VIABILIDADE DO USO DE AEROGERADORES NO BOMBEAMENTO DE
ÁGUA PARA IRRIGAÇÃO NA REGIÃO LITORÂNEA DA PARAÍBA, NORDESTE DO BRASIL
VIABILITY OF WIND GENERATTORS USE TO PUMP
IRRIGATION WATER IN THE COASTAL REGION OF PARAÍBA, NORTHEAST OF BRAZIL
Waldemberg Lisboa da Cunha[1]
Recebido em: 01/10/2017.
Aceito em: 05/12/2017.
RESUMO
A energia eólica, por ser uma fonte energética
abundante, não poluidora e que pode ser renovada, é considerada uma das
alternativas sustentáveis mais econômicas. Além de outros propósitos, pode ser
aproveitada em bombas d’água para irrigação em zonas agrárias. Dessa forma, a
quantidade de energia consumida pelo bombeamento pode ser poupada pela
introdução de bombas de cata-vento, já que estudos comprovam que essa medida
utilizando a velocidade de bombear do moinho de vento é muito econômica,
gerando também uma melhor disposição na agricultura local, facilitando o
processo de irrigação. O objeto almejado neste estudo se concretiza, assim,
para a aplicabilidade de geradores eólicos que consigam promover recursos financeiros
a agricultores que cultivam culturas por irrigação. Uma solução econômica e
sustentável, que garante escape aos importantes obstáculos energéticos no setor
agrário. Foram feitas diversas análises das condições locais de vento para
possibilitar o aumento da exploração desta alternativa. Na análise realizada, utilizaram-se
dados locais de velocidade do vento para o período de um ano. Fórmulas para
calcular o potencial energético dessa fonte alternativa foram empregadas e
catálogos técnicos dos equipamentos consultados. Na avaliação do potencial
eólico para bombeamento d'água na costa da Paraíba foi obtida uma velocidade
média do vento de 5,37 [m/s], suficiente para produzir diretamente energia
através de cata-ventos e bombear um volume médio diário de 12.500 [l/dia], em
função da altura manométrica de 5 [m], respectivamente, considerando a potência
hidráulica que foi desenvolvida e o diâmetro das pás do rotor de 3 [m].
Palavras-chave: Cata-vento. Eficiência energética.
Geração de energia alternativa. Irrigação.
ABSTRACT
Wind
energy, being an abundant, non-polluting and renewable energy source, is one of
the most economically sustainable alternatives. Besides other purposes, it can
be used in water pumps for irrigation in agrarian zones. Thus, the amount of
energy consumed by pumping can be saved by the introduction of water pumps,
since studies show that this measure using the windmill pump speed is very
economical, also generating a better disposition in local agriculture,
facilitating the process of irrigation. The aim of this study is to apply to
wind generators that can promote financial resources for farmers who grow crops
through irrigation, an economical and sustainable solution that guarantees
escape from the important energy obstacles in the agrarian sector. Several
analyzes of the local wind conditions were made to increase the exploration of
this alternative. In the analysis performed, local wind speed data were used
for a period of one year. Formulas to calculate the energy potential of this
alternative source were employed and technical catalogs of the equipment were
consulted. In the assessment of wind energy potential for water pumping in the
coastal of Paraíba was obtained a wind speed average of 5,37 [m/s], sufficient
to directly produce energy through wind turbines and pump an average daily
volume to 12.500 [l/day], as a function of the manometric height to 5 [m],
considering the hydraulic power that was developed and the diameter of the
rotor blades of 3 [m].
Keywords:
Wind. Energy efficiency. Alternative energy generation. Irrigation.
INTRODUÇÃO
A questão energética tem um significado bastante
substancial no contexto das temáticas ambientais e na busca do desenvolvimento
sustentável. Na verdade, esse assunto tem influenciado mudanças de paradigmas,
principalmente porque o suprimento de energia é considerado uma das questões
básicas para o desenvolvimento econômico e também sustentável. Sendo uma
alternativa bastante interessante para minimizar a problemática, enfrentada
pelo homem rural, as fontes renováveis de energia se mostram utópicas, sendo
justificado, principalmente, pelo escasso aproveitamento do potencial
energético de uma região.
