Projection of catch and biomass

O objetivo principal do presente trabalho foi o de desenvolver um sistema de captação de energia hídrica adequado para fins de alimentação de nós sensores. Para isso foram criados dois sistemas, um para baixa queda e grande caudal, sistema Propeller, e outro para grande queda e baixo caudal, sistema Pelton.

Para o sistema Propeller foi usada uma solução comercial para a turbina e rolamento impermeável. O restante material foi baseado em tubos de PVC padrão e peças criadas numa máquina de impressão 3D.

Tendo em conta o objetivo principal, todo o sistema Pelton foi desenhado de raiz e fabricado na máquina de impressão 3D.

Ambos os sistemas foram testados com uma máquina de medição de potência mecânica desenvolvida para ser usada neste trabalho, que permitia testar o sistema Propeller de forma manual e o sistema Pelton de forma semiautomática.

Posteriormente ambos os sistemas foram acoplados a um gerador e a um retificador e o seu desempenho foi testado usando uma carga dinâmica controlada remotamente.

Por fim foi acoplado um sistema sensor sem fios ao sistema Pelton com o gerador e retificador a funcionarem como carga. Isto foi feito de forma a verificar a viabilidade do sistema hídrico desenvolvido para fins de alimentação de um nó sensor.

Para aferição da eficiência mecânica dos sistemas foram testadas 9 combinações para o sistema Propeller e 84 combinações para o sistema Pelton.

A eficiência máxima da turbina Propeller foi de 62%, enquanto para a turbina Pelton foram encontradas combinações cuja eficiência máxima, para as turbinas impressas, foi de 37% para as turbinas pequenas, 42% para as turbinas médias e 41% para a turbina impressa grande. A turbina de metal, apresentada em [16], obteve uma eficiência de 48% nos testes efetuados.

As eficiências obtidas são inferiores às dos sistemas de grande dimensão, como acontece noutros sistemas de pequena escala, nomeadamente nas turbinas eólicas. As turbinas Pelton apresentaram eficiências mais baixas do que a turbina Propeller. As razões possíveis para isso passam pela influência da viscosidade a esta escala, a rugosidade relativa elevada devido às turbinas serem impressas numa máquina de impressão 3D de baixa qualidade e a influência dos atritos nos rolamentos usados.

Do estudo efetuado foi possível observar uma série de caraterísticas importantes a ter em conta quando é dimensionado um sistema hídrico de pequena escala.

Para sistemas Propeller é fundamental garantir o caudal necessário, pois qualquer bolha de ar que entre no sistema reduz substancialmente a capacidade de captação de energia. O tubo de sucção também é muito importante, visto reduzir as perdas na tubagem. Foi observado que é uma boa prática garantir que a saída de água se encontre submersa. Uma descarga fora da água faz perder parte da energia potencial de vácuo criada por uma tubagem cheia de água a jusante da turbina. Quanto mais curta for a tubagem maior será a potência captada devido à menor perda de queda nas paredes desta.

Para sistemas Pelton chegou-se à conclusão que muitas das diretrizes de dimensionamento para turbinas de grande escala não funcionam para sistemas com a escala usada neste trabalho. Para sistemas Pelton de muito pequena escala devem ser usadas turbinas com divisória central, envernizadas, bem centradas relativamente ao eixo e ao jato, sem um ângulo entre a colher e o raio da turbina, com um total de 12 pás e um jato ligeiramente maior que o dimensionado pelas equações para grande escala. Esta configuração confere uma curva de potência larga e suave. Por outro lado um mecanismo mais fácil para aumentar a eficiência é simplesmente aumentar o diâmetro da turbina.

Refira-se que todos os sistemas criados conseguiram atingir ou exceder a potência e a velocidade angular requerida para o gerador projetado.

Os testes iniciais foram efetuados usando um método completamente manual, um processo moroso e incapaz de observar mudanças bruscas. A passagem para um método semiautomático aumentou substancialmente a capacidade de captura e análise dos sistemas criados.

O acoplamento do gerador aos sistemas hídricos permitiu obter a eficiência global do sistema antes do regulador. Nos sistemas Pelton a eficiência máxima variou entre 25%, para uma turbina de menor escala, e 36%, para a turbina de maior diâmetro. Por sua vez, foi observado que a eficiência de pico do conjunto do gerador e retificador variou entre os 56% e os 83%, nos testes efetuados, dependendo da carga aplicada e da potência disponível. A eficiência deste conjunto tendeu a subir com potências disponíveis mais elevadas e para velocidades de rotação mais elevadas visto a perda de potência e de tensão nos díodos representar uma percentagem inferior da potência e da tensão total.

O sistema de captura completamente automático usado na obtenção dos dados de potência elétrica melhorou imenso a qualidade dos dados e velocidade a que estes eram obtidos.

O conversor DC-DC comutado conseguiu ter uma eficiência na ordem dos 80% a 90%, dependendo da carga. Quando o rácio da tensão da saída em relação à tensão de entrada era diferente da unidade a eficiência tendia a baixar.

O nó sensor foi testado com múltiplas turbinas e vários injetores. Em todos os casos, a potência elétrica fornecida à bateria excedia a potência que lhe era extraída, possibilitando o carregamento desta. A eficiência geral do sistema como o nó sensor variou entre os 18,1% para a turbina 15 e os 29,2% para a turbina de metal.

Alterando um pouco o algoritmo foi possível manter o nó sensor a funcionar sem recurso à bateria, bastando para isso o uso de um condensador de grande capacidade e de uma carga de arranque inicial.

As vantagens dos sistemas hídricos estudados são a densidade de potência apreciável e a estabilidade da fonte de energia, ou seja, desde que exista caudal o sistema pode funcionar 24 horas por dia de forma previsível. Pelo contrário, os sistemas eólicos estão dependentes do vento que tem uma natureza caótica e os sistemas solares só funcionam durante o dia e têm um nível de potência capturável que varia ao longo deste.

A principal desvantagem deste sistema relativamente a sistemas solares e eólicos é a cobertura, ou seja, estes sistemas requerem um fluxo de água adequado para as suas necessidades, enquanto os sistemas eólicos e solares podem ser montados numa maior variedade de localizações.