Micro hidro - Micro hydro

Micro hidro no noroeste do Vietnã

Micro hidro é um tipo de energia hidrelétrica que normalmente produz de 5 kW a 100 kW de eletricidade usando o fluxo natural de água. Instalações abaixo de 5 kW são chamadas de pico hidro . Essas instalações podem fornecer energia para uma casa isolada ou pequena comunidade, ou às vezes são conectadas a redes de energia elétrica, especialmente onde a medição de rede é oferecida. Existem muitas dessas instalações em todo o mundo, especialmente nos países em desenvolvimento, pois podem fornecer uma fonte econômica de energia sem a compra de combustível. Os micro-sistemas hídricos complementam os sistemas de energia solar fotovoltaica porque em muitas áreas o fluxo de água e, portanto, a energia hidrelétrica disponível, é mais alto no inverno, quando a energia solar é mínima. Micro hidro é frequentemente realizado com uma roda de Pelton em alta cabeça , baixo fluxo de abastecimento de água. A instalação geralmente é apenas uma pequena piscina represada , no topo de uma cachoeira, com várias centenas de metros de tubo levando a uma pequena caixa de gerador. Em locais de baixa altura, geralmente são usados ​​rodas d'água e parafusos de Arquimedes.

Construção

Configuração típica de microhidro.

Os detalhes da construção de uma planta microhidro são específicos do local. Às vezes, um moinho existente ou outro reservatório artificial está disponível e pode ser adaptado para produção de energia. Em geral, os sistemas microhidro são compostos por vários componentes. Os mais importantes incluem a tomada onde a água é desviada do riacho natural, rio ou talvez de uma cachoeira. Uma estrutura de entrada, como uma caixa de captura, é necessária para filtrar os detritos e peixes flutuantes, usando uma tela ou conjunto de barras para impedir a entrada de objetos grandes. Em climas temperados, essa estrutura deve resistir ao gelo também. A tomada pode ter uma comporta para permitir que o sistema seja desidratado para inspeção e manutenção.

A entrada é então conduzida através de um canal e, em seguida, forebay. O forebay é usado para retenção de sedimentos. Na parte inferior do sistema, a água é canalizada por um duto ( conduto forçado ) até o prédio da casa de força que contém uma turbina . A comporta acumula pressão da água que desceu. Em áreas montanhosas, o acesso à rota da comporta pode representar desafios consideráveis. Se a fonte de água e a turbina estiverem distantes, a construção da comporta pode ser a maior parte dos custos de construção. Na turbina, uma válvula de controle é instalada para regular o fluxo e a velocidade da turbina. A turbina converte o fluxo e a pressão da água em energia mecânica; a água que emerge da turbina retorna ao curso de água natural ao longo de um canal de fuga. A turbina gira um gerador , que é então conectado às cargas elétricas ; isso pode ser conectado diretamente ao sistema de energia de um único edifício em instalações muito pequenas, ou pode ser conectado a um sistema de distribuição da comunidade para várias casas ou edifícios.

Normalmente, as micro-instalações não possuem barragem e reservatório, como ocorre com as grandes hidrelétricas , contando com um fluxo mínimo de água disponível o ano todo.

Características de carga e fluxo

Os sistemas microhidro são normalmente instalados em áreas capazes de produzir até 100 quilowatts de eletricidade. Isso pode ser suficiente para alimentar uma casa ou uma pequena empresa. Esta faixa de produção é calculada em termos de "cabeça" e "fluxo". Quanto mais alto cada um deles, mais potência disponível. A carga hidráulica é a medição da pressão da água caindo em uma tubulação expressa em função da distância vertical da queda d'água. Essa mudança na elevação geralmente é medida em pés ou metros. É necessária uma queda de pelo menos 2 pés ou o sistema pode não ser viável. Ao quantificar a queda, tanto a queda bruta quanto a líquida devem ser consideradas. A queda bruta se aproxima da acessibilidade de energia por meio da medição da distância vertical sozinha, enquanto a queda líquida subtrai a pressão perdida devido ao atrito na tubulação da queda bruta. "Fluxo" é a quantidade real de água caindo de um local e geralmente é medida em galões por minuto, pés cúbicos por segundo ou litros por segundo. Instalações de baixo fluxo / altura manométrica alta em terrenos íngremes têm custos de tubulação significativos. Uma comporta longa começa com um tubo de baixa pressão no topo e um tubo de pressão progressivamente mais alto próximo à turbina para reduzir os custos do tubo.