Apesar de ser uma opção relativamente barata, a energia
eólica apresenta algumas características que dificultam seu uso como fonte
regular de energia. Além de sua ocorrência ser irregular, para pequenos
períodos e determinadas localidades, a quantidade de energia diária disponível
pode variar muitas vezes de uma estação do ano para outra em um mesmo lugar
(LIMA, 2009). Por isso, a importância de estudar
uma região específica e analisar a viabilidade de utilização dessa alternativa
energética, visando uma economia de médio a longo prazo. Diversos estudos
apontam que a região Nordeste do país apresenta grande potencial para
utilização de energia eólica e que o desenvolvimento do setor agrícola está
diretamente ligado à disponibilidade de energia, porém preços elevados e a
ameaça de insuficiência das fontes não renováveis têm despertado a preocupação
de se buscar novos caminhos.
Esta pesquisa tem como foco o estudo da viabilidade eólica, aplicada à prática de
irrigação em propriedades de pequenos agricultores, localizados no litoral
paraibano, utilizando a ação eólica como uma fonte de energia limpa para
viabilizar o bombeamento de água e desenvolver processos que substituam a
utilização de energia convencional por alternativas que visem à
sustentabilidade na produção agrícola, principalmente em locais isolados,
facilitando todo o processo de irrigação e visando também uma economia de
energia, já que esta pode auxiliar as comunidades locais no processo de
emancipação e autossustentabilidade.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Para adequado desenvolvimento do tema de estudo proposto,
alguns fundamentos e conceitos devem ser estabelecidos. Assim, recorreu-se, preliminarmente,
ao estudo de Mialhe (1980): a região nordeste do Brasil apresenta grande
potencial para aproveitamento da energia eólica, quando comparada com outras
regiões do globo.
Para Filho et al. (2013), as mudanças no processo de
industrialização e nos hábitos de consumo estão obrigando a humanidade a rever
seus conceitos. Esta justificativa se relaciona com a tese de defasagem do
sistema energético fóssil atual, revelada no exposto de Mishra & Sharma
(1992), em que testifica-se, portanto, a solução por ventos uma alternativa que
garante melhor aproveitamento energético, boa indicação para a agricultura. Principalmente
após a crise mundial do petróleo em 1970, de acordo com Salles (2009)
norte-americanos e europeus tiveram que buscar fontes alternativas para
diminuir a dependência do petróleo e do carvão. Assim, iniciou-se a utilização
dos ventos para a geração de eletricidade.
Quando se cogita na conversão da energia eólica, há que se
levar em conta que todo local é apropriado, uma vez que, segundo, os
fabricantes de turbinas eólicas, para que o sistema seja economicamente viável,
a velocidade média anual mínima deve ser de 5,0 a 7,0 [m/s], como já constata
Aldabó (2012, p.78).
No contexto sociobiológico, a energia captada por ventos
se apresenta como fonte limpa e renovável, ora os ventos permanecem constantes
por horas e em dependência de circunstâncias topográficas, relevo, condições
climáticas e diversas outras características representativas do local.
A energia eólica pode ser aproveitada em bombas d'água
para irrigação e outros propósitos. Assim, enorme quantidade de energia
consumida para bombeamento d'água pode ser poupada pela introdução de bombas de
catavento. E concluíram no trabalho que o bombeamento d'água usando a
velocidade de bombear do catavento é muito econômica (MISHRA e SHARMA, 1992).
Não obstante todo o potencial de geração de energia eólica
disponívl no Brasil, a capacidade instalada, por região, é mais baixa no
sudeste e norte, mas de valores ascendentes para o nordeste com valores em 75,0
GW e 144,3 TWh/ano, os valores do sudeste, por exemplo, se posicionam com
números de 29,7 GW e 54,9 TWh/ano (ANEEL, 2016). Com essa representatividade da
região nordestina, o Brasil se concentra com valores de potencial em 143,5 GW e
272,2 TWh/ano.
