Dissertações em Engenharia de Infraestrutura e Desenvolvimento Energético (Mestrado) - PPGINDE/NDAE/Tucuruí

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Acesso aberto (Open Access)
Análise da viabilidade técnico-econômica da geração de energia solar fotovoltaica em unidades de confinamento bovino com sombreamento artificial
(Universidade Federal do Pará, 2020-05-28) MORAES, Emerson Ricardo de; MOURÃO, Raphael de Castro; http://lattes.cnpq.br/6637481796428177; ISHIHARA, Júnior Hiroyuki; http://lattes.cnpq.br/3498874642887006; https://orcid.org/0000-0002-0081-7913
O aumento populacional mundial causou uma busca crescente por alimentos, tanto de origem vegetal quanto animal. Com a diminuição de áreas rurais destinadas à atividade pecuária, devido à maior utilização de áreas para a agricultura, notou-se intensificação na bovinocultura, que visa utilizar uma área menor da propriedade para grandes quantidades de animais, que associado ao bem-estar animal e seu conforto térmico, proporcionam melhora na produção. O aumento populacional também tornou maior a demanda de fontes de energia elétrica, pela melhora dos padrões de vida e avanços da tecnologia. O objetivo deste trabalho foi analisar a viabilidade técnica e econômica da geração de energia solar fotovoltaica, em conjunto com a atividade pecuária, utilizando a cobertura de barracões de sombreamento em confinamento de bovinos de corte. Realizou-se estudo bibliográfico acerca do rendimento animal da raça nelore, em confinamento em clima tropical, na situação de exposição total ao sol e com a utilização de sombra de barracão. Foram criados três cenários para análise de bem-estar animal, sendo, o animal confinado a céu aberto, confinamento com utilização de barracões de sombreamento e confinamento com geração de energia solar fotovoltaica na cobertura de seu barracão de sombreamento. Confeccionou-se duas estações meteorológicas alternativas, com as quais foram coletadas amostras de variáveis climáticas locais, para o cálculo de índices de conforto térmico e bem-estar animal, afim de identificar o possível rendimento bovino de corte no local de estudo. Foram feitos orçamentos de itens e serviços para execução de projetos de currais de confinamento, barracões de cobertura e geração distribuída de energia solar fotovoltaica, para posterior análise de viabilidade técnica e econômica dos projetos. Os resultados mostraram maior viabilidade econômica, com maior lucratividade e menor tempo de retorno de investimento, para os tratamentos de currais de confinamento a céu aberto, que apresentam, para a população de 200, 600 e 1000 animais, taxa interna de retorno (TIR) de 75,86 %, 86,71 % e 89,88 %, índice de lucratividade (IL) de 4,68, 5,34 e 5,53 e payback descontado de 1,49, 1,29 e 1,24 anos, respectivamente, enquanto para a construção de toda a estrutura junto à geração de energia solar fotovoltaica, obteve-se, na mesma ordem, TIR de 22,30 %, 14,09 % e 14,62 %, IL de 1,58, 1,18 e 1,21 e payback descontado de 5,17, 7,71 e 7,48 anos. Apesar da viabilidade econômica não ter sido a melhor, os tratamentos com sistema de geração de energia fotovoltaica conectada à rede de distribuição, quando construídos em conjunto com as estruturas de currais de confinamento e barracão, proporcionam maior conforto aos animais e possibilitam a geração de energia renovável. O resultado da instalação fotovoltaica foi mais viável economicamente, quando montada em estruturas de barracões já existentes em sistemas de confinamento para 200 animais, que apresentou TIR de 23,72 %, IL de 1,65 e payback descontado de 4,88 anos. Conclui-se que a opção mais viável financeiramente de projeto para criação de animais confinados, é o modelo a céu aberto para o maior número de animais, enquanto para a geração de energia, é o sistema conectado à rede de baixa tensão montado em estruturas de barracões já existentes em sistemas de confinamento para 200 animais, sem a necessidade de contratos de demanda, contendo 200 painéis fotovoltaicos.
