Pesquisadores brasileiros desenvolveram um conceito híbrido de geração de energia das marés e fotovoltaica para implantação modular de energia renovável em canais estuarinos.
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 hidrocinéticos e híbridos modulares em ambientes estuarinos.”
Segundo os pesquisadores, o regime de marés no Canal do Boqueirão é semidiurno, 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%.
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 três 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 hidrocinéticos-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.
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