A potência disponível, em quilowatts, de tal sistema pode ser calculada pela equação P = Q * H / k, onde Q é a taxa de fluxo em galões por minuto, H é a carga estática ek é uma constante de 5.310 gal. * ft / min * kW. Por exemplo, para um sistema com um fluxo de 500 galões por minuto e uma queda estática de 60 pés, a potência máxima teórica é de 5,65 kW. O sistema é impedido de 100% de eficiência (na obtenção de todos os 5,65 kW) devido ao mundo real, como: eficiência da turbina, atrito na tubulação e conversão de energia potencial em energia cinética. A eficiência da turbina é geralmente entre 50-80% e o atrito do tubo é contabilizado usando a equação de Hazen-Williams .

Regulação e operação

Normalmente, um controlador automático opera a válvula de admissão da turbina para manter a velocidade (e frequência) constante quando a carga muda no gerador. Em um sistema conectado a uma rede com fontes múltiplas, o controle da turbina garante que a energia sempre flua do gerador para o sistema. A frequência da corrente alternada gerada precisa corresponder à frequência da concessionária padrão local . Em alguns sistemas, se a carga útil do gerador não for alta o suficiente, um banco de carga pode ser conectado automaticamente ao gerador para dissipar a energia não exigida pela carga; embora desperdice energia, pode ser necessário se não for possível controlar o fluxo de água pela turbina.

Um gerador de indução sempre opera na frequência da rede, independentemente de sua velocidade de rotação; tudo o que é necessário é garantir que ele seja acionado pela turbina mais rápido do que a velocidade síncrona, de modo que gere energia em vez de consumi-la. Outros tipos de gerador podem usar sistemas de controle de velocidade para correspondência de frequência.

Com a disponibilidade de eletrônica de potência moderna, muitas vezes é mais fácil operar o gerador em uma frequência arbitrária e alimentar sua saída por meio de um inversor que produz a saída na frequência da rede. A eletrônica de potência agora permite o uso de alternadores de ímã permanente que produzem CA selvagem para serem estabilizados. Esta abordagem permite que as turbinas de baixa velocidade / queda d'água sejam competitivas; eles podem funcionar na melhor velocidade para extração de energia, e a frequência de energia é controlada pela eletrônica em vez do gerador.

Instalações muito pequenas ( pico hidro ), de alguns quilowatts ou menores, podem gerar corrente contínua e carregar baterias nos horários de pico.

Tipos de turbina

Vários tipos de turbinas hidráulicas podem ser usados ​​em micro instalações hídricas, a seleção dependendo da queda d'água, do volume de vazão e de fatores como disponibilidade de manutenção local e transporte de equipamentos até o local. Para regiões montanhosas onde uma cachoeira de 50 metros ou mais pode estar disponível, uma roda Pelton pode ser usada. Para instalações de baixa altura, Francis ou turbinas do tipo hélice são usados. Instalações de cabeça muito baixa de apenas alguns metros podem usar turbinas do tipo hélice em um poço, ou rodas d'água e parafusos de Arquimedes. Pequenas micro instalações hidrelétricas podem usar com sucesso bombas centrífugas industriais, operando ao contrário como motores principais; embora a eficiência possa não ser tão alta quanto a de um rotor específico, o custo relativamente baixo torna os projetos economicamente viáveis.

Em instalações de baixa queda, os custos de manutenção e mecanismo podem ser relativamente altos. Um sistema de baixa queda move grandes quantidades de água e é mais provável que encontre detritos na superfície. Por esta razão, uma turbina Banki também chamada de turbina Ossberger , uma roda d'água de fluxo cruzado autolimpante pressurizada, é frequentemente preferida para sistemas de microhidrelétricos de baixa queda. Embora menos eficiente, sua estrutura mais simples é menos cara do que outras turbinas de baixa cabeça de mesma capacidade. Como a água flui para dentro e depois para fora, ela se limpa e tem menos tendência a ficar presa com detritos.

