<\/p>\n
Este artigo apresenta algumas considera\u00e7\u00f5es para uma turbina flutuante, aplicabilidade dos geradores e modos poss\u00edveis de acoplamento do gerador com a turbina. As investiga\u00e7\u00f5es s\u00e3o importantes, baseado na inevit\u00e1vel necessidade de o acoplamento permitir a multiplica\u00e7\u00e3o da velocidade do conjunto turbina-gerador, onde o custo benef\u00edcio pode viabilizar ou n\u00e3o o projeto, frente a capacidade em KW do recurso a ser explorado.<\/p>\n
\u00a0<\/strong><\/p>\n <\/p>\n Os aproveitamentos dos recursos naturais h\u00eddricos de pequeno porte est\u00e3o cada vez mais em debate na atualidade. Seja devido \u00e0 escassez ou diminui\u00e7\u00e3o de grandes potenciais ou pela dificuldade ambiental imposta [1], ou ainda, pelo simples fato econ\u00f4mico, uma vez que \u00e9 atrativo comercial a exist\u00eancia do pr\u00f3prio recurso natural, e, em se disponibilizar m\u00e1quinas geradoras a baixos custos a um leque maior de poss\u00edveis clientes donos de tais recursos. Este fato j\u00e1 \u00e9 realidade quando se analisa o comportamento da dissemina\u00e7\u00e3o da energia solar. Hoje, principalmente em pa\u00edses mais desenvolvidos, mas aqui tamb\u00e9m, cada vez mais pain\u00e9is solares s\u00e3o vistos nos telhados das casas e pr\u00e9dios, demonstrando que este tipo de sistema n\u00e3o atrai consumidores espec\u00edficos da \u00e1rea, ou seja, as pessoas est\u00e3o interessadas em investir e obter algum proveito financeiro ao instalar o sistema, estimuladas pelo pre\u00e7o cada vez mais acess\u00edvel e pela simplicidade e praticidade desse tipo de instala\u00e7\u00e3o. Este fato, embora em menor escala, tamb\u00e9m se verifica com as turbinas e\u00f3licas de pequeno porte abaixo de 2 KW. Assim sendo, n\u00e3o poderia ser diferente com as turbinas h\u00eddricas com pot\u00eancia semelhante. Considerando aqui somente os modelos de turbinas hidrocin\u00e9ticas, flutuantes, submersas ou parcialmente submersas de cerca de 5 KW, capazes de produzir esta energia em um fluxo de \u00e1gua de cerca de 3m\/s. Ent\u00e3o para este caso espec\u00edfico, onde descrevemos um conjunto gerador flutuante, vamos considerar os itens envolvidos em uma instala\u00e7\u00e3o, apontando algumas solu\u00e7\u00f5es pr\u00e1ticas poss\u00edveis, visando sempre a economia e simplicidade do conjunto de gera\u00e7\u00e3o.<\/p>\n <\/p>\n <\/p>\n \u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 <\/strong>Este item precisa ser levado em conta no momento do projeto de uma pequena central geradora. A escolha ideal do modelo de m\u00e1quina que vai se encaixar em uma dada alternativa, \u00e9 fator determinante da capacidade da central. Assim, obedecendo o desejo do m\u00e1ximo aproveitamento do recurso, devemos analisar este \u00faltimo em conjunto com as m\u00e1quinas que melhor venham a cumprir o crit\u00e9rio de rendimento esperado num caso espec\u00edfico [3]. Citamos o exemplo de uma pequena central geradora instalado em determinado rio cujo fluxo de \u00e1gua se mant\u00e9m constante. Neste caso, a escolha recai sobre um gerador ass\u00edncrono, cujo arranjo permite que a energia gerada possa ser explorada em uma situa\u00e7\u00e3o isolada ou em paralelo com a rede p\u00fablica de distribui\u00e7\u00e3o. Neste caso a rota\u00e7\u00e3o estar\u00e1 sempre acima da s\u00edncrona (rota\u00e7\u00e3o s\u00edncrona + escorregamento, para injetar pot\u00eancia ativa), garantida pelo fluxo constante de \u00e1gua. Por outro lado, se o fluxo de \u00e1gua apresenta um \u00edndice de varia\u00e7\u00e3o consider\u00e1vel, se reduzindo fortemente, ou em torres e\u00f3licas, onde o vento varia