Presume-se, então, que a energia eólica venha a ser muito mais
financeiramente competitiva para as próximas décadas com a redução dos custos
do dólar aplicado ao quilowatt e com o incremento da eficiência dos geradores e
conversores estáticos (BURTON, et al., 2011, p. 2). Essa realidade da
necessidade por novas tecnologias limpas, que consigam produzir energia equiparada
a convencional, é um gradiente mundial. A sustentabilidade tem sugerido novos
padrões de vida e de consumo aplicado ao que se consiga renovar.
É fundamental estudo prévio para instalação de qualquer
complexo energético, Tubelis e Nascimento (1984) já revelava que o comportamento
dos ventos é bastante variável, em função da situação geográfico do local,
rugosidade da superfície, relevo, vegetação, clima e época do ano.
METODOLOGIA
Para a realização deste estudo foi
escolhido o trecho litorâneo pessoense, região da costa que contempla o
conjunto metropolitano de João Pessoa. O objetivo é caracterizar o potencial
eólico do local utilizando informações históricas de velocidades do vento.
Dados da estação meteorológica automática mais próxima, que se encontra em João
Pessoa (07°06’ LAT S e 34°52’ LONG W e altitude 7,43 [m]), foram obtidos
através do Instituto Nacional de Meteorologia – INMET e consulta a Filho (2007).
A par das informações históricas diárias de velocidade do
vento, obtidas nestas estações meteorológicas automáticas, realizou-se a
elaboração de gráficos e tabelas utilizando-se o arquivo do tipo XLS para
análise da viabilidade de efetuação dos geradores eólicos para irrigação.
Estudo de caso
Escolheu-se uma área privada irrigada de três hectares
para o estudo de caso, que fica no ínterim da localização metropoliana com a
capital, ao longo do litoral e nos limites da Rodovia Estadual PB-018 com a
Rodovia Contorno de Jacumã e o rio Gurugi. A propriedade é cortada por seu
curso. Esse espaço estrategicamente foi escolhido pela importância no
abastecimento agrícola à capital e entorno com a cultura do feijão, mandioca e
produtividade do algodão. Portanto, neste estudo considera-se a quantidade
hídrica que satisfaz generalizadamente o plantio.
Foram coletados mensalmente dados horários de velocidades
do vento registrados pela estação no decorrer de um ano, iniciando em junho de
2016 até o fim de maio de 2017.
A estação automática do INMET registra os dados a cada uma
hora. Portanto, nesse local, foi considerado que o valor de velocidade diário
foi obtido pela média das cinco maiores horas de velocidades do vento, e o
gráfico dessas velocidades deveria ser desenvolvido utilizando a média das três
maiores velocidades registradas a cada mês. Assim, ficou descartado as demais
dezenove horas, pois apresentaram velocidades de vento a dez metros de altura
abaixo de 2,1 [m/s] (SOUZA,1993), números inacessíveis ao funcionamento rotor.
Com isso, o tempo de funcionamento do catavento para captação de água será de
cinco horas ao dia.
Decorrida a coleta dos dados das velocidades,
disponibilizados pela estação meteorológica em uma altura de referência, com
dois metros de atitude em relação ao solo, logra-se a sua variação com a altura
conforme a lei da potência, que representa o perfil da velocidade do vento pela
(Eq. 1). Foi fixado aqui, portanto, a altura desejada em 10 metros tomando o
solo como referencial.
(1)
Onde 
representa a altura de referência da medida da
velocidade, 
a velocidade nesta altura de referência, 
a altura desejada e 
é chamado de expoente de camada limite
e varia em função da rugosidade da superfície conforme (Quadro 1).
Quadro 1 - Coeficiente de rugosidade da superfície em
função da característica do local.
|
DESCRIÇÃO DO TERRENO |
RUGOSIDADE DA SUPERFÍCIE (η) |
|
SUPERFÍCIE LISA, LAGO OU OCEANO |
0,10 |
|
GRAMA BAIXA |
0,14 |
|
VEGETAÇÃO RASTEIRA (ATÉ O,3M) |
0,16 |
|
ARBUSTOS, ÁRVORES OCASIONAIS |
0,20 |
|
ÁVORES, CONSTRUÇÕES OCASONAIS |
0,22 - 0,24 |
|
ÁREAS RESIDENCIAIS |
0,28 -0,40 |
Fonte: CRESESB – Centro de Referência para Energia
Solar e Eólica Sérgio Brito, 2001.