Acesso aberto (Open Access)
Análise do aproveitamento energético em redes de distribuição de água com a utilização de bombas como turbina (BFT)
(Universidade Federal do Pará, 2022-03-31) SILVA, Victor Renan Barbosa da; ISHIHARA, Júnior Hiroyuki; http://lattes.cnpq.br/3498874642887006; https://orcid.org/0000-0002-0081-7913
As mudanças climáticas têm intensificado as pesquisas relacionadas à produção de energias renováveis em todo o mundo. Neste sentido, o presente estudo dispõe-se a contribuir com a análise do uso de Bombas Funcionando como Turbina (BFT) em substituição às Válvulas Redutoras de Pressão (VRP), visando tanto o controle da pressão em redes de distribuição de água, assim como, consequentemente, o seu aproveito para geração energética. A BFT instalada deve ser capaz de operar sob diferentes vazões devido a flutuações na taxa de consumo de água, o que dificulta a seleção da bomba adequada, para tanto, o processo de seleção de BFTs para substituição de VRPs foi otimizado combinando dois métodos de seleção e predição de BFT, Williams (1995) o primeiro método, foi utilizado para selecionar a BFT adequada de acordo com dados de altura e vazão disponíveis na rede, em seguida, o método de Rossi et al. (2019) foi usado para avaliar as curvas características da bomba como turbina, com atenção particular às condições operacionais fora de projeto. Duas Simulações foram realizadas para o processo de otimização, considerando a BFT com velocidade constante, aplicada a uma rede real que foi dividida em 3 áreas de medições distritais (AMD). Na primeira simulação uma BFT foi acrescentada a rede para substituir uma VRP localizada na (AMD 3), na segunda simulação duas BFTs foram acrescentadas a mesma (AMD 3) em substituição a VRPs. Os resultados mostram, na simulação 2, que o controle de pressão foi melhor, além da recuperação de energia elétrica que foi 190,96 kWh/dia ou 69,70 MWh/ano, correspondendo a uma redução de 41,74 toneladas CO2 não emitidos. Dessa forma, a recuperação de energia foi 267% maior em comparação a simulação 1. Além disso, o controle da pressão também apresentou resultados satisfatórios, ficando dentro dos padrões estabelecidos. Portanto, a combinação dos métodos de Williams (1995) e Rossi et al. (2019), simplificou o trabalho de seleção e predição de BFT com resultados significativos e foi possível concluir que as BFTs funcionando nas horas de maior consumo podem ajustar a pressão padrão necessária e, no restante, as VRPs podem regular a pressão. Neste caso, além de controlar a pressão continuamente, energia renovável significativa pode ser recuperada da RDA
Acesso aberto (Open Access)
Avaliação de modelo de elemento de pá aplicado a turbinas eólicas com difusores através de análise CFD
(Universidade Federal do Pará, 2023-05-30) BEZERRA, Waldson Melo; MESQUITA, André Luiz Amarante; http://lattes.cnpq.br/1331279630816662
O efeito do difusor em turbinas de fluxo livre mostra uma possibilidade de atingir um coeficiente de potência maior que uma turbina clássica, ultrapassando o limite de Betz. O presente trabalho avalia o efeito do difusor com perfil Eppler 423 acoplado em uma turbina eólica de eixo horizontal com rotor de perfil NACA 65(3)-618 com 4 pás. Utilizando a dinâmica dos fluidos computacional (CFD, Computational Fluid Dynamics), simulações numéricas foram realizadas possibilitando obter mais informações sobre o escoamento do fluído e o aumento na potência extraída para configurações com e sem difusor para a velocidade de escoamento de 7 m/s. Considerando as dimensões da seção de testes, os resultados obtidos nas análises CFD foram validados usando resultados experimentais, onde o conjunto rotor e difusor estavam confinados em um túnel de vento. Observou-se que o acoplamento do difusor na turbina aumentou consideravelmente a velocidade do escoamento, proporcionando um acréscimo de 37% em relação a velocidade inicial. Resultados apontaram um aumento no coeficiente de potência na ordem de 45,45% com a utilização do difusor, para a mesma velocidade de escoamento, 7 m/s. Assim, através dos resultados obtidos numericamente neste trabalho, foi possível obter dados confiáveis para a avaliação de um modelo específico de Blade Element Momentum (BEM) aplicado à turbinas eólicas com difusores, que é empregado para analisar o projetos de rotores de turbinas e difusores. Apesar dos bons resultados do modelo BEM, o presente estudo indica possíveis melhorias para a consistência da modelagem.