de zero ao m\u00e1ximo, a escolha recai sobre os geradores PMG, cujo arranjo permite que se explore um percentual de energia mesmo em rota\u00e7\u00f5es abaixo da s\u00edncrona, permitindo assim seu uso dentro de uma faixa de rota\u00e7\u00e3o. Nesta configura\u00e7\u00e3o, a energia poder\u00e1 ser explorada atrav\u00e9s do uso de inversores de frequ\u00eancia e\/ou carregadores de bateria, podendo tamb\u00e9m ser injetada na rede p\u00fablica de distribui\u00e7\u00e3o. Assim, a energia gerada por uma m\u00e1quina ass\u00edncrona pode ser aproveitada sem a necessidade de dispositivos retificadores ou inversores (a menos que seja um caso isolado, necessitando de capacitores), ao passo que o PMG, necessita de dispositivos auxiliares de retifica\u00e7\u00e3o, bateria ou inversores de frequ\u00eancia, mas pode gerar energia dentro de uma faixa maior de rota\u00e7\u00e3o.<\/p>\n <\/p>\n <\/p>\n A fabrica\u00e7\u00e3o de geradores PMG para aplica\u00e7\u00f5es em baixa pot\u00eancia, com rota\u00e7\u00e3o da m\u00e1quina prim\u00e1ria vari\u00e1vel de zero ao m\u00e1ximo (por exemplo em uma turbina com fluxo de \u00e1gua variado ou em uma torre e\u00f3lica), precisa ser previamente investigada. Podemos lan\u00e7ar m\u00e3o do uso de um gerador s\u00edncrono monof\u00e1sico de im\u00e3s permanentes de fluxo axial. Esta configura\u00e7\u00e3o possibilita maior simplicidade pr\u00e1tica na fabrica\u00e7\u00e3o da m\u00e1quina, feita com im\u00e3s redondos ou retangulares, montados sobre discos girat\u00f3rios. Numa montagem monof\u00e1sica, resulta em um mesmo n\u00famero de bobinas e im\u00e3s, caso da Figura 01 e Figura 02.<\/p>\n <\/p>\n Figura 01 – Gerador Monof\u00e1sico Axial<\/p>\n <\/p>\n J\u00e1 em uma montagem trif\u00e1sica, dever\u00e1 existir uma rela\u00e7\u00e3o que resulte em uma defasagem de 120\u00ba el\u00e9tricos entre as fases. A rela\u00e7\u00e3o \u00e9 obtida pela diferen\u00e7a entre o n\u00famero de bobinas e o n\u00famero de p\u00f3los. Esta rela\u00e7\u00e3o para este tipo de gerador, n\u00e3o \u00e9 igual em m\u00e1quinas com n\u00famero par ou limpar de pares de p\u00f3los. A montagem tem o inconveniente de resultar com espa\u00e7os interpolares no estator n\u00e3o aproveitados.<\/p>\n <\/p>\n Figura 02 \u2013 Geradores Monof\u00e1sicos Radiais<\/p>\n <\/p>\n Mesmo em uma montagem trif\u00e1sica tais espa\u00e7os aparecem, mesmo se a configura\u00e7\u00e3o for modificada para termos um fluxo radial, caso da Figura 03, onde o espa\u00e7o necess\u00e1rio para as bobinas conc\u00eantricas \u00e9 inevit\u00e1vel, gerando perda de espa\u00e7o \u00fatil na m\u00e1quina e como consequ\u00eancia, baixo aproveitamento das partes ativas do gerador, principalmente dos im\u00e3s.<\/p>\n <\/p>\n Figura 03 \u2013 Gerador Trif\u00e1sico Radial<\/p>\n <\/p>\n Com esta an\u00e1lise e desejando o m\u00e1ximo em rendimento, geradores PMG resultam mais eficientes quando constru\u00eddos da forma tradicional usada em geradores, ou seja, fluxo radial e bobinagem conc\u00eantrica ou imbricada feita em ranhuras no estator. Nestes arranjos, os espa\u00e7os interpolares s\u00e3o preenchidos por bobinas de mais fases [4]. A prefer\u00eancia recai sobre tr\u00eas fases, at\u00e9 pelo fato de ser este o n\u00famero de fases de nosso sistema de distribui\u00e7\u00e3o. No entanto, desde que o projeto permita, podemos fazer o gerador com quatro ou mais fases.