Aula 2 Hidreletrica

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Introdução
Centrais Hidrelétricas
Centrais Hidrelétricas
Centrais Hidrelétricas
Centrais Hidrelétricas
Centrais Hidrelétricas
Em uma central hidrelétrica , a 
água aciona uma turbina hidráulica 
que movimenta o rotor de um 
gerador elétrico para a produção 
de energia elétrica.
Centrais Hidrelétricas
Quanto a potência, as centrais podem ser:
• Micro – P <= 75 kW
• Mini – 75 < P < = 3.000 kW
• Pequenas - 3000 < P < 30.000 kW
• Médias – 30.000 < P <= 100.000 kW
• Grande – P >= 100.000 kW 
A queda pode ser definida como:
• Baixissima – H <=10 m
• Baixa – 10 < H < = 50 m
• Médias – 50 < H <= 250 m
• Alta – H >= 250 m 
Centrais Hidrelétricas
Centrais Hidrelétricas
A forma de captação da água:
• Desvio ou derivação
• Leito de rio ou represamento
Sua função no sistema:
• Operação na base (da curva de carga)
• Operação flutuante
• Operação na ponta (da curva de carga)
Centrais Hidrelétricas
Centrais Hidrelétricas
Centrais Hidrelétricas
Centrais Hidrelétricas
Centrais Hidrelétricas
Para determinar o potencial hidrelétrico aproveitável é necessário avaliar os recursos 
potenciais que podem ser aproveitados em cursos pequenos, médios e grandes dos rios. 
Esta classificação, de acordo com seu tamanho, pode ser feita com base em diferentes 
critérios: 
vVazão; 
vPotência; 
vComprimento do rio;
vÁrea da bacia.
Segundo o critério da área da bacia, os pequenos rios possuem até 5.000 km2 e os médios
até 100.000km2. 
Centrais Hidrelétricas
Podemos dis)nguir três )pos de potencial hidrelétrico: 
•• Teórico (bruto): energia teórica do curso de água sem considerar perdas; 
•• De exploração: energia do curso de água que tecnicamente pode ser 
aproveitada considerando perdas. Mundialmente esta magnitude é avaliada 
em uma média de 60%. 
•• Econômico: energia do curso de água cuja u)lização resulta 
economicamente efe)va. Mundialmente representa 47% do potencial de 
exploração e 26% com relação ao teórico. 
Centrais Hidrelétricas
Estudos de demanda
ü Fornecimento de energia elétrica a pequenas populações ou 
comunidades rurais isoladas da rede elétrica nacional. 
ü Avaliar qual é a demanda de energia elétrica dos potenciais 
clientes da central e a forma do perfil de demanda diário. 
Estudos socieconômicos
ü Avaliação econômica do projeto, sua organização e desenvolvimento, 
além do impacto social que causaria na comunidade ou região como a 
compra de terras, a relocação de comunidades inteiras, etc.
ü Abrange o desenvolvimento e construção da usina, bem como a 
manutenção, administração e operação da mesma. 
Estudos de Impacto Ambiental
ü Inundação de uma grande extensão de terra, resultando em 
perdas agrícolas, de flora e fauna. 
ü Uma das barreiras mais importantes para o desenvolvimento 
desta tecnologia é o impacto ambiental que pode provocar. 
Estudos geológico e geotécnico
ü Indicam condições e propriedades dos terrenos;
ü Realiza-se a localização e adequação das obras com relação à estabilidade dos terrenos. 
Normalmente nos projetos são analisados os seguintes pontos: 
� Disponibilidade de materiais de construção
� Permeabilidade dos terrenos 
� Estabilidade das encostas 
� Métodos construEvos 
O conflito enfrentado pelo planejador de pequenas usinas hidrelétricas consiste em ter que escolher entre: 
• Custo elevado dos estudos detalhados geotécnicos e hidrotécnicos para cada projeto. 
• Elevação de custos de construção ao desenhar obras com fatores de segurança elevados. 
Estudos cartográficos e topográficos
A cartografia necessária é ob1da através dos Ins1tutos Cartográficos existentes nas diferentes comunidades ou regiões e permite fixar as 
coordenadas geográficas da área do projeto: 
Al#tude, La#tude e Longitude 
1.Geralmente, quando o estudo começa as informações disponíveis são: 
• - Mapas do país a escalas de 1:500.000 a 1:2.000.000 
• - Cartas nacionais a escalas de 1:25.000 a 1:200.000 
• - Fotografias aéreas a escalas de 1:10.000 a 1:60.000 
A par1r da informação topográfica, elabora-se um perfil do comprimento do rio que mostra, ao longo do seu curso, quais são as 
inclinações existentes em seu transcurso segundo a área de estudo, definindo os trechos com potenciais mais interessantes. 
Estudos Hidrológicos e Pluviométricos
•Qual é a vazão garan.da ou projetada existente em um aproveitamento? 
•Qual pode ser o valor do vazão de máxima cheia em um determinado 
momento? Sua avaliação é muito importante para dimensionar corretamente 
as obras de proteção e evacuação de enchentes. 