Acesso aberto (Open Access)
Critério do coeficiente de pressão mínimo aplicado ao dimensionamento de bombas axiais: caso de estudo para um túnel de água circulante
(Universidade Federal do Pará, 2022-12-15) RAMALHO, Rodolfo Vitorino Correia; MESQUITA, André Luiz Amarante; http://lattes.cnpq.br/1331279630816662
É apresentada uma análise do coeficiente de pressão no lado de sucção de pás como critério de dimensionamento de bombas axiais. Um modelo CFD tridimensional é desenvolvido e validado a partir de ensaios experimentais disponíveis na literatura. O modelo utiliza o método dos volumes finitos através do software comercial Ansys CFX. Na etapa de aplicação do critério é utilizado o software X-Foil para a determinação dos coeficientes de sustentação e arrasto dos perfis do rotor. Um caso de estudo é apresentado para o dimensionamento de bombas axiais para um grande túnel de recirculação, a ser empregado para ensaios de embarcações, estruturas navais e turbinas hidrocinéticas. Especial atenção é dada para as condições de cavitação da bomba. O critério do coeficiente de pressão mínimo é então avaliado pelo modelo CFD, encontrando bom rendimento para a bomba dimensionada.
Acesso aberto (Open Access)
Dispersão de energia em um cristal granular hexagonal decorado
(Universidade Federal do Pará, 2024-02-29) RAMOS, Jorde Anthonny Alves; MACHADO, Luis Paulo Silveira; http://lattes.cnpq.br/0702289670734922; https://orcid.org/0000-0003-1587-3632
O cristal granular hexagonal decorado consiste em grãos esféricos principais dispostos em uma matriz hexagonal bidimensional, com pequenos grãos esféricos preenchendo os espaços intersticiais. Esses grãos adicionais mal tocam os principais, aumentando o numero de contatos por grão. Além disso, todos os grãos estão inicialmente em repouso, com velocidades nulas. Para comparação, utilizamos resultados de um arranjo semelhante sem decoração (ou seja, sem grãos intersticiais). Investigamos as respostas mecânicas de ambos os arranjos granulares a incidência pontual de um grão externo. Nossa analise concentrou-se em como a energia mecânica é dispersa e mitigada após um único impacto inicial. O modelo proposto confirmou o papel significativo dos grãos intersticiais no cristal granular. O arranjo decorado demonstrou um comportamento acelerado da frente de onda de energia, tanto em sua mitigação quanto em sua propagação. Em nossa analise das orientações de dispersão de energia, descobrimos que o arranjo decorado exibe uma maior mitigação de energia e reorientação da energia de retorno em comparação com o arranjo não decorado. Assim, a adição de grãos intersticiais promove um maior retorno de energia mecânica ao meio externo de origem. Concluímos que, com a decoração adequada, um cristal granular poderia atuar como uma barreira contra impactos fortes.
Acesso aberto (Open Access)
Estabilidade da geração de energia em usinas hidrelétricas com turbinas Francis reversíveis: estudo de caso UHE Tucuruí
(Universidade Federal do Pará, 2023-10-16) MADUREIRA, Angelo Torres; MESQUITA, André Luiz Amarante; http://lattes.cnpq.br/1331279630816662
Projetos de usinas hidrelétricas reversíveis estão consolidados no cenário energético internacional desde a década de 70, sendo cada vez mais recorrentes, como solução em serviços ancilares para integração com fontes de energia intermitente (FEI) nos horários de ponta. No Brasil, a vultuosa base de geração hidrelétrica, permitiu adiar essa necessidade por longo período. A UHE Tucuruí, última usina hidrelétrica da cascata do Rio Tocantins é um marco da Engenharia nacional. Dotada de duas casas de força com potência instalada de 8.535 MW, tem sido grande responsável pela regulação das FEI no Brasil em especial as eólicas da região nordeste. Suas turbinas Francis da Casa de força 1 possuem potência nominal de 350 MW cada uma, vazões máximas de 600 m3/s, rotores Francis