Em seu estudo de simulação, a
equipe investigou a recuperação longitudinal da esteira, seu efeito na
eficiência do conjunto de turbinas eólicas e as relações de compromisso entre o
espaçamento entre as turbinas, a capacidade instalada e a produção de energia.
A esteira se refere ao fluxo turbulento de água a jusante de uma turbina após a
extração de energia, o que pode reduzir o desempenho das turbinas subsequentes.
“Embora o presente trabalho
seja ilustrado por meio de um estudo de caso no Canal do Boqueirão, a
metodologia proposta não é específica para esse local e pode ser estendida a
outros canais estuarinos com características semelhantes, como restrições
geométricas, grandes amplitudes de maré, correntes fortes e disponibilidade
favorável de recursos solares”, afirmou a equipe. “Portanto, a estrutura
fornece uma base útil para a avaliação de pré-viabilidade de parques
energéticos hidro cinéticos e híbridos modulares em ambientes estuarinos”.
Segundo os pesquisadores, o
regime de marés no Canal do Boqueirão é semi diurno, com um período de
aproximadamente 12,4 horas. A região apresenta amplitudes de maré superiores a
6 m e velocidades de corrente frequentemente acima de 2,5 m/s, resultando em
uma densidade de potência máxima de 7,63 kW/m² e uma densidade energética anual
de 17,96 MWh/m². Cerca de 82,5% das velocidades de corrente anuais estão dentro
da faixa de operação da turbina, de 0,5 a 2,0 m/s.. Para o componente
fotovoltaico, a área recebe forte irradiação solar de cerca de 5 a 5,5 kWh/m²
por dia, ou aproximadamente 1.900 kWh/m² anualmente.
O componente de geração de
corrente de maré foi baseado na turbina hidrocinética Yarama, uma turbina de
eixo horizontal com seis pás e difusor integrado, projetada para condições de
baixa velocidade em estuários e rios. Ela possui uma potência hidráulica
nominal de 5 kW, uma potência elétrica efetiva de 4 kW, uma velocidade de
partida de 0,5 m/s e uma velocidade de parada de 2,4 m/s. A turbina apresenta
um diâmetro de garganta de 1,21 m, um diâmetro externo de 1,64 m e um
comprimento de difusor de 1 m.
Antes de incorporar a energia
fotovoltaica ao sistema, os pesquisadores estimaram o rastro das turbinas
usando simulações numéricas. Com base nisso, descobriram que um espaçamento
lateral de 3D (onde D representa o diâmetro da turbina) resultou em perda de
desempenho praticamente nula. Em contrapartida, o espaçamento longitudinal teve
um efeito significativo: quando as turbinas foram posicionadas a 40D de
distância uma da outra na direção do fluxo, o coeficiente de potência da
turbina a jusante caiu de 0,88 para 0,64 devido às perdas por rastro. O aumento
do espaçamento para 50D e 60D melhorou o coeficiente de potência a jusante para
0,76 e 0,80, respectivamente, demonstrando que um espaçamento maior permite
melhor recuperação do rastro e maior rendimento energético.
No
entanto, o espaçamento das turbinas reduz o número de unidades que podem ser
instaladas na área disponível, criando um dilema entre a produção de energia e
a capacidade instalada. Portanto, os cientistas decidiram instalar painéis
solares no topo de cada turbina, em uma plataforma flutuante do tipo catamarã.
Cada unidade híbrida tem 4,5 m de comprimento e 2,0 m de largura, com pontões
de 0,45 m de diâmetro e um suporte vertical de 1,5 m que conecta a estrutura
flutuante à turbina submersa. O sistema fotovoltaico consiste em quatro painéis
montados acima da plataforma, com uma capacidade combinada de 2,48 kW e uma
eficiência de 23%.
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Os pesquisadores simularam o
sistema híbrido como uma fazenda flutuante instalada em uma área piloto de 0,5
km × 3 km no Canal do Boqueirão. Cada fazenda continha entre uma e 17 colunas,
com cada coluna composta por 138 unidades híbridas de energia das marés e fotovoltaicas
dispostas lado a lado ao longo do canal. Para cada configuração da fazenda, a
equipe também testou espaçamentos longitudinais de 40D, 50D e 60D entre as
colunas.
A
série de simulações mostrou que uma fazenda com espaçamento longitudinal de 40D
e 3 colunas geraria 5,186 GWh de energia por ano, com um custo nivelado de
energia (LCOE) de US$ 0,36/kWh. Expandir o layout para quatro colunas
aumentaria a geração anual para 6,401 GWh, com um LCOE de US$ 0,37/kWh,
enquanto uma configuração com cinco colunas atingiria 7,468 GWh/ano com um LCOE
de US$ 0,38/kWh.
Para a configuração 50D, seis
colunas gerariam 10,043 GWh/ano a um LCOE de US$ 0,33/kWh, oito colunas
gerariam 12,466 GWh/ano a US$ 0,33/kWh e o layout com 11 colunas geraria 15,605
GWh/ano a US$ 0,35/kWh. Para a configuração 60D, nove colunas gerariam 15,002
GWh/ano a US$ 0,30/kWh, 12 colunas gerariam 18,680 GWh/ano a US$ 0,31/kWh e o
layout máximo com 17 colunas geraria 23,956 GWh/ano a US$ 0,32/kWh.
Os resultados também
indicaram que, embora os efeitos de esteira levem a uma redução na produção de
energia das turbinas hidrocinéticas a jusante, a integração da geração
fotovoltaica ajuda a compensar parcialmente essas perdas. Consequentemente, a
configuração híbrida melhora a produtividade geral do local, aumentando o
rendimento energético total e fazendo um uso mais eficaz dos recursos
ambientais disponíveis.
“De modo geral, o estudo
confirma que os sistemas híbridos hidro cinéticos - fotovoltaicos representam
uma solução tecnicamente viável e economicamente promissora para a implantação
modular de energia renovável em canais estuarinos”, concluíram os acadêmicos.
“A metodologia proposta fornece uma estrutura robusta de apoio à decisão para a
avaliação de projetos em estágio inicial, permitindo comparações realistas
entre configurações de painéis, estratégias de espaçamento e níveis de
hibridização”.
O sistema foi apresentado em
“Design and techno-economic assessment of a hybrid diffuser-augmented
hydrokinetic–PV array in an estuarine channel”, publicado na revista Energy
Conversion and Management. Cientistas da Universidade Federal do Maranhão, da
Universidade Federal de Itajubá, do Instituto Federal do Maranhão e da
Universidade Estadual de Campinas contribuíram para a pesquisa.
(pv-magazine-brasil)