O coeficiente de rugosidade usado foi de η = 0,20.
As informações de velocidades do vento foram encaminhadas para o fabricante do
catavento e este mesmo se encarregou de dimensionar um sistema eólico, adaptado
às características do local, e também informar sobre a capacidade de
bombeamento d’água. Por conseguinte, foram desenvolvidos gráficos e tabelas
sobre o potencial eólico da região e por fim, a par dos resultados,
verificou-se a porcentagem de água que o instrumento catavento poderá bombear
para irrigar o terreno de três hectares e sua viabilidade na localização
estudada ao longo do litoral da Paraíba.
ESPECIFICAÇÃO DO MODELO DE CATAVENTO E DE CÁLCULO PARA VELOCIDADE DO
VENTO
A fabricante consultada foi a mais próxima da área e única
da Paraíba. Ela se encontra em Campina Grande e por essa razão viabilizou
economicamente o sistema. O catavento, tipo convencional, com 18 pás acopladas
à alavanca de Arquimedes, o que confere maior bombeamento de água com menor
oferta de ventos e até sem ventos, ideal para o local proposto pode ser visto
na Figura 1. Para o cálculo da viabilidade considerou-se apenas aplicações com
bombeamento d’água, utilizando informações colhidas in loco com curvas de potência obtida pelo fabricante, como também
informações de custo e infraestrutura.
Figura 1 - Modelo de catavento usado.
Fonte: Cataventos Yvel, 2017.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Considerou-se que a velocidade média do vento obtida no
local é constante para todo o ano. Obtidas pelas fórmulas das velocidades
médias dos ventos em um ano e pelo coeficiente de rugosidade para uma torre com
altitude de dez metros, a velocidade do vento concretiza no entorno de 5,37
[m/s] conforme a Figura 2.
Figura 2 - Estimativa de velocidade do vento no
litoral da Paraíba a altitude de dez metros de altitude entre 2016 e 2017.
Fonte: Elaborada pelo próprio autor, 2017.
Discriminação técnica do catavento dimensionado
O catavento será instalado distante de dois a dez metros
do reservatório e bombeará água para uma caixa d’água elevada a cinco metros de
altura. Esta com capacidade para 150.000 litros. Independente da cultura
irrigada, a água bombeada será armazenada no reservatório e de lá, com um
registro, fará a liberação da água na quantidade necessária para a cultura
regada. Isso porque o fluxo de água bombeada não é constante, dependente do
vento. Os fabricantes fornecem torres entre dez e quinze metros de altura. Contudo,
o mais viável por condições do terreno e economicamente é o catavento de aço
galvanizado, elevado a dez metros do solo e com bomba de 4”, latão de bronze e
êmbolo revestido com dois couros de sola forte, assim estimando uma vazão em 60.000
[l/h], para ventos constante de vinte e quatro horas. Tem freio e destravamento
automático, prevendo danos por ação de eventuais vendavais, e freios no pé da
torre, para pará-lo quando desejar. Breque de segurança que movimenta o leme a
90 graus.
A torre com colunas de cantoneira perfil L de 2x3/16”
transversais em cantoneira perfil L de 1x1/8”, esticadores de ferro redondo de
¼”, com ganchos de esticador em ferro de 5/16” galvanizado e rosqueado com
porca e acoplado a uma banqueta para manutenção de base em cantoneira perfil L
de 1.1/4x1/8” e lastro em madeira, escada de acesso de barras chatas 1x1/8”
sendo a coluna principal, base triangular de três pés. Raios e para-raios em
ferro cantoneira.
As pás galvanizadas pintadas com dezoitos palhetas, diâmetro
em três metros recortadas curvilíneas e raio de base chata com 1x3/16”, seu
suporte de base chata com 5/8x1/8”.