com diâmetro de 8,15m com 12 pás e velocidade específica de 86,9 rpm.m3/4 são máquinas de considerável capacidade e vem sendo utilizadas vastamente pelo ONS para regulação de potência. Contudo, o modelo usado para o de despacho de carga apresenta evidentes sinais de esgotamento, quando se analisa o crescimento do acúmulo de danos eletromecânicos nas unidades geradoras. Uma possibilidade de atenuação da severidade de danos e aumento da estabilidade da geração é a conversão parcial de unidades geradoras para TR (Turbina Reversível) funcionando em curto-circuito hidráulico, com fins de estabilização de potência despachada e consequente redução da frequência de partidas e paradas. Este trabalho apresenta a elaboração de uma metodologia para prever o comportamento hidromecânico de turbinas Francis convertidas em turbinas reversíveis em usinas hidrelétricas. É utilizado, preliminarmente, um modelo matemático unidimensional baseado na aplicação da equação de Euler para os modos turbina e bomba. É formado o triângulo de velocidades à entrada e saída do rotor, para uma análise preliminar de do escoamento no rotor Francis. São produzidas curvas características de vazão, torque e potência das turbinas reversíveis, baseada em correlações estatísticas de máquinas existentes, obtidas na literatura. Ao final, o modelo hidro energético é validado e um estudo de caso é apresentado na UHE Tucuruí. Os resultados indicam uma viabilidade técnica de estabilidade da operação com redução de partidas e paradas de unidades geradoras não convertidas. Nas curvas adimensionais geradas, não foi possível obter a condição ótima de rendimento em modo bomba, com adoção do mesmo rotor Francis existente. Desta forma, modificações de projeto mecânico e elétrico das unidades geradoras devem ser realizados para alcance de uma operação mais estável e segura. O uso de turbinas reversíveis neste trabalho não se presta para fim de aumento de armazenamento energético, mas sim para fins de estabilidade da operação das máquinas e redução de danos eletromecânicos, o que para este fim se apresenta viável tecnicamente.
Acesso aberto (Open Access)
Partidas e paradas em usinas hidrelétricas: atendimento ao ONS e custos operacionais
(Universidade Federal do Pará, 2023-12-19) MACHADO, Jucileia Cruz; MESQUITA, André Luiz Amarante; http://lattes.cnpq.br/1331279630816662
As usinas hidrelétricas (UHEs) conectadas ao Sistema Interligado Nacional (SIN) têm sua operação subordinada às regras do Operador Nacional do Sistema (ONS), que geram condições operacionais muitas vezes não adequadas às unidades geradoras, sejam por baixo rendimento ou por condição limites de operação que afetam a manutenção, como desgastes e cavitação. Este trabalho faz uma investigação no processo de despacho de curto prazo, horizonte de um dia, para uma usina hidrelétrica de grande porte que faz parte do sistema interligado nacional (SIN). Foi utilizado como base e estudo de caso a usina hidrelétrica de Tucuruí, onde foram mapeados os dados geração, hidrologia e do número de partidas e paradas da instalação, bem como a influência nos custos associados ao número de solicitações de intervenções. Uma estratégia é proposta para minimizar o número de partidas e paradas, utilizando a mudança dos pontos de operação das unidades geradoras na curva de colina, observando os pontos de altura de queda, potência e rendimentos possíveis de atender a demanda do sistema, sem que haja a necessidade de sucessivas partidas e paradas. O resultado desta investigação, para o ano analisado, obteve uma redução, para um dia operativo (24h), de cerca de 26% nas mudanças de estado (partida e parada) das unidades geradoras, comprovando que é possível a realização de ajustes nos pontos de operação das unidades geradoras, dentro dos limites permitidos pelas restrições operativas, com foco na redução de partidas e paradas.