<\/p>\n <\/p>\n Figura 04 \u2013 Gerador Trif\u00e1sico com Ranhuras para as Bobinas do Estator<\/p>\n <\/p>\n Nesse caso, \u00e9 importante observar que a utiliza\u00e7\u00e3o de um pequeno n\u00famero de ranhuras por p\u00f3lo e fase, pode carregar a sen\u00f3ide com indesej\u00e1vel n\u00edvel harm\u00f4nico. Isto caso se utiliza passo pleno e estator sem tor\u00e7\u00e3o axial (inclina\u00e7\u00e3o). Ao utilizar pequeno n\u00famero de ranhuras por p\u00f3lo e fase e adotando um encurtamento de passo afim de minimizar o n\u00edvel harm\u00f4nico, o fator de encurtamento de apenas uma ranhura, no caso o m\u00ednimo poss\u00edvel, j\u00e1 ser\u00e1 demasiadamente grande e resultar\u00e1 em um fator de enrolamento muito baixo.<\/p>\n Naturalmente, um fator de enrolamento baixo, solicita maior necessidade de fluxo magn\u00e9tico, ou maior rota\u00e7\u00e3o, para produzir a mesma amplitude de tens\u00e3o [1].<\/p>\n Este fato tamb\u00e9m \u00e9 imposto ao se usar o fator de obliquidade, ou tors\u00e3o do estator, que apresentando um \u00e2ngulo muito alto, vai implicar num fator de enrolamento inadequado para a m\u00e1quina em projeto. \u00a0Em m\u00e1quina maiores, estes fatores s\u00e3o mais f\u00e1ceis de se satisfazer. Um fator de enrolamento de 0,96, satisfat\u00f3rio, atingido atrav\u00e9s do encurtamento de passo e obliquidade, resultando em uma sen\u00f3ide com baixos \u00edndices harm\u00f4nicos [4]. Tamb\u00e9m, n\u00fameros fracion\u00e1rios de ranhuras por p\u00f3lo e fase s\u00e3o v\u00e1lidos, podendo se dispensar a obliquidade [4], [5]. Valores desej\u00e1veis para o fator de encurtamento perto de 0,965 apresentam os menores \u00edndices de harm\u00f4nicos [6].<\/p>\n <\/p>\n Figura 05 \u2013 Curva do Fator de Encurtamento<\/p>\n <\/p>\n Em m\u00e1quina pequenas, a disponibilidade de fluxo \u00e9 fator custo, onde dos im\u00e3s deve-se obter a capacidade magn\u00e9tica [1]. Limitar as indu\u00e7\u00f5es em cada trecho, sem saturar demasiadamente o a\u00e7o do circuito magn\u00e9tico, conferem reserva magn\u00e9tica necess\u00e1ria quando do funcionamento em carga [1]. Al\u00e9m, disso, devemos ter especial aten\u00e7\u00e3o no formato da periferia das expans\u00f5es polares dos p\u00f3los. Convencionalmente, se utilizam os raios das expans\u00f5es polares que resulte um entreferro nas bordas com cerca de 1,5 a 2 vezes o entreferro no centro do p\u00f3lo [5] e uma expans\u00e3o com comprimento de cerca de 65 a 72% do passo polar [4], fazendo com que as linhas de for\u00e7a cortam gradativamente as bobinas do estator.<\/p>\n <\/p>\n Figura 06 \u2013 Modelos de Periferia dos P\u00f3los e suas Sen\u00f3ides<\/p>\n <\/p>\n <\/p>\n Tratando-se de m\u00e1quinas prim\u00e1rias de baixa rota\u00e7\u00e3o, acopla-las a um gerador diretamente em seu eixo, resultaria em m\u00e1quinas muito grades e caras. Considerando um exemplo de uma turbina flutuante de tr\u00eas est\u00e1gios de 6,5KW operando em um rio cujo fluxo resulte em uma rota\u00e7\u00e3o em plena carga de 16 RPM. Para essa rota\u00e7\u00e3o s\u00edncrona, o gerador ter\u00e1 de ser constru\u00eddo com 450 p\u00f3los.<\/p>\n <\/p>\n Figura 07 – Turbina Flutuante de tr\u00eas est\u00e1gios<\/p>\n <\/p>\n Sem d\u00favidas, resulta em um n\u00famero muito alto de pe\u00e7as e uma m\u00e1quina de grande di\u00e2metro. Para esta situa\u00e7\u00e3o, a escolha seria construir um rotor multip\u00f3los a partir de um ou mais im\u00e3s permanentes centrais, como sugerido na Figura 08, cujo rotor tem 8 p\u00f3los e um im\u00e3 [1]. No entanto, o peso do gerador seria alto e exigiria um conjunto de barcos flutuante muito grandes.