Kit do recalque: câmara de vácuo, gaxeta repressora de
1.1/4” em bronze, válvula de retenção 1”, união 1” e nippy 1”. A sucção de até
nove metros, pois a água é captada do rio Gurugi distante seis metros do
catavento. O óleo do tipo 140 para o equipamento é estabelecido em 4,5 litros,
porém sua reposição compreende-se vinte anos. A máquina de quatro engrenagens,
com comando duplo de bielas em banho de óleo, eixo principal SAE 1020 de 1.1/2”
com partes móveis em banho de óleo perene e tampa em chapa galvanizada.
Alavanca de Arquimedes, que dá durabilidade para o
trabalho de bombeamento por conta do peso de seu varão, ora em cataventos sem a
alavanca o funcionamento é interrompido quando diminuem os ventos. Teoricamente
a vazão tem um salto variando de 10.000 [l/dia] até 60.000 [l/dia].
Da finalidade dos cataventos, são montados sobre ou
próximos às fontes de água, na região estudada do litoral, o rio que a corta
ajuda na absorção, mas ainda que ele não o alcançasse, esse instrumento é
indicado para o bombeamento de água em poços comuns, açudes e cacimbões. A
altura de dez metros é estrategicamente posicionada para aproveitamento dos
ventos, que fazem girar o rotor transferindo a energia rotativa para conduzir
por sucção água abaixo do solo ou em sua superfície a uma caixa d’água, nesta
situação. O custeio do investimento ao agricultor fixa-se em R$ 7.350,00, mais
a mão de obra de R$ 720,00. Sobre a vida útil, esta se estendendo por trinta
anos, aplicando-se as manutenções preventivas resumidas em lubrificação das
partes móveis e pintura da torre. A bomba pode ser um ator contra este tempo de
salutar da estrutura, justificado pelos níveis de impurezas sólidas na água,
dessa forma tento atenção a esta situação para melhor preservação.
Resultados para a costa paraibana
O quadro 2 apresenta as probabilidades de ocorrência do
vento nos diferentes meses do ano e constata a média anual de 5,37 [m/s]. Por
questão da interferência do rio na propriedade e seu uso como fonte de água, a
capacidade diária para bombear eleva-se em 50% quando se compara a captação por
poços comuns, logo o catavento dimensionado tem capacidade de até 60.000 [l/dia],
dessa forma, 2.500 [l/dia] de capacidade para bombeamento.
O valor fixado de 5 horas para o funcionamento do
catavento em um dia obedece à suposição de Souza (1993) e também admite
valores, já intrínsecos, para segurança, próximos aos 2,1 [m/s], mas não
abaixo. Isso, portanto, comprova que em cinco horas de funcionamento diário o
gerador eólico alcançará o auge de sua eficiência e com o uso da alavanca de Arquimedes
este tempo se projeta para 24 horas. Então se tem que com a capacidade de
bombeamento de 2.500 [l/h], para o tempo de vento útil ao dia em 5 horas,
alcança-se um estimativo em 12.500 litros de água em um dia. Com esse
quantitativo, o agricultor poderá disponibilizar a água no valor necessário ao
tipo de cultura desenvolvida pela propriedade e ainda conscientizar-se sobre a
carência de outras torres eólicas.
Quadro 2 - Potencial eólico e vazão bombeada gerada
em função da velocidade do vento para bomba com rotor de 4”.
|
Velocidade Média |
Potencial Eólico |
Vazão Bombeada |
||
|
Mês |
V (m/s) |
(W/m²) |
(m³/hora) |
Litros/hora |
|
Junho |
5,27 |
32,44 |
11,80 |
11.804,67 |
|
Julho |
6,15 |
37,87 |
12,94 |
12.939,48 |
|
Agosto |
5,99 |
36,85 |
12,91 |
12.914,20 |
|
Setembro |
5,55 |
34,13 |
11,85 |
11.846,80 |
|
Outubro |
6,35 |
39,06 |
12,97 |
12.968,97 |
|
Novembro |
4,55 |
28,02 |
9,70 |
9.695,13 |
|
Dezembro |
5,22 |
32,10 |
11,80 |
11.796,24 |
|
Janeiro |
5,49 |
33,79 |
11,84 |
11.838,37 |
|
Fevereiro |
4,86 |
29,89 |
10,74 |
10.741,47 |
|
Março |
4,83 |
29,72 |
10,74 |
10.737,26 |
|
Abril |
5,16 |
31,76 |
11,79 |
11.787,82 |
|
Maio |
5,02 |
30,91 |
11,77 |
11.766,75 |
|
Média |
5,37 |
33,04 |
11,73 |
11.736,43 |
Fonte: Elaborada pelo próprio autor, 2017.
