerados na prospecção do empreendimento, demandando revisões de
critérios de projetos em função destas mudanças.
É preciso utilizar critérios adequados e coerentes para a definição da filosofia do
sistema de serviço auxiliar elétrico de uma usina, pois, no caso de escolha inadequada,
pode-se elevar os custos do empreendimento, inviabilizando o mesmo. Também deve-se
tomar cuidado para não adotar uma filosofia pobre que comprometa a confiabilidade da
usina. Tais critérios são referenciados em diretrizes da Eletrobrás, que foram elaboradas
com base na legislação vigente e normas técnicas, e devem ser de conhecimento de todos
os profissionais envolvidos nas fases de viabilidade e implantação destas usinas.
Alguns critérios de projeto alinhados com otimizações são orientados pela própria
Eletrobrás por meio das diretrizes para elaboração de projeto básico e de estudo de
viabilidade. É de suma importância considerar estas otimizações ainda na fase de estudo de
viabilidade, para que o empreendimento, como um todo, produza os resultados esperados,
tanto do ponto de vista econômico, como social e ambiental, deve-se atentar para seguir
essas orientações da Eletrobrás e usufruir do empreendimento ao longo de toda sua vida
útil.
Observa-se ainda o emprego de critérios de projetos antigos, que devem ser
revisados considerando as evoluções tecnológicas ocorridas nos últimos tempos, e que tais
critérios demandarão revisões permanentes em função do rápido avanço tecnológico. Uma
política de retrofit em empreendimentos antigos irá oferecer uma sobrevida ao
empreendimento, possibilitando prolongar seu tempo de uso.
Os serviços auxiliares devem ser concebidos para se obter uma solução adequada,
compatível com o grau de confiabilidade necessária à operação da usina sob os aspectos
de continuidade de serviço e segurança da usina, de pessoal, de terceiros e do sistema
elétrico de tal forma que eles possam realizar as tarefas aos quais são requeridos, mas não
desgastar o sistema elétrico no processo.
Observa-se que os serviços auxiliares elétricos representam um custo de 3% a 5%
em relação ao desembolso total do empreendimento, dependendo de suas características.
Demonstrando, dessa forma, que um incremento no valor a ser gasto em serviços auxiliares
decorrente de equipamentos com eficiência energética superior aos convencionais não
68
representa um aumento significativo no valor total do empreendimento. Porém significará
uma redução permanente no custo de manutenção e operação da usina.
Com a elevada vida útil de uma PCH, a diminuição do custo de manutenção e de
operação compensará o acréscimo no investimento inicial. Vale ressaltar que a filosofia de
eficiência energética não deve ser especificamente na implantação do projeto, mas ao longo
de todo seu tempo operacional para que essas vantagens sejam garantidas.
Não se pode deixar de ressaltar a economia ambiental resultante de uma melhor
gestão energética durante a própria geração de uma PCH, uma vez que a própria
concepção de uma pequena central hidrelétrica visa a geração de energia de forma a
agredir menos o meio ambiente, é de suma importância evidenciar o quão significativa
ambientalmente tal economia representa.
Em todo o mundo, e em particular no Brasil, projetos de eficiência energética são
implantados com excelentes resultados. O Hospital de Clínicas da UNICAMP implantou
projeto de eficiência energética de iluminação que teve como objetivo o re-projeto e a
instalação de luminárias, reatores e lâmpadas fluorescentes eficientes no seu segundo
andar. A filosofia do trabalho baseou-se na manutenção das iluminâncias dos locais dentro
dos níveis aceitáveis prescritos na norma NBR 5413 da ABNT. Além da economia real de
energia elétrica, obtida através de medições de consumo (kW) nos vários alimentadores do
andar, antes e depois das alterações, que era o objetivo principal do projeto, foram
avaliadas também, a qualidade da energia entregue nos pontos de consumo bem como o
nível de satisfação dos usuários do novo sistema de iluminação implantado.
A economia obtida com os equipamentos instalados foi de 60,93%, valor muito
maior do que o previsto inicialmente que era de 33,8%. A economia medida adotada para o
cálculo econômico final foi de 45%.
Os resultados do projeto foram excelentes porque se conseguiu manter o orçamento
previsto e obteve-se uma economia de energia superior à prevista. O retorno estimado do
projeto que era de 39 meses foi reduzido para 18 meses.
Outras melhorias importantes provocadas pelo projeto no que dizem respeito à qualidade de
energia foram o fator de potência nos circuitos medidos e o nível de distorção harmônica
total (THD) dos alimentadores dos quadros de carga. O nível de iluminância teve uma
melhora
média
de
20
a
35%,
apesar
da
economia
de
energia
realizada
(www.fem.unicamp.br).
As soluções de engenharia propostas não podem prejudicar a confiabilidade do
empreendimento nos aspectos legais, técnicos e de segurança. Porém, devem reduzir, ao
máximo, o consumo próprio de energia de maneira a não comprometer financeiramente ao
longo do processo de operação da PCH.
69
6 Bibliografia
MIRANDA, Roberto Lobo. Regulação Técnica para se Obter Melhor Eficiência na
Motorização de Pequenas Centrais Hidrelétricas no Brasil – Dissertação de Mestrado
em Regulação da Indústria de Energia – Universidade de Salvador – Salvador, 2009.
PANESI, André R. Quinteros. Fundamentos de Eficiência Energética - Editora Ensino
Profissional – São Paulo, 2006.
SCHREIDER, Gerhard Paul. Usinas Hidrelétricas. Editora Edgar Blucher Ltda. – São Paulo
1978.
PICANÇO, Alessandra Freitas. Dissertação de Mestrado: AVALIAÇÃO ECONÔMICA DE
TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO COM BASE NO CARREGAMENTO E
EFICIÊNCIA ENERGÉTICA – Universidade Federal de Itajubá – 2006.
VIEIRA JR, José Carlos de Melo. Notas de aula da disciplina: Eficiência Energética –
Universidade de São Paulo – Escola de Engenharia de São Carlos – 2010.
AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA <www.aneel.gov.br> Acesso 25.09.2010.
Banco de Informação de Geração.
AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA <www.aneel.gov.br> Acesso 25.09.2010.
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CANÇADO, Álvaro Batista et al - Confiabilidade e economia em sistemas de serviços
auxiliares técnicos de PCH's <http://www.osetoreletrico.com.br/> - Acesso 01.10.2010.
COMO TUDO FUNCIONA <http://casa.hsw.uol.com.br/ar-condicionado1.htm> Acesso em
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Acesso em 01.10.2010. DIRETRIZES PARA
PROJETOS DE PCH
RECEITA FEDERAL DO BRASIL <www.receita.fazenda.gov.br> Acesso 25.09.2010. REIDI
70
CATÁLOGO WEG <www.weg.com.br> Acesso 27.09.2010
UNICAMP www.fem.unicamp.br Acesso 30.10.2010
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