<\/p>\n <\/p>\n Figura 08 – Rotor multipolos com \u00fanico im\u00e3<\/p>\n <\/p>\n No entanto, a forma mais conveniente de se acoplar uma turbina de baixa rota\u00e7\u00e3o a um gerador, \u00e9 atrav\u00e9s de dispositivos multiplicadores de velocidade. Existem v\u00e1rias maneiras de se fazer este acoplamento, seja usando correias ou engrenagens. \u00c9 importante levar em considera\u00e7\u00e3o que grandes rela\u00e7\u00f5es de multiplica\u00e7\u00e3o podem ser problem\u00e1ticas em fun\u00e7\u00e3o do elevado torque a ser transmitido [1], principalmente durante a partida do gerador. Fato mais relevante em geradores de im\u00e3s permanentes, onde o rotor em repouso est\u00e1 \u201cagarrado\u201d magneticamente ao estator. Transmiss\u00f5es usando correias n\u00e3o s\u00e3o interessantes em turbinas flutuantes devido \u00e0 presen\u00e7a constante da \u00e1gua, fazendo com que elas deslizem sobre as polias ou se deterioram. Mesmo correias dentadas ter\u00e3o baixa vida \u00fatil.<\/p>\n <\/p>\n Figura 09 – Turbina Flutuante com multiplica\u00e7\u00e3o 25X com 3 carreias em dois eixos<\/p>\n <\/p>\n Adotando-se uma solu\u00e7\u00e3o com multiplicadores planet\u00e1rios, consegue-se grande rela\u00e7\u00e3o de transmiss\u00e3o e torque necess\u00e1rio em um dispositivo relativamente pequeno. Lembrando novamente que o fator peso em uma turbina flutuante deve ser considerado, buscando sempre que ela seja leve o que diminui o tamanho do sistema flutuante. Este sistema flutuante precisa ser resistente n\u00e3o somente para suportar o peso das m\u00e1quinas nele instalado, mas tamb\u00e9m resistir aos constantes golpes produzidos pela \u00e1gua, que pode levar a fadiga em pouco tempo, naufragando a usina. Estes barcos flutuantes normalmente constituem-se de blocos de isopor revestidos com fibra de vidro tramados e impregnado com resinas ep\u00f3xis.<\/p>\n <\/p>\n Figura 10 – Multiplicador planet\u00e1rio 25X com 2 est\u00e1gios<\/p>\n <\/p>\n Multiplicadores planet\u00e1rios podem ser empregados com transmiss\u00e3o em linha ou em 90\u00ba [2]. Dependendo do tamanho do conjunto, principalmente em sistemas pequenos com at\u00e9 1KW, pode-se usar multiplicadores planet\u00e1rios em 90\u00ba e fixando o gerador sobre o multiplicador, deixando a montagem bem perto da roda da turbina, o que melhora o centro de gravidade do conjunto.<\/p>\n <\/p>\n Figura 11 – Multiplicadoresem linha e 90\u00ba SCANTECH<\/p>\n <\/p>\n Este tipo de dispositivo apresento boa veda\u00e7\u00e3o, impedindo a entrada de \u00e1gua. Mesmo assim, deve-se providenciar de alguma forma, tampas e prote\u00e7\u00f5es no multiplicador e no gerador, sejam com transmiss\u00e3o via correias ou com engrenagens, impedindo que a \u00e1gua entre em contato com as pe\u00e7as m\u00f3veis ou a contamina\u00e7\u00e3o da \u00e1gua do rio pelos produtos lubrificantes usados nessas pe\u00e7as.<\/p>\n <\/p>\n Figura 12 – Gerador fixo sobre um multiplicador em 90\u00ba<\/p>\n <\/p>\n Figura 13 – Gerador fixo sobre um multiplicador em 90\u00ba<\/p>\n <\/p>\n Tamb\u00e9m, \u00e9 seguro providenciar uma prote\u00e7\u00e3o na entrada da turbina, afim de evitar que objetos em suspens\u00e3o, como troncos de \u00e1rvores, venham a colidir com a roda da turbina, podendo tranc\u00e1-la ou at\u00e9 mesmo quebrar algumas p\u00e1s. Instalar grades frontais ou redes de conten\u00e7\u00e3o um pouco acima do rio resolve este problema. E as pe\u00e7as poss\u00edveis de manuten\u00e7\u00e3o como o gerador, multiplicar e mancais da roda, devem ter seus parafusos de fixa\u00e7\u00e3o na estrutura de f\u00e1cil acesso e de material resistente a oxida\u00e7\u00e3o, facilitando a retirada.