Concepção e validação de um sistema inovador de bombeamento d’água utilizando um aeromotor de eixo vertical a partir de baixas velocidades de vento

Abstract

Nesta pesquisa foi concebido, projetado, instalado, testado e validado um sistema inovador e de baixo custo para bombeamento de água, composto por um aeromotor de eixo vertical (AEV) tipo H-Darrieus de pequeno porte, com seis pás de perfil NACA 0018, associado a um mecanismo de transmissão e sistema de bombeamento inteiramente mecânico. O sistema integra (i) uma bomba de deslocamento positivo recíproca de dupla ação e (ii) um inovador mecanismo de transmissão tipo came-seguidor em "U", eliminando a necessidade de sistemas de freio ou controle eletrônico. O projeto teve como objetivo fornecer uma solução robusta e acessível para regiões com infraestrutura limitada. Os testes experimentais, em campo e laboratório, comprovaram a viabilidade técnica e econômica do conjunto, com vazões volumétricas que superam as recomendações mínimas da Organização Mundial da Saúde (OMS) para consumo humano (50 L/pessoa/dia) e atendem à demanda de residências rurais (500 L/dia). O sistema mostrou-se eficaz a partir de condições de ventos leve e médio (3-6 m/s), apresentando vantagens operacionais como simplicidade construtiva, facilidade de manutenção e adaptabilidade a variações de carga. O sistema de bombeamento inovador destacou-se pela versatilidade, com reduzido número de componentes, operação estável em baixas rotações (5 a 100 RPM) e compatibilidade com diversos sistemas de acionamento (e.g., rodas d’água, bombas solares, aeromotores de eixo vertical e motores elétricos). Os resultados evidenciam o potencial da tecnologia para aplicações em comunidades vulneráveis, integrando sustentabilidade energética e autossuficiência hídrica. A relevância e o ineditismo desta pesquisa estão atestados pelo depósito de patente modelo de utilidade e pela publicação de seus resultados em periódico de elevado fator de impacto.

This research conceived, designed, installed, tested, and validated an innovative, low-cost water pumping system comprising a small-scale H-Darrieus-type Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) with six NACA 0018 airfoil blades, coupled with an entirely mechanical transmission and pumping mechanism. The system integrates (i) a double-acting positive displacement reciprocating pump and (ii) an innovative U-shaped cam-follower transmission mechanism, eliminating the need for braking systems or electronic pitch control. The project aimed to provide a robust and accessible solution for regions with limited infrastructure. Experimental tests, conducted both in the field and in the laboratory, demonstrated the technical and economic viability of the system. The volumetric flow rates achieved exceed the minimum recommendations of the World Health Organization (WHO) for human consumption (50 L/person/day) and meet the demand of rural households (500 L/day). The system proved effective from low to medium wind conditions (3-6 m/s), exhibiting operational advantages such as constructional simplicity, ease of maintenance, and adaptability to load variations. The innovative pumping mechanism stood out for its versatility, featuring a reduced number of components, stable operation at low rotational speeds (5 to 100 RPM), and compatibility with various drive systems (e.g., water wheels, solar pumps, vertical axis wind turbines, and electric motors). The results underscore the technology's potential for applications in vulnerable communities, integrating energy sustainability with water self-sufficiency. The relevance and novelty of this research are substantiated by a filed utility model patent and the publication of its results in a high-impact journal.