Estudos Hidrológicos e Pluviométricos
Estudos Hidrológicos e Pluviométricos
Estudos Hidrológicos e Pluviométricos
Para a obtenção da vazão são considerados três métodos de atuação: 
•Por pluviometria; 
•Por estação de Medição; 
•Por correlação entre bacias com caracterís<cas, composição e proximidade 
semelhantes. 
Por Pluviometria
(Precipitação) 670 mm (100%) = (ET) 480 mm (72%) + (Esc.Sup) 
130 mm (19%) + (Esc.Sub) 60 mm ( 9%) 
Por Pluviometria
O valor do coeficiente de escoamento pode ser calculado através da fórmula 2. 
Pd = precipitação diária em mm (ob?da esta?s?camente para o período de retorno considerado)
P0 = limiar de escoamento em mm. 
Por Pluviometria
Quando se sabe qual é a precipitação, a área da bacia de drenagem e o coeficiente de escoamento, obtém-se o valor da 
vazão, de acordo com a equação: 
Por Pluviometria
Exemplo. 
Calcular a vazão do projeto para um período de retorno de 50 anos em uma bacia com 
uma super<cie de 12,1Km2. Comprimento do curso: 5,1 km. Quota máxima: 956 m; Quota 
mínima: 889 m. A precipitação diária Pd: 71mm (para o período de retorno de 50 anos). 
Limiar de escoamento P0: 27mm. Intensidade de precipitação de 16,2 mm/hora. 
Por Estações de Medição
Des$nam-se a medir uma vazão. Na Hidrologia superficial pode ser necessário medir pequenas vazões (litros/s) de rios 
com muitos m3/s. A determinação das vazões deve ser realizada por seções específicas, fixas e inalteráveis no tempo, 
denominadas medições. 
Por Correlações de Bacias
Não exis)ndo Estações de Pluviometria ou de medição na área em que será implantado o aproveitamento, se as 
condições de vegetação, orientação das chuvas dominantes, morfologia, encostas, distância, etc., são adequadas, podem 
ser u)lizados seus dados e aplicados à área a ser estudada. 
•Área da bacia (A) (km2) •Comprimento do curso principal 
•Elevação média da bacia •Inclinação média do curso 
Curva de Vazões Classificadas
Centrais Hidrelétricas
Centrais Hidrelétricas
Centrais Hidrelétricas
Centrais Hidrelétricas
Procedimento para obter a curva de vazões médias diárias classificadas 
De um determinado rio, dispõe-se dos dados de vazões médias diárias ob7das para cada dia e em cada mês, durante 20 
anos, conforme consta na tabela a seguir. Estes dados foram ob7dos através de uma estação de medição. 
Dados de vazões médias diárias
Ordenando os valores da vazão do menor ao maior, desconsiderando a ordem cronológica de surgimento e descontando 
20% da vazão ecológica para todo o ano, ficariam ordenados da forma apresentada nas tabelas a seguir: 
O valor da energia elétrica ou produção em kWh/ano para cada valor de vazão das tabelas foi calculado segundo a 
fórmula: 
0,92 eficiencia§ e = eficiência global da usina (turbina + gerador elétrico + transformador)
§ Q-Qsf = Vazão média diária menos a vazão ecológica em m3/s
Quedas
Queda bruta (Hb). Altura existente entre o 
ponto de descarga de água no açude ou 
represa, e o ponto de descarga da vazão
turbinada ao rio. 
•• Queda ú?l (Hu). Desnível entre a 
superBcie da água na câmara de carga e o 
nível de descarga na turbina. 
•• Queda líquida (Hn). É a diferença entre 
Hu e as perdas de carga produzidas por 
todas as condições. Representa a máxima
energia que poderá ser transformada pelo 
eixo da turbina. 
•• Perdas de carga (Hp). São perdas por 
fricção da água contra as paredes do canal, 
conduto forçado, válvulas, grades, etc. 
Mede-se como perdasde pressão (ou 
altura da queda). Considera-se 
normalmente que as perdas de carga 
representam de 5 a 10% da queda bruta. 
Potência Teórica
A potencia teórica de uma queda d’água em wa5s pode ser es7mada através da seguinte expressão: 
Potência Teórica
Potência Teórica
O fator de eficiência global da central e é um produto de rendimentos dos diferentes equipamentos que intervém na 
produção da energia, mais o consumo próprio: 
Potência Teórica
Como exemplo, uma micro turbina que tem um rendimento global de 70% com uma vazão de 30 l/s e dispõe de uma 
queda de 20m, resultará em uma potencia de? 
Centrais Hidrelétricas
Centrais Hidrelétricas
Turbinas Hidráulicas
Percurso da água
Quando seguimos a trajetória teórica da água no interior da turbina, encontramos seus elementos principais. Mesmo 
com dis9ntos 9pos de turbinas, são concebidos de maneira geral para uma turbina informações básicas.