<\/p>\n <\/p>\n <\/p>\n O objetivo desse artigo \u00e9 acrescentar informa\u00e7\u00f5es e sugest\u00f5es para o estudo de dispositivos e teorias para o aproveitamento de pequenos potencias de energia el\u00e9trica, dando \u00eanfase nas turbinas flutuantes. Este tipo de turbina tem como grande vantagem a facilidade de instala\u00e7\u00e3o. N\u00e3o apresenta nenhum impacto no rio, t\u00e3o menos influi no fluxo normal da \u00e1gua. Ela deve ser firmemente ancorada com cabos de a\u00e7o em dois pontos, de prefer\u00eancia um em cada lado da margem. Instalada em lugar de maior correnteza poss\u00edvel e n\u00e3o necessita de grande n\u00edvel de \u00e1gua para operar. Ainda, n\u00e3o necessita de nenhuma constru\u00e7\u00e3o civil, apenas as ancoragens de concreto e a passagem para os cabos de for\u00e7a que saem do gerador at\u00e9 o gabinete ou caixa de comando, sendo que se for usada com inversores de frequ\u00eancia e baterias, estes itens podem ficar alojados dentro desse gabinete ou caixa de comando que pode ser fixado em um poste ou ficar ao abrigo de alguma instala\u00e7\u00e3o existente (se for rural por exemplo, num galp\u00e3o pr\u00f3ximo), de onde partem os condutores para alimentar as cargas ou rede. Falou-se sobre aplicabilidade de geradores s\u00edncronos ou ass\u00edncronos em pequenos recursos bem como da constru\u00e7\u00e3o de geradores de im\u00e3s permanentes monof\u00e1sicos e trif\u00e1sicos, apresentando alguns poss\u00edveis arranjos mec\u00e2nicos de montagem. Estes dispositivos, assim como os inversores de frequ\u00eancia, est\u00e3o cada vez mais presentes conectados na rede p\u00fablica de distribui\u00e7\u00e3o, injetando pot\u00eancia ativa, sendo sua contribui\u00e7\u00e3o para a qualidade da energia el\u00e9trica merecedor de cuidados para se garantir a perfeita forma de onda do sistema e a m\u00e1xima capacidade poss\u00edvel de converter for\u00e7a mec\u00e2nica em energia el\u00e9trica. E como essa transfer\u00eancia nesse tipo de conjunto gerador normalmente passa por um multiplicador de velocidade, este dispositivo tem papel fundamental no arranjo turbina-gerador. Como falado, o inconveniente de usar grandes rela\u00e7\u00f5es de transmiss\u00e3o produz elevado torque no lado de baixa rota\u00e7\u00e3o, sendo que as pe\u00e7as podem sofrer ruptura ou desgaste prematuro, necessitando de estudo pr\u00e9vio nos cat\u00e1logos de fornecedores de multiplicadores. Como visto tamb\u00e9m, facilitar ao m\u00e1ximo a acesso das pe\u00e7as na estrutura\/chassis, permitindo que sejam de f\u00e1cil manuten\u00e7\u00e3o, j\u00e1 que a usina ficar\u00e1 sobre a \u00e1gua, onde as condi\u00e7\u00f5es de trabalho podem ser perigosas ao operador. Por fim, ressaltamos a necessidade da pesquisa, testes e experi\u00eancias no desenvolvimento de projetos inovadores. Principalmente a partir de pequenos experimentos ou em escala reduzida. A tecnologia desenvolvida pode ficar detento na Empresa patrocinadora ou ser p\u00fablica, como os projetos financiado pelos \u00f3rg\u00e3os competentes do Governo. As pesquisas\/testes\/experimentos sempre s\u00e3o de grande import\u00e2ncia para chegarmos a receitas perfeitas na concretiza\u00e7\u00e3o de uma dada ideia nova e cujos frutos podem ter aplica\u00e7\u00e3o em larga escala.<\/p>\n \u00a0<\/strong><\/p>\n <\/p>\n1- Introdu\u00e7\u00e3o<\/strong><\/h2>\n
2- Gerador PMG x Ass\u00edncrono<\/strong><\/h2>\n
3- Gerador PMG Monof\u00e1sico e Trif\u00e1sico<\/strong><\/h2>\n
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<\/p>\n4- Acoplamentos – Multiplicadores de Velocidade<\/strong><\/h2>\n
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<\/p>\n![\"Figura](\"https:\/\/www.hidroenergia.com.br\/blog\/wp-content\/uploads\/2018\/05\/Figura-12-Gerador-fixo-sobre-um-multiplicador-em-90\u00ba.png\")
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<\/p>\n5- Conclus\u00e3o<\/strong><\/h2>\n
Refer\u00eancias<\/strong><\/h2>\n