Sistemas hídricos de captação de energia para redes de sensores sem fios

• Main Author: Lopes, Jorge Miguel Abreu
• Publication Date: 2016
• Format: Master thesis
• Language: por
• Source: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
• Download full: http://hdl.handle.net/10400.13/1503
• topic: Redes de sensores sem fios; Energia hídrica; Pelton; Propeller; Captação de energia de pequena escala; Wireless sensor networks; Hydropower; Small scale energy harvesting; Engenharia de Telecomunicações e Redes de Energia; .; Faculdade de Ciências Exatas e da Engenharia

O presente trabalho teve como objetivo o estudo de soluções de produção de energia elétrica a partir de fontes hídricas com o fim de alimentar nós sensores. Foi feito um estudo geral relativamente a sistemas tradicionais de captura de energia hídrica de grande escala. Foram obtidas as equações de dimensionamento das turbinas de grande escala e das condutas de captura. Foram escolhidos os detalhes para a produção de um protótipo com as ferramentas disponíveis, tendo-se implementado dois sistemas de geração de energia hídrica de pequena escala. O primeiro sistema estudado utilizou uma turbina tipo Propeller, a versão de pás fixas do sistema Kaplan que é muito mais comum, mas mais difícil de produzir à escala desejada. Neste sistema foi usada uma solução comercial, nomeadamente um eixo com rolamento estanque e uma hélice de nylon utilizados em modelismo. Foram testados vários caudais ao variar a diferença de altura entre o nível de água a montante e a jusante da turbina. Foi obtida uma eficiência máxima na ordem dos 62% na turbina, no sistema com bocal divergente. O segundo sistema estudado utilizou uma turbina tipo Pelton. Para este caso foi decidido usar a tecnologia de impressão 3D para fabricar as turbinas, injetores e qualquer outro componente necessário. Foi assumido, propositadamente, que as equações para turbinas de grande escala se aplicavam a sistemas de muito pequena escala. Como tal, foi dimensionada uma turbina à escala seguindo uma forma próxima da geometria das turbinas encontradas em sistemas de grande escala. Foram impressas 19 turbinas distintas, divididas em 3 grupos de dimensão, de modo a testar o efeito de mudar caraterísticas de desenho. Foi também testada uma turbina Pelton feita de metal usada num estudo anterior. Para cada turbina foram extraídos os dados de potência mecânica usando 4 diâmetros distintos de injetor. Destes testes, foi observado que a melhor eficiência nas turbinas de menor dimensão testadas foi de 37%, para as turbinas de dimensão intermédia foi de 42% e para a turbina impressa de maior dimensão foi de 41%. A turbina de metal obteve uma eficiência na ordem dos 48%. De seguida foram escolhidas 2 turbinas de cada escala, para serem testadas usando um gerador trifásico desenvolvido para o efeito, um retificador e uma carga elétrica programável. Os testes foram realizados com 3 diâmetros de injetor. Destes foi observada uma eficiência máxima que variava entre os 25% para a turbina de menor escala e os 36% para a turbina de metal. Posteriormente, a melhor turbina de cada escala foi testada usando um nó sensor desenvolvido para o efeito e 2 diâmetros de injetor. Nestes testes foi observado que a eficiência geral variava entre os 18,1%, para turbinas pequenas, e os 29,2%, para a turbina de metal. Além da diferença de eficiência entre os dois sistemas, foi observado que o sistema tipo Propeller tinha uma gama de potência muito estreita relativamente ao sistema Pelton. Refira-se que os dados para o sistema tipo Propeller foram capturados de forma completamente manual. Como a quantidade de testes realizados para o sistema tipo Pelton foi substancialmente superior, o sistema de captura de dados foi melhorado para permitir a captura semiautomática dos valores de potência mecânica e binário.