  • Turbina helicoidal (parafuso de Arquimedes reverso): dois esquemas de cabeça baixa na Inglaterra, Settle Hydro e Torrs Hydro usam um parafuso de Archimedes, que é outro projeto tolerante a detritos. Eficiência 85%.
  • Gorlov : o fluxo livre da turbina helicoidal de Gorlov ou fluxo restrito com ou sem barragem,
  • Francis e turbinas de hélice.
  • Turbina Kaplan  : é uma turbina do tipo hélice de alto fluxo e baixa queda. Uma alternativa à turbina kaplan tradicional é uma turbina VLH de grande diâmetro, giro lento, ímã permanente e fluxo aberto inclinado com eficiências de 90%.
  • Roda d'água  : as rodas hidráulicas avançadas e a turbina de reação hidráulica da parte da roda podem ter eficiências hidráulicas de 67% e 85%, respectivamente. A eficiência máxima da roda d'água ultrapassada (eficiência hidráulica) é de 85%. As rodas d'água com prognatismo inferior podem operar com queda de carga muito baixa, mas também apresentam eficiências abaixo de 30%.
  • Usina de energia de vórtice de água por gravitação  : parte do fluxo do rio em um açude ou queda de água natural é desviada para uma bacia redonda com uma saída central no fundo que cria um vórtice. Um rotor simples (e gerador conectado) é movido pela energia cinética. Eficiências de 83% até 64% com fluxo parcial de 1/3.

Usar

Os sistemas Microhydro são muito flexíveis e podem ser implantados em vários ambientes diferentes. Eles dependem de quanto fluxo de água a fonte (riacho, rio, riacho) possui e da velocidade do fluxo da água. A energia pode ser armazenada em bancos de baterias em locais distantes de uma instalação ou usada além de um sistema que está diretamente conectado para que, em tempos de alta demanda, haja energia de reserva adicional disponível. Esses sistemas podem ser projetados para minimizar o impacto ambiental e comunitário regularmente causado por grandes barragens ou outros locais de geração hidrelétrica em massa.

Potencial de desenvolvimento rural

Em relação ao desenvolvimento rural , a simplicidade e o baixo custo relativo dos micro sistemas hídricos abrem novas oportunidades para algumas comunidades isoladas que precisam de eletricidade. Com apenas um pequeno fluxo necessário, áreas remotas podem acessar iluminação e comunicações para residências, clínicas médicas, escolas e outras instalações. A Microhydro pode até mesmo operar um certo nível de maquinário de apoio a pequenos negócios. As regiões ao longo da Cordilheira dos Andes e no Sri Lanka e na China já contam com programas ativos semelhantes. Um uso aparentemente inesperado de tais sistemas em algumas áreas é impedir que os jovens membros da comunidade se mudem para regiões mais urbanas, a fim de estimular o crescimento econômico. Além disso, à medida que aumenta a possibilidade de incentivos financeiros para processos menos intensivos em carbono, o futuro dos sistemas microhidro pode se tornar mais atraente.

As micro-instalações hidrelétricas também podem fornecer usos múltiplos. Por exemplo, projetos de micro-hidrelétricas na Ásia rural incorporaram instalações de agro-processamento, como moinhos de arroz - ao lado da eletrificação padrão - no desenho do projeto.

Custo

O custo de uma micro usina hidrelétrica pode ficar entre 1.000 e 5.000 dólares americanos por kW instalado

Vantagens e desvantagens

Vantagens

A energia microhidro é gerada por meio de um processo que utiliza o fluxo natural da água. Essa energia é mais comumente convertida em eletricidade. Sem emissões diretas decorrentes desse processo de conversão, há pouco ou nenhum efeito prejudicial ao meio ambiente, se bem planejado, fornecendo energia de fonte renovável e de forma sustentável . Microhydro é considerado um " run-of-river sistema", que significa que a água desviada do córrego ou rio é redirecionado de volta para o mesmo curso de água. Somando-se aos benefícios econômicos potenciais do microhydro está a eficiência, confiabilidade e eficácia de custo.

Desvantagens

Os sistemas microhidro são limitados principalmente pelas características do local. A limitação mais direta vem de pequenas fontes com fluxo minúsculo. Da mesma forma, o fluxo pode flutuar sazonalmente em algumas áreas. Por último, embora talvez a principal desvantagem seja a distância da fonte de alimentação ao local que necessita de energia. Esta questão de distribuição, bem como as outras, são fundamentais quando se considera o uso de um sistema micro-hidro.

Veja também

Referências

links externos