Acesso aberto (Open Access)
Predição de bombas funcionando como turbinas em toda a faixa de operação: estudo de caso de uma rede de distribuição de água
(Universidade Federal do Pará, 2021-06-18) GAIA, Juliana Garcia; MESQUITA, André Luiz Amarante; http://lattes.cnpq.br/1331279630816662
Nos dias atuais, a importância de reduzir gastos com energia e/ou de obter formas alternativas de geração tem aumentado cada vez mais. Nesse contexto, as bombas funcionando como turbinas (BFT) surgem como alternativa sustentável para geração de energia aproveitando o potencial hidráulico de um local. Entretanto, a adversidade encontrada está relacionada com a faixa de operação da BFT em modo turbina. Este trabalho tem como propósito determinar de maneira teórica a faixa de operação de bombas funcionando como turbinas de bombas selecionadas para funcionar como válvulas redutoras de pressão (VRP) no sistema de abastecimento de água (SAA) da Vila Permanente, em Tucuruí. Realizou-se uma avaliação de três estudos experimentais e aplicou-se os métodos de Sharma & Williams (1995), Yang et al. (2012) e Alatorre-Frenk (1994-1998) para alcançar os resultados de previsão de altura (Ht) e vazão (Qt) das BFTs no modo turbina no melhor ponto de eficiência (BEP); após isso, foi aplicado o método desenvolvido por Rossi et al. (2019), que funciona em toda faixa de operação da BFT, combinado com os métodos no BEP para obtenção das curvas características Q x H (vazão x altura) e Q x η (vazão x eficiência) da BFT no modo turbina; e por fim, compararam-se os resultados obtidos através dos métodos com os resultados dos estudos experimentais, para que assim, a melhor combinação de métodos fosse selecionada. Então, com os valores de altura e vazão dos pontos de pressão no SAA da Vila Permanente, foram selecionadas bombas centrífugas para funcionar como turbinas, aplicando a melhor combinação de método e depois obtendo as curvas características da BFT no modo turbina, de modo a revelar vários pontos em que a BFT pode operar; além dos cálculos de recuperação de energia com valores em KW por dia, mês e ano. Nos sistemas de abastecimento de água, os gastos com energia são excessivos e é comum a utilização de válvulas redutoras de pressão em pontos em que é necessária essa redução para assegurar que as circunstâncias propícias para o transporte de água na tubulação. Desta maneira, entende-se que ocorre desperdício de energia que poderia ser empregada no próprio sistema.
Acesso aberto (Open Access)
Protótipo para análise técnico-econômica de bombas funcionando como turbinas em redes de distribuição de água
(Universidade Federal do Pará, 2025-02-27) VIANA, Ingrid Luna Baia; SOUZA, Davi Edson Sales e; http://lattes.cnpq.br/6130270007673176; HTTPS://ORCID.ORG/0000-0001-9632-5667; ISHIHARA, Júnior Hiroyuki; http://lattes.cnpq.br/3498874642887006; https://orcid.org/0000-0002-0081-7913
A crescente necessidade por soluções sustentáveis nas redes de distribuição de água exige tecnologias que otimizem a eficiência energética e reduzam custos operacionais. No entanto, a escolha da melhor alternativa para implementação de Bombas Funcionando como Turbinas (BFTs) é um desafio devido à multiplicidade de critérios técnicos e econômicos envolvidos. Assim, este estudo propõe um modelo de suporte à decisão, empregando técnicas multicritério e programação computacional para auxiliar na seleção da alternativa mais viável dentro de cenários distintos. A análise concentra-se na viabilidade técnico-econômica de BFTs em Redes de Distribuição de Água (RDAs), utilizando o método TOPSIS, onde os dados serão avaliados e classificados por similaridade com condições ideais. Implementado em linguagem Python, o sistema garante precisão aos cálculos, com uma interface gráfica denominada de FliessEnergy, hospedado na Vercel, com um layout responsivo e escalável, proporcionando uma experiência otimizada ao usuário. A aplicação prática com dados de RDAs reais demonstrou sua eficácia na priorização das alternativas mais vantajosas. Os resultados indicaram que o Cenário 1 apresentou a melhor configuração para implementação de BFTs, enquanto o Cenário 5 se mostrou a alternativa menos favorável. Esta classificação das alternativas ajuda os gestores a tomar decisões, levando em conta tanto a proximidade com as melhores condições quanto a distância das piores. Para avaliar a confiabilidade e consistência dos códigos, empregou-se o PyTOPS, um software livre que possibilita várias simulações com alterações nos pesos dos critérios. Foram feitas 500 simulações, resultando em uma variabilidade reduzida entre os cenários, o que reforça a solidez do modelo e sua habilidade de gerar classificações consistentes mesmo com pequenas mudanças nos parâmetros. O modelo mostrou-se consistente e confiável, oferecendo um instrumento útil para avaliar a implementação de BFTs em RDAs. Espera-se que, com aprimoramentos futuros e integração de bases de dados, esta solução possa contribuir de maneira significativa para decisões estratégicas no setor de saneamento do Brasil.

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