Vídeo
Centrais Hidrelétricas
0
5
10
15
20
25
30
35
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Permanência [%]
Va
zã
o 
[m
³/s
]
Exemplo: A vazão de 5 m3/s possui probabilidade 
de 60% (Q60) de ser igualada ou superada, ou
em 60% do tempo ocorrem vazões maiores ou 
iguais a 5 m3/s
Curva de Permanência
Curva de permanência de vazões
Q90 = 40 m3/s
A vazão deste rio é superior a 40 m3/s em 90 % do tempo.
Turbinas
Segundo a forma de realizar a conversão de energia hidráulica em mecânica, existem 
dois :pos de turbinas: 
ØTurbinas de ação ou de impulso (Pelton, Turgo, Ossberger ou Michell-
Banki). Trabalham sob pressão atmosférica. Toda a energia foi converCda 
em cinéCca no conduto. 
ØTurbinas de reação (Francis e Kaplan/Hélice). Trabalham sob pressão
superior à atmosférica, na entrada; como possuem um conduto de 
aspiração, estão em “depressão” na saída do rotor. 
Turbinas
Uma vez determinados a vazão e a queda disponível, é preciso escolher a máquina que 
melhor se adapte às caracterís;cas da queda. 
Turbinas – Velocidade Específica (ns)
/Kaplan
Turbinas
Qual o modelo 
mais provável 
dessa turbina?
Centrais Hidrelétricas
Turbinas 
em relação 
a quedas
Turbinas
Turbinas
É necessário ressaltar que a escolha do 2po de 
turbina deve atender a uma combinação de todos 
os fatores que influenciam em seu 
funcionamento. 
Equipamentos Mecânicos
•- Elementos de fechamento e regulação
•- Turbina hidráulica
•- Grupo óleo-hidráulico
•- Caixa mul>plicadora de velocidade 
•- Gerador elétrico
•- Equipamento elétrico geral 
•- Equipamentos auxiliares 
•- Elementos de regulação, controle e proteção
Equipamentos Mecânicos
Elemento de fechamento e regulação
Em todo o aproveitamento hidrelétrico é necessária a instalação de algum 
disposi8vo que isole a turbina ou a central do aproveitamento no caso de 
parada. 
Estes disposi8vos são: 
- Comportas
- Válvulas, que podem ser: 
•- De fechamento ou segurança: válvula de guarda 
•- De regulação: são os injetores nas turbinas Pelton ou os distribuídos nas 
turbinas 8po Francis e Kaplan 
Equipamentos Mecânicos
Equipamentos Mecânicos
Grupo óleo-hidráulico
Para o acionamento dos elementos de regulação da vazão e válvulas, dispõe-
se de um grupo óleo- hidráulico de óleo sob pressão. 
Estes acionamentos são: 
• - o acionamento das pás do rotor (KAPLAN ou SEMIKAPLAN) 
• - o acionamento das pás do distribuidor ou dos injetores (PELTON) 
Equipamentos Mecânicos
Caixa mul)plicadora de Velocidade 
Em pequenas usinas hidráulicas, costuma ser normal a instalação de uma caixa 
mul8plicadora de velocidade entre a turbina e o gerador, devido a que a velocidade de 
giro da turbina hidráulica costuma ser baixa diante da velocidade do gerador elétrico que 
costuma ser alta (máquinas elétricas com poucos pares de pólos). 
Equipamentos Mecânicos
Gerador síncrono
O gerador elétrico é uma máquina que se encarrega de transformar a energia 
mecânica de rotação que proporciona a turbina em energia elétrica. 
O gerador (ou alternador) está formado por duas partes: 
•- O rotor (ou indutor móvel), que se encarrega de gerar um campo 
magnéBco variável ao girar arrastado pela turbina. 
•- O estator (ou induzido fixo), sobre o qual se gera a corrente elétrica
aproveitável.
Em centrais menores que 1000 kW a tensão de geração é de 380 a 500 V c.a., 
e para potencias mais altas a tensão aumenta até 13.8kV. 
Equipamentos Mecânicos
Transformador
Em uma central hidrelétrica é necessário um equipamento elétrico que tem por obje7vo transformar a 
tensão, medir os diferentes parâmetros da corrente elétrica da central, a conexão à linha de saída e a 
distribuição da energia. 
O obje7vo é elevar a tensão ao nível da linha existente para tornar possível um transporte sem perdas 
excessivas. 
A potencia do transformador principal costuma ser igual que a potencia do gerador em kVA ou MVA, apesar 
de que poderia ser um pouco menor devido a que é preciso descontar a potencia do autoconsumo da 
central. 
Equipamentos Mecânicos
Equipamentos Mecânicos
Centrais Hidrelétricas
10 Maiores Hidrelétricas
8 Maiores PCHs
Centrais Hidrelétricas
Uma usina hidrelétrica será construída em um rio com a curva de permanência apresentada abaixo. O projeto da 
barragem prevê uma queda líquida de 27 metros. A eficiência da conversão de energia será́ de 83%. Qual é a potência 
assegurada desta usina? 
Centrais Hidrelétricas
Calcule a energia assegurada de uma usina hidrelétrica para a qual a curva de permanência de vazões é dada pelo 
gráfico abaixo. Considere uma eficiência de conversão de energia de 79% e uma altura de queda de 98 metros.