Author(s): Gonçalves, Tiago José Magalhães
Date: 2011
Persistent ID: http://hdl.handle.net/1822/21852
Origin: RepositóriUM - Universidade do Minho
Subject(s): Turbina Banki ou de fluxo cruzado; Hidroelectricidade; Energias renováveis; Micro produção; Moinhos tradicionais; Banki Turbine or crossflow; Hydroelectricity; Renewables; Micro-production; Water mills; 620.9
Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica
A crescente preocupação com o ambiente e com a dependência energética dos países da UE levou a que fosse alterada a forma de pensar e que se criassem metas para as energias renováveis, diminuindo os impactos ambientais e a dependência energética externa. Estas metas foram já definidas para o ano de 2020, sendo muito ambiciosas para todos os estados membros, e em particular para Portugal. Portugal aposta já há largos anos nas energias renováveis, como é o exemplo o extraordinário crescimento da energia eólica. Mais recentemente, a retoma do Plano Nacional de Barragens veio também reforçar o objectivo de crescimento do peso das renováveis. Com a publicação de legislação de apoio à micro e miniprodução de electricidade de origem renovável baseada em tarifas mais elevadas, abriu-se um nicho de investimento para particulares e empresas. Estas tarifas tornaram apelativo o investimento de risco em tecnologias inovadoras e de pequena dimensão. Com a abertura deste campo de investimento, nasce o interesse presente nesta dissertação que é a possibilidade de aplicação da microprodução em locais de antigos moinhos. Devido a esse facto, este trabalho inicia-se com a revisão bibliográfica dos vários tipos de moinhos em Portugal. Foi possível através çardeste levantamento, ter uma noção mais clara das possibilidades de utilização de rotores tradicionais e de turbinas para produção de electricidade nestes locais. As turbinas hidráulicas foram também estudadas e analisadas de modo a verificar a possibilidade de exploração e características de funcionamento de cada uma delas. Este estudo permitiu verificar a possibilidade de aplicação da turbina Banki em locais de antigos moinhos, embora as características correspondem habitualmente ao limite mínimo recomendado para este tipo de máquinas. O sistema eléctrico nacional e a recente legislação são um dos pontos chaves, pois o conhecimento dos requisitos legais para aceder à micro e miniprodução permite um estudo mais coerente e uma análise mais cuidada para aplicação concreta. Para que o projecto da turbina Banki fosse coerente e fiável, foram elaboradas equações que possibilitassem o dimensionamento dos dois principais componentes – o rotor e o injector. Para optimização deste processo aos diversos locais que possam vir a surgir, desenvolveu-se em paralelo um programa em Excel que aplica as fórmulas desenvolvidas para um dimensionamento automático, perante a introdução dos parâmetros de caudal e queda. Além dos parâmetros dimensionais do rotor e injector, este programa ainda determina os triângulos de velocidades para os quatro pontos mais importantes: as entradas e saídas em cada um dos dois estágios da turbina. Finalmente é também simulada a produção anual de electricidade, tendo em consideração a variação de caudal ao longo do ano. Através da elaboração de curvas de duração de caudal para o local em que se pretenda aplicar uma turbina Banki, é possível estimar produção anual, podendo então servir como base na análise de investimentos.
The increasing concerns with the environment and with the European Union excessive dependence on foreign energy led to a change in the way we think about renewable energies and to the creation of goals. These goals, set for the year 2020, are very ambitious for all the member states, to Portugal in particular. Portugal has been investing in renewable energies and the results are clearly visible with an extraordinary growth in wind energy Inc. More recently, the recovery of the National Dams Construct Plan came also reinforce this big bet on renewables. Also, a legal framework has been implanted for the promotion of micro and mini production of renewable electricity, based on guarantied feed-in tariffs, that opened up new investment opportunities in innovative technologies for smaller systems. These opportunities led to the main objective of this dissertation, which is to evaluate the applications of micro-hydro systems to ancient water-mills locations. The work begins with a review of the typical features of Portuguese water mills in Portugal. It was possible through this research, have a clearer notion of the possibilities of application of traditional rotors or other turbine types to the production of electricity in these localities. Several types of hydraulic turbines were also studied and analysed in order to confront there operating characteristics to the possible application in ancient water-mills locations. These studies justified the application of Banki turbine, although the typical features of water-mills locations correspond to the minimal recommended limits. For this type of turbines, were elaborated a set of equations that enable the scaling of the two principal components - the rotor and the injector. To optimize this scaling process to the diverse locations that may arise, a program was developed in Excel that applies the developed formulas to the automatic scaling, after the introduction of the input flow and head parameters. Beyond of the dimensional parameters of the rotor and the injector, the program also calculates the absolute, relative and transport velocities for the four rotor points, the entrance and exit of each one of the two stages of the turbine. Finally, the annual energy production is simulated by taking into account the water-flow along the year. Through the construction of the annual flow duration curve for the location in which the Banki turbine it will be implemented is possible to estimated the expected energy production, a basic input for the subsequent investment analysis.