A viabilidade da instalação de um gerador eólico na costa
parainaba se justifica pela constante oferta de ventos capazes acioná-lo a
qualquer época do ano, como se percebe na (Tabela 2) e (Fig. 3). A temporada da
melhor produtividade do catavento inicia-se em julho e termina no mês de
outubro, volta no mês de dezembro a fevereiro e conduz-se quase que constante
até maio. Contudo, avaliando os demais meses, a redução dos valores bombeados
oscila no decurso anual e não é significativa. Para Souza, o potencial eólico
recomentado encontra-se no valor de 15 [w/m²]. Veja, na região estudada esse
valor de potencial eólico supera o dobro fixando-se em 33,04 [w/m²]. Esta
evidência enfatiza e garante o quão viável é a utilização dos cataventos para
sistemas de bombeamento de água nesta localização.
Figura 3 - Velocidade média do vento no litoral da
Paraíba em função dos meses entre 2016 e 2017.
Fonte: Elaborada pelo próprio autor, 2017.
Independente do que se estabelecem nas (Tabela 2) e (Fig.
3), os valores de potencial eólico não se realizam integralmente, pois parte
desse potencial é perdido pro variação do térreo e a própria ineficiência dos
equipamentos eólicos, daí a importância de escolha estratégica para
posicionamento da estrutura, primando sempre por áreas que percursam melhores
ventos.
A evidência da praticabilidade é apenas a chave, neste
estudo, para demonstrar o potencial enriquecimento de regiões agrícolas,
através do consumo sustentável e gratuito do vento na prática de irrigação,
pois o produtor garante o retorno para o custeio total no investimento do
catavento em um período acessível e com longo beneficiamento do uso.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Diante das informações aqui apresentadas, é possível
concluir que a estrutura eólica pode ser uma solução de alta eficiência para o
pequeno produtor, médio e grande também, considerando que o vento na região
estudada com, três hectares, é disponível demasiadamente o ano todo, possui
eficiência em seu potencial alto, visto que é uma região litorânea do nordeste
brasileiro.
O uso da alavanca de Arquimedes é um incremento que ajuda
consideravelmente no sistema de bombeamento, uma vez que é possível através
dela, a captação sem que haja boa qualidade de ventania. Ainda que o gerador
eólico não esteja nas proximidades litorâneas, a alternativa sustentável de
bombear água é uma solução relativamente acessível e rentável,assim, traz
lucratividade aos produtores que utilizam culturas irrigadas e até aos que
usufruem para fins de dessedentação de animais, pois o retorno de investimento
é acelerado na contrapartida dos gastos com a aquisição e manutenção. Porém,
para produtores utilizarem essa tecnologia é fundamental boa sondagem do
terreno aliada a um eficiente estudo sobre o comportamento dos ventos na
região. A fonte de água não precisa ser de um rio, como neste material, um poço
comum pode apresentar características próximas, mas há pequenas alterações na
formatação estrutural no gerador eólico, alguns detalhes que fomentam a sucção
da água.
A costa da Paraíba se apresentou, portanto, como um
território fértil na prática de implementação do instrumento, enfatizado pelo
alto potencial eólico, que pode garantir aos produtores que seguirem esta
indicação, uma dominação de água diária em 12.500 litros por cada dia. Além de
viável na região, é sustentável, acessível e é um importante divisor de águas
para o desenvolvimento financeiro do negócio do agricultor.
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Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio Brito. Atlas do potencial eólico brasileiro. Brasília, 2001. Disponível
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Acesso em: 27 de Maio de 2017.
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